Люминесцирующий материал для твердотельных источников белого света



 


Владельцы патента RU 2506301:

Вишняков Анатолий Васильевич (RU)
Чанг Яаохуи (CN)
Вишнякова Екатерина Анатольевна (RU)

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано в синеизлучающих светодиодах твердотельных источников белого света. Люминесцирующий материал на основе алюмината иттрия, включающего оксид церия, соответствует общей формуле (Y1-xCex)3±αAl5O12+1,5α, где х - атомная доля церия, равная 0,01-0,20; 0<α≤0,5 или 0>α≥1,5. Цветовая температура твердотельного источника белого света изменяется от 3500 до 4500 К. Цветовые координаты и яркость сопоставимы с коммерческими образцами. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области светотехники и, в частности, к люминесцентным материалам, светящимся при возбуждении голубым светом в желто-оранжевой области спектра и используемым в твердотельных источниках белого света. В этих приборах интенсивное белое свечение получается в результате комбинации желто-оранжевой люминесценции люминофора с первичным синим излучением, генерируемым светодиодом, излучающим в синей области спектра (440-480 нм).

Эффективность действия устройств данного типа зависит от химического состава применяемых люминофоров, в качестве которых могут быть использованы силикатные, фосфатные, оксидные, алюминатные, нитридные и оксо-нитридные люминофоры и их смеси [С. Ronda Luminescence: From Theory to Application. Science. 2007, 2б0р]. Наиболее эффективными среди них являются алюминатные люминофоры со структурой граната, образованные с" участием оксидов иттрия, гадолиния и других редкоземельных элементов, активированные церием обозначаемые в литературе - YAG:Ce.

Широкополосный люминофор с желто-оранжевым свечением на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием (Y,Се)3Al5O12 и способ его получения, был впервые запатентован как катодолюминофор для электронно-лучевых трубок сотрудниками фирмы «Филипс» Ж. Бляссе (G. Blasse) и А. Брилем (A. Brile) в ряде стран и в том числе в США: Pat.US 3564322 (U.S. Class: 313/468; Intern'l Class: C09K 11/77) от 16.02.1971 с первичным приоритетом 29.04.1967. Синтез данного люминофора проводят при прокаливании смеси оксидов иттрия, алюминия и церия в восстановительной среде, что приводит к образованию соединения, в котором ион Y3+ частично замещен на Се3+. Таким образом, гранат Бляссе-Бриля является соединением фиксированного стехиометрического состава с частичным замещением иттрия на церий в диапазоне концентраций от 0.01 до 0,20:

Начиная с 1997 года люминофор с желто-оранжевым свечением на основе иттрий-алюминиевого граната, активированного церием, стал повсеместно использоваться в качестве люминесцентного материала для твердотельных источников белого света. При этом внимание изобретателей было сосредоточено исключительно на создании более сложных композиций самого различного состава, включающих два или более лантаноидов замещающих иттрий.

В период 1998 по 2008 гг японской компанией «Nichia» была получена серия патентов на устройство, состоящее из полупроводникового гетероперехода InGaN, излучающего свет с длиной волны 450-470 нм и покрытого зернами флуоресцирующего вещества со структурой иттрий-алюминиевого граната, активированного церием [US Patents №№: №5998925(U.S. Class: 313/503; Intern'l Class: H01J 001/62) от 07.12.1997, №№6069440 (U.S. Class: 313/486,489; Intem'l Class: H01L 033/00) от 30.05.2000, №6608332 (U.S. Class: 257/98) от 19.08.2003, №6614179 (U.S. Class: 353/512; Intern'l Class: H01L 33/00) от 19.08.2003, №7362048 (U.S. Class: 313/512].

Во всех указанных патентах авторы рассматривают применение композиции, состав которой соответствует формуле:

(Y1-x∑Lnx)(Al1-a-b-cGaInb)5O12, где в числе основных редкоземельных элементов, упоминаются иттрий, гадолиний и церий и наряду с ними Lu, Sm, La, Sc.

Позднее были заявлены составы, включающие от 5 до 14 лантаноидов US 20080116422 (U.S. Class: 252/301.4R; Intem'l Class: C09K 11/08) от 22.05.2008 и US 20080290355 (U.S. Class: 257/94; Intem'l Class: C09K 11/08) от 27.11.2008. В первой из них предлагается композиция, формула которой имеет вид [Y1-x-y-z-p-qGdxTbyYbzLupCeq]s Al5O12, в состав которой кроме Gd, Се, Lu, Sm были добавлены Tb, Yb. В заявке US №20080290355 тех же авторов состав люминофора задан формулой [Y1-x-y-z-qGdxLuyYbzEuq + активирующие добавки Се,Pr,Dy,Er,Sm]3 Al5O12, где в группу лантаноидов были включены 9 из 14 f-элементов.

