一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷及其制备方法，所述荧光陶瓷表面构筑有有序排列的微结构光陷阱，所述微结构光陷阱为圆锥体；所述圆锥体的参数包括：10μm≤φ≤100μm，8.6μm≤h≤100μm，10μm≤L≤150μm，0＜θ≤60°，其中，φ为圆锥体的底面直径，h为圆锥体的高，L为相邻圆锥体底面圆心之间的距离，θ为圆锥体的母线与高之间夹角的2倍。

Surface light trap structure enhanced luminescence fluorescent ceramic and preparation method thereof

The invention provides a surface light trap structure enhanced luminescence fluorescent ceramics and a preparation method thereof. The surface of the fluorescent ceramics is constructed with orderly arranged microstructural light traps. The microstructural light trap is a cone, and the parameters of the cone include: 10 micron < Phi < 100 micron, 8.6 micron < h < 100 micron, 10 micron < L < 150 micron, 0.6 micron The distance between the center of the bottom surface of the adjacent cone and the angle between the generatrix of the cone and the height of the cone are two times of theta.

【技术实现步骤摘要】
一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷及其制备方法
本专利技术涉及一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷及其制备方法，具体涉及一种提高荧光陶瓷发光效率的方法，属于3D打印荧光陶瓷应用

技术介绍
当前，以LED及LD为光源的照明与显示技术得到了广泛应用。与传统的汞灯、卤素灯等相比，其具有高亮度、高光效、小型化、更宽色域以及更长的使用寿命等特点。目前商用的LED照明器件通常荧光粉分散在树脂中的模式，为适应更大功率及功率密度的需求，透明陶瓷凭借优异的热学性能和发光热稳定性，有望取代商业用的树脂分散荧光粉的封装模式，应用于新型大功率及高功率密度LED/LD照明与显示领域。LED/LD照明与显示的工作原理为：LED/LD芯片或光源发出蓝光或者紫外光，激发封装在芯片上的荧光体，荧光体受光源的激发转化为特定颜色的荧光。激发光入射到荧光体上，一部分进入荧光体，激发稀土离子，发出荧光；一部分在陶瓷入射表面处被反射回芯片，无法有效激发荧光体中的稀土离子，造成激发光源的能量损失。为减少反射等因素导致的光损耗，提高器件的发光效率，使其在更广领域获得应用，公开号为CN202231060U、CN201766096U、CN202423281U的中国申请专利公布了透镜形状的透明陶瓷，用于降低菲涅尔损失系数。公开的这些制造荧光材料的方法虽然可以获得发光性能的提升，但是需要对荧光透明陶瓷进行多次加工，制作工艺复杂。陶瓷为硬质、脆性材料，对于复杂几何构型的陶瓷加工，不仅加工成本高，而且工期长。另外，材料的损耗严重，增加了材料及器件的成本。因此，获得更高发光效率的LED/LD照明及显示器件，并降低其成本，成为当前迫切需要解决的难题。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的在于提供一种表面具有光陷阱结构的荧光陶瓷及其制备方法，可显著提高荧光陶瓷的流明效率。一方面，本专利技术提供了一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷，所述荧光陶瓷表面构筑有有序排列的微结构光陷阱，所述微结构光陷阱为圆锥体；所述圆锥体的参数包括：8.6μm≤h≤100μm，10μm≤L≤150μm，0＜θ≤60°，其中，φ为圆锥体的底面直径，h为圆锥体的高，L为相邻圆锥体底面圆心之间的距离，θ为圆锥体的母线与高之间夹角的2倍。本专利技术通过在荧光陶瓷表面设计有序微结构阵列，可有效减小反射，增强对激发光源的捕获和利用。其中有序微结构阵列为有序排列的圆锥体，如图1所示，当激发光源1从陶瓷2表面入射，一旦进入特定圆锥角的圆锥体阵列3，光发生折射和反射，折射和反射光方向皆趋入荧光陶瓷内部，反射至陶瓷外的光大幅减少，因而陶瓷对激发光的利用效率得到提高，进一步地，陶瓷的光转换效率得到增强。较佳地，26μm≤h≤100μm，20μm≤L≤100μm，30°≤θ≤60°。较佳地，所述荧光陶瓷为稀土掺杂透明陶瓷，优选为YAG:Ce陶瓷、Al2O3/YAG:Ce陶瓷、Al2O3:Tb陶瓷、Lu2O3:Ce陶瓷、Y2O3:Ce陶瓷、LuAG:Ce陶瓷中的一种。另一方面，本专利技术还提供了一种如上所述的表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷的制备方法，包括：将陶瓷粉体和光敏树脂混合后，得到陶瓷浆料；按照荧光陶瓷的微结构光陷阱的参数设计的模型进行3D打印，得到陶瓷生坯；将所得陶瓷生坯经脱脂、烧结和退火，得到所述表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷。较佳地，所述陶瓷粉体为稀土掺杂透明陶瓷粉体，优选为YAG:Ce粉体、Al2O3/YAG:Ce粉体、Al2O3:Tb粉体、Lu2O3:Ce粉体、Y2O3:Ce粉体、LuAG:Ce粉体中的一种。较佳地，所述光敏树脂包含环氧丙烯酸酯树脂、环氧树脂、光引发剂、触变剂和活性稀释剂，各组分质量百分比之和为100wt％；优选包含50～65wt％环氧丙烯酸酯树脂、4～8wt％环氧树脂、4～6wt％光引发剂、2～5wt％触变剂和10～20wt％活性稀释剂，各组分质量百分比之和为100wt％。较佳地，所述陶瓷粉体占陶瓷粉体和光敏树脂总质量的50～82wt％，优选为75～80wt％。较佳地，所述逐层打印的参数包括：单层厚为0.01～0.1mm；紫外光的波长380～410nm；光照强度为2～15mW/cm2。较佳地，所述脱脂的温度为800～1100℃，升温速率为0.01～0.5℃/min，保温时间为1～5小时。较佳地，所述烧结的温度为1600～1880℃，时间为3～20小时，真空度不高于10-3Pa。又，较佳地，所述烧结的温度为1650～1860℃，时间为4～10小时，真空度不高于10-3Pa。较佳地，所述退火的温度为1400～1600℃，时间为4～20小时。又，较佳地，所述退火的温度为1400～1550℃，时间为4～10小时。较佳地，所述脱脂的升温速率为0.02～0.5℃/分钟。有益效果：在本专利技术公开中，通过在荧光陶瓷表面设计有序微结构阵列，可有效减小反射，增强对激发光源的捕获和利用。其在蓝光或紫外光激发下，可获得高效荧光。发光效率与无表面结构的荧光陶瓷相比，有显著提升，提高量达5～11.8％；在本专利技术公开中，通过采用3D打印的方法制备荧光陶瓷生坯，不仅可以精确控制表面微结构的尺寸、形状等，避免陶瓷后期加工造成的机械损伤，而且显著降低了具有特殊表面结构的荧光陶瓷的制备工艺难度，节约了制造成本。附图说明图1为本专利技术制备的表面具有圆锥体光陷阱结构的荧光陶瓷的发光原理图，其中1代表LED/LD芯片，2代表荧光陶瓷，3代表荧光陶瓷表面的圆锥体结构；图2为本专利技术制备的表面具有圆锥体光陷阱结构的荧光陶瓷中圆锥体的示意图(a)和正视图(b)；图3为本专利技术制备的表面具有圆锥体光陷阱结构的荧光陶瓷的平面图，a、d分别为荧光陶瓷的有效边长和厚度。具体实施方式以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。在本公开中，荧光陶瓷的表面具有微结构光陷阱，以增强其发光性能。该荧光陶瓷可为稀土掺杂透明陶瓷。其中，并无表面光陷阱结构的荧光陶瓷在紫外或蓝光的激发下，发射高强度荧光。当在其陶瓷表面构筑的有序阵列微结构光陷阱，能够减少入射光的反射，增强对激发光的利用，从而进一步增强发光。在可选的实施方式中，微结构光陷阱可为圆锥体，其中，8.6μm≤h≤100μm，10μm≤L≤150μm，0＜θ≤60°，其中，φ为圆锥体的底面直径，h为圆锥体的高，L为相邻圆锥体底面圆心之间的距离，θ为圆锥体的母线与高之间夹角的2倍。在可选的实施方式中，26μm≤h≤100μm，20μm≤L≤100μm，30°≤θ≤60°，其中φ为圆锥的底面直径，h为圆锥的高，L为圆锥底面圆心之间的距离，θ为圆锥的母线与高之间夹角的2倍。当激发光源1从陶瓷2表面入射，一旦进入特定圆锥角的圆锥体阵列3，光发生折射和反射，折射和反射方向皆趋入荧光陶瓷，从而减少反射至陶瓷外的比例。在可选的实施方式中，表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷可为稀土掺杂透明陶瓷。例如，YAG:Ce陶瓷、Al2O3/YAG:Ce陶瓷、Al2O3:Tb陶瓷、Lu2O3:Ce陶瓷、Y2O3:Ce陶瓷、LuAG:Ce陶瓷等。在可选的实施方式中，表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷的厚度至少为100μm，优选可为100～200μm。在本专利技术一实施方式中，可采用快速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷，其特征在于，所述荧光陶瓷表面构筑有有序排列的微结构光陷阱，所述微结构光陷阱为圆锥体；所述圆锥体的参数包括：10μm≤φ≤100μm，8.6μm≤h≤100μm，10μm≤L≤150μm， 0＜θ≤60°，其中，φ为圆锥体的底面直径，h为圆锥体的高，L为相邻圆锥体底面圆心之间的距离，θ为圆锥体的母线与高之间夹角的2倍。

