發光組件及其制造方法以及具有該發光組件的led照明裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種發光組件及其制造方法以及具有該發光組件的LED照明裝置發光組件。發光組件包括基體（11）、能產生表面等離子體激元光增強效應的納米金屬結構（12）和涂覆在納米金屬結構（12）上的發光材料層（13），所述納米金屬結構（12）設置在基體（11）表面。本發明的發光組件將發光材料與納米金屬結構進行了很好地整合，使其在短波長光的激發下具有良好的發光性能，其應用于LED照明裝置中時，可以有效提高LED照明裝置的發光性能。
【專利說明】發光組件及其制造方法以及具有該發光組件的LED照明裝
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及光電子【技術領域】，尤其涉及一種發光組件及其制造方法以及具有該發光組件的LED照明裝置。
【背景技術】
[0002]半導體照明是人類尋求節能、低耗及環保照明光源的一個有效途徑，由于其照明應用的通用性，人們對白光LED的需求越來越強烈。但是，白光LED照明的市場化推廣仍然受其發光效率的制約。由于制備工藝成熟以及低成本，目前市場上的白光LED的主流產品是用藍光LED配合黃色熒光粉獲得的。因此，提升白光LED的發光效率，需要從提高藍光LED以及熒光粉的發光效率兩方面著手。到目前為止，通過改善結晶質量、電流分散層及多量子阱(MQW)的結構設計以提升藍光LED的內量子效率仍在進行，但這些手段的改進余地已經不大，且每次改良都伴隨著成本的大幅度增加。
[0003]研究表明，納米金屬結構產生的表面等離子體激元增強效應可以大幅度提高LED及發光材料的發光效率，是獲得高效高亮度白光LED的一個革命性的新途徑。然而，如何將納米金屬結構與發光材料有效整合以獲得高效LED發光裝置又是一個難題。
[0004]現有技術中有采用在LED光源上涂覆發光材料層，再在發光材料層上方直接設置一層能產生表面等離子體光增強效應的金屬層的整合方式，但在這種方式中，由于納米金屬結構產生的表面等離子體激元增強效應的有效作用區間為數十納米至數百納米，其有效作用區間不超過I微米其僅對在其有效作用區間內的光進行了增強，而對該區間外的光反而產生了吸收和阻擋作用，因此其對LED整體光源的增強效果并不明顯。

【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題就在于:針對現有技術存在的不足，本發明提供一種發光組件，其將發光材料與納米金屬結構進行了很好地整合，使其在短波長的光的激發下具有良好的發光性能；本發明還提供了該發光組件的制造方法以及具有該發光組件的LED照
明裝置。
[0006]為實現上述目的，本發明的發光組件包括基體、能產生表面等離子體激元光增強效應的納米金屬結構和涂覆在納米金屬結構上的發光材料層，上述納米金屬結構設置在基體表面。本方案中，基體可以為平板狀、圓錐狀、曲面狀、圓筒狀或其它不規則形狀，其材質可以為玻璃、陶瓷、塑料、金屬等材料，且該基體可以為一體式結構，也可以為分立式結構，其主要作用是將納米金屬結構和發光材料層有效整合，便于應用于LED照明裝置中，因此其形狀和材質可以根據需要選擇。本方案中，納米金屬結構由納米級的金屬顆粒構成，其形成在基體表面(可以多個表面上同時形成，例如內外表面同時形成、左右表面同時形成等)，再將發光材料層涂覆在納米金屬結構上，使用時，將該發光組件放置在LED的側面或四周即可，該發光組件上的發光材料層在納米金屬結構產生的表面等離子體的作用下會發出增強的光，并且該發光組件不會遮擋出光口處LED本身發出的光，因此也不會對LED光產生阻擋作用，克服了現有技術中的發光組件或光增強光致發光材料對LED帶來的光吸收和阻擋缺點。
[0007]進一步，上述納米金屬結構的形狀為島狀，其厚度為5ηπ? μ m ;上述發光材料層厚度為IOnnTl μ m。本方案中，島狀的納米金屬結構形成連續的粗糙表面，表面等離子體波會在納米級的凹凸處產生衍射效應而被散射，引起近場增強，加強發光組件的發光效果。由于納米金屬結構厚度過大則不容易形成島狀結構，太薄則不容易實現金屬層的制備，因此本方案中綜合考慮納米金屬結構的制備工藝和島狀納米金屬結構的增強效果，將納米金屬結構的厚度控制在5ηη? μ m之間；而發光材料層厚度控制在IOnnTl μ m之間,一方面,可以使發光材料層全部處于納米金屬結構表面等離子體的有效作用范圍內，另一方面可以支持使用粒徑低于10納米的量子點，也可以支持大粒徑的無機熒光粉。