Химический состав этих люминофоров отвечал стехиометрической формуле (Y+∑Ln)3 [∑Ме3+)5O12, где Ln=Gd, Се и совместно с ними один или несколько элементов из группы лантаноидов; Me3+ - алюминий или совместно с ним один или несколько элементов из группы Ga, In, Sc. При этом соотношение между жестко фиксировано и равно .

Следует отметить, что ключевую роль в формировании люминесцентных свойств иттрий-алюминиевых гранатов выполняет ион Се3+ который является активатором люминесценции, т.е. элементом, оптические переходы в котором определяют цвет свечения, а концентрация задает яркость люминесценции.

Элементы Gd, Tb и Lu относят к категории добавок, формирующих люминесцирующую матрицу. Они обеспечивают сдвиг положения максимума в спектре люминесценции в длинноволновую (Gd, Tb) или коротковолновую (Lu) области спектра (аналогичную роль могут играть Ga, In, Sc). Другие редкоземельные элементы Nd, Eu, Dy, Er, Но, Tm, - играют вспомогательную роль, которая отмечалась в ряде патентов, но на количественном уровне не была охарактеризована. Общее число запатентованных композиций сложного катионного состава с фиксированной стехиометрией (3-5-12), исчисляется десятками.

В последние 5-7 лет в литературе появились патентные решения, в которых были предложены композиции с измененной стехиометрией между оксидами редкоземельных элементов и оксидом алюминия как в сторону избытка редкоземельных элементов, так и в сторону избытка алюминия.

Сотрудники корпорации «General Electric» в период с 2001 по 2003 годы заявили для тербиевых, лютециевых и тербий-лютециевых гранатов 5 патентов: US Pat №6598195 (22.07.2003), 6630077 (07.10.2003), 6793848 (21.09.2004), 6936857 (30.08.2005) и 7008558 (07.03.2006), первый из которых являлся основополагающим. В этом документе возможные вариации величины индекса у (∑Ln)a и (∑Al,Ga,In)z, были обозначены, соответственно, как 2,8<а<3 и 4<z<5. Стоит особо отметить тот факт, что авторы патента, изменяя индексы у ∑Ln и Al, т.е. говоря, по существу, о нестехиометрическом гранате, записывают индекс у кислорода, равным 12. Если учесть, что зарядовое состояние у всех металлов, характеризующих конкретный состав заявленных люминофоров, соответствует состоянию Me3+, то сохранение индекса у кислорода, равного 12, возможно при однофазности композиции только при условии, что зарядовое состояние у представителей лантаноидной группы будет более 3. Последнее в принципе исключено, поскольку приготовление люминофора осуществляется в восстановительных условиях (высокие температуры и присутствие водорода), когда устойчивым состоянием для тербия и церия является 3+.

В наиболее позднем патенте корпорации «General Electric» (7008558 (07.03.2006)) состав композиции, представлен формулой: (G1-x-yAxRey)a DzO12, где вариации стехиометрических индексов «а» и «z» обозначены неравенствами 2,8<а<3,1 и 4<z<5,1 (предпочтительно: 2,884<а<3,032 и 4,968<z<5,116).

В 2006 году был выдан патент (US №7135129 (U.S. Class: 252/301.4R; Intern'l Class: C09K11/08 от 14.11.2006 на люминофор состава: (Y1-x-y-z-qGdxDyyYbzErqCep)α (Al1-n-m-kGanScmInk)βO12, стехиометрические индексы у которого α и β были равны: α=2.97-3.02 и β=4.98-5.02). В заявке US20090153027 (U.S. Class: 313/503; Intern'l Class: C09K 11/78) от 19.06.2009 предложен люминофор, имеющий состав [Y2-x-y-z-qGdxCeyPrzDypO3]1,5±α+(Al2O3)2,5±β), где α=(0,01-0,1) и β=(0,01-0,1). По словам авторов, предпочтительные значения индексов составляют 0,01 для «α» и 0,03 для «β».

