灯泡和半透明氧化铝基材 |
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| 申请号 | CN201520536904.6 | 申请日 | 2015-07-22 | 公开(公告)号 | CN205746149U | 公开(公告)日 | 2016-11-30 |
| 申请人 | 康宁股份有限公司; | 发明人 | W·苗; N·M·津克; | ||||
| 摘要 | 本实用新型涉及 灯泡 和半透明 氧 化 铝 基材。该灯泡包含氧化铝长丝、一个或多个LED、和同时在所述LED和所述氧化铝长丝的至少一部分上的 磷光 体涂层，所述LED与所述氧化铝长丝 接触 并使得光部分地 辐射 通过所述氧化铝丝，其中所述氧化铝长丝：i.包括具有两个主要维度x和y、和厚度n的三维整体式结构，其中，在x或y都不大于100毫米，并且n约为1毫米或更小的条件下，x或y中的至少一个是厚度的至少10倍；其中a)所述氧化铝长丝具有至少一个未经修饰的表面，使得该未经修饰的表面上包括细粒，所述细粒从所述表面凸起，所述凸起的平均高度为约25纳米至约10微米，和b)未经修饰的表面有利于 磷光体 涂层的附着；以及ii.当所述氧化铝长丝的厚度为500微米时具有至少30％的总透光率。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种灯泡，该灯泡包含氧化铝丝、一个或多个LED和同时在所述LED和所述氧化铝丝的至少一部分上的磷光体涂层，所述LED与所述氧化铝丝接触并使得光部分地辐射通过所述氧化铝丝，其特征在于，所述氧化铝丝： |
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| 说明书全文 | 灯泡和半透明氧化铝基材技术领域背景技术[0004] 本实用新型主要涉及包含氧化铝丝的LED灯泡、所述氧化铝丝、以及一种制造薄的半透明氧化铝丝的方法，例如条带浇铸。实用新型内容 [0005] 一种灯泡，该灯泡包含氧化铝丝、一个或多个LED和同时在所述LED和所述氧化铝丝的至少一部分上的磷光体涂层，所述LED与所述氧化铝丝接触并使得光部分地辐射通过所述氧化铝丝，所述氧化铝丝：i.包括具有两个主要维度x和y、和厚度n的三维整体式结构，在x或y都不大于100毫米，并且n约为1毫米或更小的条件下，x或y中的至少一个是厚度的至少10倍；其中a)所述氧化铝丝具有至少一个未经修饰的表面，使得该未经修饰的表面上包括细粒，所述细粒从所述表面凸起，所述凸起的平均高度为约25纳米至约10微米，和b)所述未经修饰的表面有利于磷光体涂层的附着；以及ii.当所述氧化铝丝的厚度为500微米时具有至少30％的总透光率。 [0006] 一种灯泡，所述灯泡包括：半透明氧化铝丝，所述半透明氧化铝丝对300至800纳米波长范围的光线具有至少30％的总透光率；由所述氧化铝丝支撑的LED，其中所述LED在灯泡亮着时，所述LED至少使得部分光辐射通过所述半透明氧化铝丝；磷光体涂层，其同时围绕所述LED和氧化铝丝的至少一部分， 所述氧化铝丝具有颗粒状轮廓的表面，其包括细粒，按所述细粒边界之间表面的凹穴部分计，所述细粒的平均突出高度约为25纳米至约10微米。 [0007] 一种半透明氧化铝基材，所述半透明氧化铝基材包括：具有颗粒状轮廓的表面，其包括细粒，按所述细粒边界之间的表面凹穴部分计，所述细粒具有约25纳米至约10微米的平均突出高度；和具有两个主要维度x和y、和厚度n的三维整体式主体，在x或y都不大于100毫米并且n约为1毫米或更小的条件下，x或y中的至少一个大于厚度的至少10倍；所述的三维整体式主体对300至800纳米波长范围的光线具有至少30％的总透光率。 [0008] 第一个方面包括灯泡，该灯泡包含氧化铝丝、一个或多个LED和同时在所述LED和所述氧化铝丝的至少一部分上的磷光体涂层，所述LED与所述氧化铝丝接触并使得光部分地辐射通过所述氧化铝丝，其中所述氧化铝丝：i.