[0008]進一步，上述納米金屬結構中選用的金屬為金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中的一種或幾種的合金，上述發光材料層選用有機發光材料或粒徑為InnTl μ m的無機發光材料或二者的組合。本方案中，納米金屬結構中選用合金時，合金可以由金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中的任意兩種或多種金屬按任意比例組合而成，例如采用78%金和22%鋁制成的合金、50%鎳和50%鈦制成的鎳鈦合金等等；有機發光材料和無機發光材料也可以以任意比例組合。
[0009]進一步，上述納米金屬結構中選用的金屬為金、銀、鋁中的一種或幾種的合金；上述無機發光材料為無機熒光粉或量子點或二者的組合(無機熒光粉和量子點同樣也可以以任意比例組合)，本方案中，無機熒光粉又可以為多種熒光粉的組合。其中，本方案中的量子點為常用的尺寸小于或者接近于波爾半徑、具有明顯的量子效應的納米顆粒，例如Cds、ZnS、CdSe等，其可以被激發發光，具有光化學穩定性高等優點，廣泛應用于發光器件中；無機熒光粉為LED封裝用的常規無機熒光粉,可以為釔招石槽石體系熒光粉、娃酸鹽熒光粉、氮化物或氮氧化物熒光粉等；有機發光材料為可以被420nnT470nm藍光有效激發的有機材料，例如羅丹明類染料、香豆素類染料、芴類染料或芪類染料等。
[0010]進一步，上述納米金屬結構厚度為5nnT50nm,上述發光材料層厚度為50nnT500nm。由于納米金屬結構的厚度越大其形成時間越長、耗費金屬量越大，并且當納米金屬結構達到一定厚度后，其對發光材料層發光的影響不再隨厚度增加而明顯增強，因此，本方案中綜合考慮納米金屬結構對發光材料層的發光增強效果和制作成本，將納米金屬結構的范圍控制在5nnT50nm之間，既實現了納米金屬結構表面等離子體對發光材料層的有效增強，又能節省成本和制造時間。而發光材料層厚度同樣是基于上述效果和成本的因素控制，由于在納米金屬結構的表面等離子體已經對(T500nm厚度區間內的發光材料層已經產生了較大的激發作用，隨著發光材料層厚度的增加，使用的發光材料也增加，而增加的發光材料層的發光效果并不會隨厚度的增加而獲得成正比的增強，發光增強效果并不明顯，因此本方案中將發光材料層厚度控制在50nnT500nm之間。
[0011]發光組件制造方法，包括在基體表面制備納米金屬結構步驟和在納米金屬結構上涂覆發光材料層步驟。
[0012]進一步，上述在基體表面制備納米金屬結構步驟具體為:選用金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中一種或幾種的合金，在基體表面形成厚度為5ηπ?μπι的金屬層，將形成了金屬層的基體放置在真空或惰性氣體保護的退火爐中，將溫度控制在IOO0C飛00°C內，進行5分鐘飛小時的退火處理，然后冷卻至室溫，形成納米金屬結構；上述在納米金屬結構上涂覆發光材料層步驟具體為:選用有機發光材料或粒徑為InnTl μ m的無機發光材料或二者的組合作為發光材料，將發光材料涂覆在納米金屬結構上，形成厚度為IOnnTl μ m的發光材料層。本方案中，形成金屬層可以采用化學鍍或濺射或蒸鍍等方式，將發光材料涂覆在納米金屬結構上可采用旋涂、噴涂、濺射、蒸發、印刷等方式。
[0013]LED照明裝置，包括PCB基板、設置在PCB基板上的多個LED、設置在PCB基板上的發光組件，上述發光組件為上述任一方案中的發光組件或采用上述任一制造方法制作的發光組件。本方案中，發光組件的納米金屬結構和發光材料層所在表面垂直于PCB基板平面，且發光組件靠近LED的側面上均設置有納米金屬結構和發光材料層，使得每個LED發出的光均能照射或被反射到至少一個發光組件的至少一個具有發光材料層的表面上，使得LED和發光組件都能充分發揮發光效率，如果發光組件有兩個或多個面均靠近LED，則該兩面或多面均設置有納米金屬結構層和發光材料層。本方案中，LED可以為能發射出單色光(如藍光)或不同色溫白光的LED，在該照明裝置中，LED發射出的部分光線能夠通過直接照射或反射到發光組件表面，而激發發光組件發出特定波長的光，從而LED自身發出的光、發光組件受到LED激發發出的光均經由LED照明裝置內部混光后從出光口發射出來。