В патентных заявках (WO 2011/014091 A1 и PCT/RU 2010/000619) были предложены композиции, в которых величины индекса у элементов иттриевой подрешетки изменялась в интервале от 3,03 до 5 (избыток оксида иттрия) и, соответственно, от 2,8 до 1,0 (избыток оксида алюминия). Как оказалось, люминофоры, в которых величина индекса отличается от соответствующего стехиометрическому гранату (3), по своим эксплуатационным свойствам не уступали, но по ряду признаков (спекаемость, стоимость, яркость, цветовые координаты) превосходят те, которыми обладают гранаты со стехиометрией «3-5-12».

Однако независимо от того, каким был состав люминофора стехиометрическим или нестехиометрическим, люминесцентные материалы, заявленные после Бляссе-Бриля, всегда содержали кроме церия, по крайней мере, еще один лантаноид, который лишь корректировал активирующее действие церия. Поэтому, если не рассматривать сдвиг максимума в ту или иную сторону спектра (приводящий практически всегда к снижению яркости), то можно полагать, что простейший стехиометрический гранат Бляссе-Бриля обладает необходимым для практического применения комплексом свойств.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения, был выбран патент RU №2396302, в котором описано применение стехиометрического иттрий алюминиевого граната (Y1-xCex)Al5O12, активированного только церием и предназначенного для преобразования излучения синих светодиодов с целью получения твердотельных источников белого света.

Недостаток прототипа состоит в том, что в рамках его может быть синтезирован ограниченный ряд люминофоров, отличающихся только концентрацией церия.

Задача предлагаемого изобретения состоит в расширении ассортимента неорганических люминесцирующих материалов для твердотельных источников белого света.

Поставленная задача решается созданием нового люминесцирующего материала для твердотельных источников белого света на основе алюмината иттрия, включающего оксид иттрия, оксид церия, а также оксид алюминия, при этом состав неорганического люминесцирующего материала соответствует общей формуле (Y1-xCex)3±αAl5O12±1,5α,

где х - атомная доля церия, равная 0,01-0,20;

α - величина, характеризующая отклонение от стехиометрического индекса 3 в иттриевом гранате, как в сторону значений >3, отвечающих положительным значениям α, так и значений <3, отвечающих отрицательным значениям α.

Положительным значениям α соответствует введение избытка оксида иттрия по отношению к оксиду алюминия по сравнению с соотношением 1,5:2,5 в стехиометрическом соединении (Y1-xCex)3 Al5O12, что приводит к увеличению индекса у кислорода до значения 12+1,5α. Отрицательные значения а отвечают недостатку оксида иттрия по отношению к оксиду алюминия по сравнению с соотношением 1,5:2,5 в стехиометрическом соединении (Y1-xCex)3 Al5O12, что приводит к уменьшению индекса у кислорода до значения 12-1,5α. При этом положительные значения индекса а изменяются в интервале 0<α≤0,5 и отрицательные значения в интервале 0>α≥-1,5

Таким образом, в отличие от прототипа в предлагаемом изобретении соотношение мольных количеств изменяется в широком интервале составов тогда как в прототипе оно фиксировано и составляет 0,6.

Примеры конкретного выполнения

Были приготовлены четыре серии образцов с заданным (в пределах данной серии) содержанием церия, и изменяющимся мольным соотношением , а именно: (Y1-xCex)1,5 Al5O9,75, (Y1-xCex)2,8 Al5O11,70, (Y1-xCex)3,20 Al5O12,30 и (Y1-xCex)3,50 Al5O12,75. При переходе от одной серии к другой - содержание церия уменьшалось и составляло х=0,15, 0,10, 0,05 и 0,01. Данные, характеризующие изменение свойств в пределах каждой серии, разделены в приведенной ниже таблице пробелом.

Таким образом, в общей сложности было приготовлено 16 образцов, отличающихся друг от друга величиной индекса (3±α), а также содержанием церия. Данные о составе люминофоров приведены в таблице №1. В число примеров включен также образец №17, состав которого соответствует прототипу.

Люминофоры, состав которых приведен в списке примеров, были получены при термической обработке смеси оксидов иттрия, церия и гидроксида алюминия. Прокалку приготовленных смесей проводили в присутствии минерализаторов (плавней), способствующих увеличению скорости массопереноса за счет образования жидкой фазы на поверхности реагирующих твердых веществ и тем самым приводящих к увеличению скорости образования целевого продукта по реакциям

В качестве плавней использовали смеси хлорида и фторида бария (до 7-10% от массы оксидов).