【技术特征摘要】
1.一种表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷，其特征在于，所述荧光陶瓷表面构筑有有序排列的微结构光陷阱，所述微结构光陷阱为圆锥体；所述圆锥体的参数包括：10μm≤φ≤100μm，8.6μm≤h≤100μm，10μm≤L≤150μm，0＜θ≤60°，其中，φ为圆锥体的底面直径，h为圆锥体的高，L为相邻圆锥体底面圆心之间的距离，θ为圆锥体的母线与高之间夹角的2倍。2.根据权利要求1所述的荧光陶瓷，其特征在于，30μm≤φ≤80μm，26μm≤h≤100μm，20μm≤L≤100μm，30o≤θ≤60o。3.根据权利要求1或2所述的荧光陶瓷，其特征在于，所述荧光陶瓷为稀土掺杂透明陶瓷，优选为YAG:Ce陶瓷、Al2O3/YAG:Ce陶瓷、Al2O3:Tb陶瓷、Lu2O3:Ce陶瓷、Y2O3:Ce陶瓷、LuAG:Ce陶瓷中的一种。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷的制备方法，其特征在于，包括：将陶瓷粉体和光敏树脂混合后，得到陶瓷浆料；采用3D打印技术按照荧光陶瓷的微结构光陷阱的参数设计的模型进行逐层打印，得到陶瓷生坯；将所得陶瓷生坯经脱脂、烧结和退火，得到所述表面光陷阱结构增强发光的荧光陶瓷。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述陶瓷粉体为稀土掺杂透明陶瓷粉体，优选为YAG:Ce粉体、Al2O3/YAG:Ce...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡松，周国红，张芸莉，李宏书，王士维，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31