[0014]進一步，上述發光組件的數量為四個，形狀為平板狀，四個發光組件圍成一個矩形框，將LED圍在矩形框中，其中，四個發光組件的納米金屬結構和發光材料層位于發光組件靠近LED的表面上，即位于矩形框內表面上，可以與矩形框內的LED很好地配合發光，提高發光效率。
[0015]進一步，上述發光組件形狀為圓筒狀或錐形筒狀，其內外表面上均設置有納米金屬結構和發光材料層，上述LED部分位于發光組件內，部分位于發光組件外,可以同時與發光組件內外表面配合發光，并提高發光效率。
[0016]相對于現有技術，本發明具有如下優點和有益效果:
1、本發明的發光組件很好地將能產生表面等離子體激元增強效應的納米金屬結構與發光材料有效整合，在波長較短的光的激發下具有良好的發光性能，有效利用了納米金屬結構產生的表面等離子體激元增強效應來大幅度提高發光材料及使用該發光組件的LED照明裝置的發光效率；
2、本發明的發光組件組裝工藝簡單；
3、采用本發明的發光組件的LED照明裝置結構簡單、具有良好的發光性能，其內部的發光組件不會對LED發出的光進行阻擋和吸收，從而避免了對LED發出的光的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發明的發光組件的結構示意圖；
圖2為實施例3中的發光組件的制造流程圖；
圖3為實施例3中的LED照明裝置結構示意圖；
圖4為實施例4中的發光組件的結構示意圖；
圖5為實施例4中的發光組件的制造流程圖；
圖6為實施例4中的LED照明裝置結構示意圖。[0018]圖例說明:1、發光組件；11、基體；12、納米金屬結構；13、發光材料層；14、金屬層；2、PCB基板；3、LED ;4、遠程熒光片。
【具體實施方式】
[0019]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不僅限于此。
[0020]【實施例1】
如圖1或圖4所示，本實施例的發光組件，包括基體11、能產生表面等離子體激元光增強效應的納米金屬結構12和涂覆在納米金屬結構12上的發光材料層13:其中:納米金屬結構12設置在基體11表面，其形狀為島狀，厚度為5ηπ ? μπι，選用的金屬為金、銀、鋁、銅、鉬中一種或幾種的合金，也可以選用鎳、鈦、鈷、鉻、鈀、鎂、鋅中的一種或幾種的合金，還可以選用前述所有金屬中的一種或幾種的合金；上述發光材料層13厚度為ΙΟηπ ?μπι，選用有機發光材料或粒徑為InnTl μ m的無機發光材料或二者的組合，其中，有機發光材料和無機發光材料可以以任意比例組合，并且有機發光材料和無機發光材料中都可以包含相應的多種發光材料。
[0021]上述發光組件的制造方法包括2個步驟:在基體11表面制備納米金屬結構12、在納米金屬結構12上涂覆發光材料層13，其中:
在基體11表面制備納米金屬結構12步驟具體為:選用金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中一種或幾種的合金，通過化學鍍或濺射或蒸鍍的方式在基體11表面形成厚度為5ηπ ? μ m的金屬層14，將形成了金屬層14的基體11放置在真空或惰性氣體保護的退火爐中，將溫度控制在100°C飛00°C內，進行5分鐘飛小時的退火處理，然后冷卻至室溫形成納米金屬結構12 ；
在納米金屬結構12上涂覆發光材料層13步驟具體為:選用有機發光材料或粒徑為InnTl μπι的無機發光材料或二者的組合作為發光材料，采用旋涂、噴涂、灘射、蒸發、印刷等方式中任一種將發光材料涂覆在納米金屬結構12上，形成厚度為IOnnTl μ m涂覆的發光材料層13。
[0022]【實施例2】
本實施例中的發光組件與實施例1的區別在于，納米金屬結構12厚度為5nnT50nm，其選用的金屬為金、銀、鋁中的一種或幾種的合金；上述無機發光材料為無機熒光粉或量子點或二者的組合其中，無機熒光粉和量子點可以以任意比例組合，并且二者都可以包含相應的多種發光材料。