Исходные вещества (оксиды иттрия и церия-IV и гидрооксид алюминия) с известным распределением частиц по размерам (лазерный анализатор размера частиц) смешивали в сухом виде на вибростенде или в смесителе типа «пьяная бочка» в закрытых полиэтиленовых сосудах с использованием стальных шаров с полиэтиленовым покрытием. Прокалку приводили в алундовых тиглях (Al2O3) при постепенном нагревании реагентов в восстановительной среде (N2+H2) со скоростью 7-10 град/мин до температуры 1450°С. Продолжительность выдержки при высокой температуре составляла 3-5 часов, после чего тигли охлаждали до 400°C в течение 2,5 часов.

Для удаления плавней приготовленные образцы несколько раз промывали большим объемом дистиллированной воды и высушивали в сушильном шкафу при 130°С. Размер частиц у приготовленных люминофоров составлял около 7-12 мкм.

Светотехнические параметры образцов измеряли на аттестованной установке EVERFINE-HAAS при отражении синего излучения от синтезированных порошков люминофоров с желто-оранжевым свечением. Величины, приведенные в таблице, отвечают параметрам, характеризующим люминесцентные свойства образцов в интервале длин волн 470-780 нм, т.е. за вычетом синего излучения светодиода.

Таблица №1
ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУЧЕННЫХ ПРОДУКТОВ:
Iотн.ед - относительная яркость; λdom, нм - доминирующая длина волны в спектре люминесценции; λpeak, нм - положение максимума в спектре люминесценции; Δλ0,5,нм - ширина люминесцентной полосы на половине высоты максимальной ординаты; Tc - цветовая температура, К
№ п/п Состав люминофора 1 Характеристики полосы желто-оранжевой люминесценции (470-750 нм)
I, отн. λdom, нм λpeak, нм Δλ0,5, нм Цветовые координаты Tc
x y
1 (Y0,85Ce0,15)1,50 Al5O9,75 499 568,4 543,2 113,1 0,425 0,548 4028
2 (Y0,85Ce0,15)2,80 Al5O11,70 526 568,5 546,3 112,5 0,427 0,549 4005
3 (Y0,85Ce0,15)3,20 Al5O12,30 527 568,9 546,8 112,6 0,430 0,547 3956
4 (Y0,85Ce0,15)3,50 Al5O12,75 538 568,9 547,9 113,2 0,429 0,547 3962
5 (Y0,90Ce0,10)1,50 Al5O9,75 502 570,8 556,5 115,3 0,443 0,537 3730
6 (Y0,90Ce0,10)2,80 Al5O11,70 506 571,9 557,6 115,7 0,452 0,532 3584
7 (Y0,90Ce0,10)3,20 Al5O12,30 506 572,1 559,2 115,4 0,453 0,531 3558
8 (Y0,90Ce0,10)3,50 Al5O12,75 517 571,3 557,6 115,1 0,447 0,535 3658
9 (Y0,95Ce0,05)1,50 Al5O9,75 487 572,0 558,8 117,2 0,452 0,531 3581
10 (Y0,95Ce0,05)2,80 Al5O11,70 514 572,6 558,4 116,3 0,457 0,528 3493
11 (Y0,95Ce0,05)3,20 Al5O12,30 509 572,5 558,8 116,4 0,456 0,529 3513
12 (Y0,95Ce0,05)3,50 Al5O12,75 501 572,0 556,9 116,1 0,453 0,531 3568
13 (Y0,99Ce0,01)1,50 Al5O9,75 403 565,4 534,3 111,3 0,403 0,559 4385
14 (Y0,99Ce0,01)2,80 Al5O11,70 445 565,7 535,5 110,8 0,405 0,558 4353
15 (Y0,99Ce0,01)3,20 Al5O12,30 438 565,7 532,7 110,9 0,405 0,557 4358
16 (Y0,99Ce0,01)3,50 Al5O12,75 430 566,1 535,4 111,5 0,408 0,556 4309
17 (Y0,95Ce0,05)3,00 Al5O12,00 486 568,0 547,0 115,2 0,422 0,549 4069

Как видно из приведенных в таблице данных, подавляющее большинство приготовленных составов за исключением образцов серии с минимальным содержанием церия превосходят по яркости и цветовым характеристикам величинам, которые соответствуют прототипу.