[0023]本實施例中發光材料層13厚度為50nnT500nm，無機發光材料為YAG熒光粉或CdS
量子點或二者的組合。
[0024]本實施例中的發光組件的制造方法同實施例1，只是金屬材料選用金、銀、鋁中的一種或幾種的合金。
[0025]【實施例3】
本實施例為一種平板狀發光組件的制造方法和采用該平板狀發光組件的LED照明裝置實施例。
[0026]圖2為平板狀發光組件的制造方法，其包括四個步驟:①，準備平板狀的陶瓷基體11，基體11表面做清潔、干燥處理，用磁控濺射的方式在基體11表面濺射一層厚度為20nm的金屬銀層，將步驟②所獲得的半成品放置在真空退火爐中，在200°C環境下退火30分鐘，然后冷卻至室溫取出，其表面形成島狀納米金屬結構12 ，在步驟③所獲得的半成品的納米金屬結構12的表面用旋涂的方法涂覆一層厚度為300nm的YAG =Ce納米熒光粉涂層(即發光材料層13)。通過上述四個步驟即可獲得如圖1所示的平板狀發光組件I。
[0027]圖3是采用上述平板狀發光組件I的LED照明裝置的結構示意圖，該LED照明裝置包括PCB基板2、設置在PCB基板2上的多個LED3、設置在PCB基板2上的4個發光組件I (為便于觀察該LED照明裝置內部結構，其中I個發光組件I圖中未示)，4個發光組件I圍成一個矩形框，將LED3圍在矩形框中，其中，四個發光組件I的納米金屬結構12和發光材料層13位于發光組件I靠近LED3的表面上，即位于矩形框的內側面。本實施例中的LED照明裝置，在PCB基板2上排布藍光LED3并實現電氣連接，將四塊平板狀發光組件I組裝在該PCB基板I四周形成一矩形框，將LED3包圍其中，該矩形框的上方用一塊遠程熒光片4(例如Intematix ChromaLit)覆蓋，形成一平板燈結構。藍光LED3在點亮狀態下，正面發出的藍光激發遠程突光片4發出第一黃光,而側面發出的藍光和經由遠程突光片4反射回的藍光會輻照在四周的發光組件I上，發光組件I上的發光材料在納米金屬銀結構產生的表面等離子體的作用下發光得到增強而發出第二黃光。LED3發出的藍光以及遠程熒光片4發出的第一黃光和發光組件I發出的第二黃光在平板燈內部混光后以白光形式發射出來。
[0028]【實施例4】
本實施例為一種曲面狀發光組件的制造方法和采用該曲面發光組件的LED照明裝置實施例。
[0029]圖5為一種曲面狀發光組件的制造方法，其也包括四個步驟:①，選擇一反光杯形狀壓鑄鋁基體11，基體11內外表面做清潔、干燥處理；②，用化學鍍的方式在基體11內、外表面均鍍一層厚度為IOOnm的金屬銀層，是將步驟②所獲得的半成品放置在氮氣退火爐中，在300°C環境下退火I 小時，然后冷卻至室溫取出，在基體11的內外表面形成島狀納米金屬結構12 ，在步驟③所獲得的半成品內、外表面用噴涂的方法涂覆一層厚度為200nm的CdS量子點涂層，獲得最終曲面狀發光組件2，該曲面狀發光組件2結構如圖4所
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[0030]圖6是采用上述曲面狀發光組件的LED照明裝置的結構示意圖，該LED照明裝置包括PCB基板2、設置在PCB基板2上的LED3、設置在PCB基板2上的發光組件1，上述發光組件I形狀為錐形筒狀，其內外表面上均設置有納米金屬結構12和發光材料層13，上述LED3部分位于發光組件I內，部分位于發光組件I外。本實施例中在PCB基板2上排布5顆色溫為9000K的白光LED3并實現電氣連接，將發光組件I安裝在上述PCB基板2上，中間一顆LED3置于發光組件2中，其余四顆置于發光組件I四周均勻分布，外部安裝一擴散罩，形成一球泡燈結構。LED3在點亮狀態下，光線會經由發光組件I的內、外表面而散射，由于LED3色溫較高,多余的藍光成分會激發發光組件I上的發光量子點發出黃光，該量子點在納米金屬結構12產生的表面等離子體的作用下發光得到增強，這些量子點所發出的增強的黃光以及LED3自身發出的白光經過混光及擴散罩的勻光后，使球泡燈發出均勻且色溫為6500K的白光。
[0031]除實施例3和實施例4中的實施方式外，實際應用中，基體11還可以為曲面狀、圓筒狀或其它不規則形狀，其材質可以為玻璃、塑料、金屬等材料，且該基體11可以為一體式結構，也可以為分立式結構，其主要作用是將納米金屬結構和發光材料層有效整合，便于應用于LED照明裝置中，因此其形狀和材質可以根據需要選擇，相應的根據基體11的形狀不同，LED3和發光組件I在PCB基板2上的安裝方式也可以根據需要安裝，只要將使LED3發出的光能夠直接照射或通過反射等方式激發發光組件I上的發光材料層13發光并在納米金屬結構12產生的表面等離子體的作用下得到增強即可。此外，發光組件I的納米金屬結構12的厚度、材料選擇以及發光材料層13的材料、粒徑、厚度也可以根據需要選擇。
[0032]【對比例】
本對比例是在發光材料層的材料和厚度相同的情況下進行的熒光強度對比，以對比例a為基準，實施例a的歸一化熒光強度相對于對比例a增強了 20%，同樣，實施例b增強了50%，實施例c增強了 100%。通過對比例可以看出，本發明中使用了納米金屬結構的發光組件的發光材料層熒光強度(或熒光強度增強倍數)明顯高于對比例中未使用納米金屬結構的發光組件的發光材料層熒光強度(或熒光強度增強倍數)。
【權利要求】
1.發光組件，其特征在于，包括基體(11)、能產生表面等離子體激元光增強效應的納米金屬結構(12)和涂覆在納米金屬結構(12)上的發光材料層(13),所述納米金屬結構(12)設置在基體(11)表面。
2.根據權利要求1所述的發光組件，其特征在于，所述納米金屬結構(12)的形狀為島狀，其厚度為5ηη? μ m ;所述發光材料層(13)厚度為IOnnTl μ m。
3.根據權利要求2所述的發光組件，其特征在于，所述納米金屬結構(12)中選用的金屬為金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中的一種或幾種的合金，所述發光材料層(13)選用有機發光材料或粒徑為InnTlμ m的無機發光材料或二者的組合。
4.根據權利要求3所述的發光組件，其特征在于，所述納米金屬結構(12)中選用的金屬為金、銀、鋁中的一種或幾種的合金；所述無機發光材料為無機熒光粉或量子點或二者的組合。
5.根據權利要求3所述的發光組件，其特征在于，所述納米金屬結構(12)厚度為5nnT50nm,所述發光材料層(13)厚度為50nnT500nm。
6.發光組件制造方法，其特征在于，包括在基體(11)表面制備納米金屬結構(12)步驟和在納米金屬結構(12)上涂覆發光材料層(13)步驟。
7.根據權利要求6所述的發光組件制造方法，其特征在于，所述在基體(11)表面制備納米金屬結構(12)步驟具體為:選用金、銀、鋁、銅、鎳、鈦、鈷、鉻、鉬、鈀、鎂、鋅中一種或幾種的合金，在基體(11)表面形成厚度為5ηη? μ m的金屬層(14),將形成了金屬層(14)的基體(11)放置在真空或惰性氣體保護的退火爐中，將溫度控制在100°C飛00°C內，進行5分鐘飛小時的退火處理，然后冷卻至室溫形成納米金屬結構(12);所述在納米金屬結構(12)上涂覆發光材料層(13)步驟具體為:選用有機發光材料或粒徑為InnTl μ m的無機發光材料或二者的組合作為發光材料，將發光材料涂覆在納米金屬結構(12)上，形成厚度為IOnnTl μ m的發光材料層(13)。
8.LED照明裝置，包括PCB基板(2 )、設置在PCB基板(2 )上的多個LED (3 )，其特征在于，還包括設置在PCB基板(2)上的發光組件(1)，所述發光組件為權利要求1飛中任一所述的發光組件(I)。
9.根據權利要求8所述的LED照明裝置，其特征在于，所述發光組件(I)的數量為四個，形狀為平板狀，四個發光組件(I)圍成一個矩形框，將LED (3)圍在矩形框中，其中，四個發光組件(I)的納米金屬結構(12)和發光材料層(13)位于發光組件(I)靠近LED (3)的表面上。
10.根據權利要求8所述的LED照明裝置，其特征在于，所述發光組件(I)形狀為圓筒狀或錐形筒狀，其內外表面上均設置有納米金屬結構(12)和發光材料層(13)，所述LED (3)部分位于發光組件(I)內，部分位于發光組件(I)外。
【文檔編號】H01L51/56GK103489998SQ201310480560
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月15日 優先權日:2013年10月15日
【發明者】馬文波, 王建全, 梁麗, 陳可 申請人:四川柏獅光電技術有限公司