1. Люминесцирующий материал для твердотельных источников белого света на основе алюмината иттрия, включающего оксид церия, и соответствующего общей формуле (Y1-xCex)3±αAl5O12+150α, где х - атомная доля церия, равная 0,01-0,20;
α - величина, характеризующая отклонение от стехиометрического индекса 3 в иттриевом гранате, как в сторону значений >3, отвечающих положительным значениям α, так и значений <3, отвечающих отрицательным значениям α, при этом положительным значениям α соответствуют изменения индексов у кислорода в интервале «12+1,5α» и «12-1,5α» в случае отрицательных значений α.

2. Люминесцирующий материал по п.1, отличающийся тем, что величина α положительна и изменяется в интервале значений 0<α≤0,5, исключая из набора возможных значений величину α=0.

3. Люминесцирующий материал по п.1, отличающийся тем, что величина α отрицательна и изменяется в интервале значений 0>α≥-1,5, исключая из набора возможных значений величину α=0.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к технологии получения соединений сложных оксидов со структурой граната, содержащих редкоземельные элементы, которые могут быть применены для изготовления светодиодных источников освещения.

Изобретение относится к новым люминесцентным материалам для устройств красного свечения, особенно к области новых люминесцентных материалов для СИД и их использованию в устройствах красного свечения.

Изобретение относится к области светотехники и, в частности, к люминесцирующим материалам, светящимся в желто-оранжевой области спектра и используемым в твердотельных источниках белого света.

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению алюминатных люминофоров различного химического состава, активированных ионами редкоземельных металлов (РЗМ), и может быть использовано при производстве материалов для источников и преобразователей света.

Изобретение относится к электронной технике и освещению и может быть использовано при изготовлении осветительных и информационных устройств. .

Изобретение относится к люминесцентным композициям, применяемым для изготовления устройств общего и местного освещения. .

Изобретение относится к фотолюминофорам, предназначенным для преобразования излучения синих светодиодов в желто-красную область спектра с целью получения результирующего белого света, в частности к легированному церием люминофору на основе иттрий-алюминиевого граната, используемому в двухкомпонентных светодиодных источниках освещения.
Изобретение относится к системе и технике определения подлинности и исключения возможности фальсификации противопожарных композиций путем введения в их состав «скрытой метки», визуализация которой происходит в свете с определенной длиной волны.

Изобретение относится к области люминофоров. .

Изобретение может быть использовано в дозиметрии слабого ионизирующего излучения, для контроля работы атомных энергетических установок, ускорителей заряженных частиц, рентгеновской аппаратуры.

Изобретение относится к новым люминесцентным материалам для устройств красного свечения, особенно к области новых люминесцентных материалов для СИД и их использованию в устройствах красного свечения.

Изобретение относится к области светотехники и, в частности, к люминесцирующим материалам, светящимся в желто-оранжевой области спектра и используемым в твердотельных источниках белого света.

Изобретение относится к области получения сложных оксидных материалов, в частности к получению алюминатных люминофоров различного химического состава, активированных ионами редкоземельных металлов (РЗМ), и может быть использовано при производстве материалов для источников и преобразователей света.

Изобретение относится к электронной технике и освещению и может быть использовано при изготовлении осветительных и информационных устройств. .

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано для производства инфракрасных люминофоров, обладающих при возбуждении излучением в ближнем ИК-диапазоне (0,80-0,82 и 0,90-0,98 мкм).

Изобретение относится к химической промышленности и может быть использовано в производстве инфракрасных люминофоров, предназначенных для создания на ценных бумагах скрытых машиночитаемых люминесцентных меток.
Изобретение относится к области получения люминесцентного порошка политанталата тербия состава Tb2O3 ·nTa2O5 (n=7-9) и может быть использовано для изготовления материалов квантовой электроники.
Изобретение относится к «светящимся» картону или бумаге и может быть использовано для декоративно-прикладных работ, в художественном и детском творчестве, в полиграфии и рекламе при изготовлении фотографий, рисунков, визиток. Декоративный материал включает основу из водонепроницаемых бумаги или картона с нанесенным на нее светонакопительным покрытием, содержащим люминофор SrAl2O4:Eu,Dy и сольвентное связующее, при соотношении компонентов, в масс.%: SrAl2O4:Eu,Dy - 10÷45, сольвентное связующее - 55÷90. Частицы люминофора имеют размер 100÷160 мкм. В качестве сольвентного связующего применены краски на нефтяных разбавителях. Обеспечивается плотность и равномерность слоя покрытия, которое не осыпается и не ломается при сгибании. Материал не впитывает влагу. 1 з.п. ф-лы, 3 пр.
Наверх