包含三维整体式结构，该结构的高度和宽度小于所述丝长度的1/5，除非其高度为500微米或更小，其中a)所述氧化铝丝具有至少一个未经修饰的表面，使得该未经修饰的表面上包括细粒，所述细粒从所述表面凸起，所述凸起的平均高度为约25纳米至约10微米，和b)未经修饰的表面有利于磷光体涂层的附着；以及ii.具有至少30％的总透光率。 [0009] 关于第一个方面，在一些实施方式中，所述氧化铝丝的至少一个未经修饰的表面沿着单轴在1cm的距离上具有约5微米到约50微米的平整度。在一些实施方式中，所述氧化铝丝的至少一个未经修饰的表面具有约1纳米到约10微米的粗糙度。在一些实施方式中，当所述氧化铝丝的厚度为200-500微米时，对于约300纳米至约800纳米，所述氧化铝丝对其的总透光率为约50％至约85％。在一些实施方式中，所述氧化铝丝具有一个或多个能容纳发光二极管的凹穴、孔、或通道。在一些实施方式中，所述灯泡包含十个或更多个位于氧化铝丝的一个或多个凹穴、孔、或通道中的LED。在一些实施方式中，所述氧化铝丝由中值粒度直径为50至500纳米且BET表面积为2至30m2/g的氧化铝粉末制得。在一些实施方式中，所述灯泡包含一根或多根氧化铝丝并且具有大于70流明的光发射。在一些实施方式中，所述一个或多个LED所发射的光的波长为约425纳米至约500纳米。在一些实施方式中，所述灯泡所发射的光的相关色温为约2500K至约3500K。在一些实施方式中，所述氧化铝丝包含条带浇铸的氧化铝粉末，其中所述氧化铝粉末包含99.5％至99.995重量％的氧化铝和约100至约1000ppm的烧结助剂，如MgO。 [0010] 第二个方面包括灯泡，该灯泡包含氧化铝板、一个或多个LED、和同时在所述LED和所述氧化铝板的至少一部分上的磷光体涂层，所述LED与所述氧化铝板接触并使得光部分地辐射通过所述氧化铝板，其中所述氧化铝平板：i.包含具有两个主要维度x和y以及厚度n的三维整体式结构，其中，在x或y都不大于100毫米并且n约为1毫米或更小的前提下，x或y中的至少一个大于厚度的至少10倍；其中a)所述氧化铝基材具有至少一个未经修饰的表面，使得该未经修饰的表面上包括细粒，所述细粒从所述表面凸起，所述凸起的平均高度为约25纳米至约10微米，和b)未经修饰的表面有利于磷光体涂层的附着；以及ii.具有至少30％的总透光率。 [0011] 关于第二个方面，在一些实施方式中，所述氧化铝板的至少一个未经修饰的表面沿着单轴在1cm的距离上具有约5微米到约50微米的平整度。在一些实施方式中，所述氧化铝板的至少一个未经修饰的表面具有约1纳米到约10微米的粗糙度。在一些实施方式中，当所述氧化铝板的厚度为200-500微米时，对于约300纳米至约800纳米，所述氧化铝板的总透光率为约50％至约85％。在一些实施方式中，所述氧化铝板具有一个或多个能容纳LED的凹穴、孔、或通道。在一些实施方式中，所述灯泡包含十个或更多个位于所述氧化铝板的一个或多个凹穴、孔、或通道中的LED。在一些实施方式中，所述氧化铝板由中值粒度直径为50至500纳米且BET表面积为2至30m2/g的氧化铝粉末制得。在一些实施方式中，所述灯泡包含一个或多个氧化铝板并且具有大于70流明的光发射。在一些实施方式中，所述一个或多个LED所发射的光波长为约425纳米至约500纳米。在一些实施方式中，所述灯泡所发射的光的相关色温为约2500K至约3500K。在一些实施方式中，所述氧化铝板包含条带浇铸的氧化铝粉末，其中所述氧化铝粉末包含99.5％到99.995重量％的氧化铝和约100到约1000ppm的烧结助剂，如MgO。 [0012] 一种半透明氧化铝基材，其包括：具有颗粒状轮廓的表面，其包括细粒，按所述细粒边界之间的表面凹穴部分计，所述细粒具有约25纳米至约10微米的平均突出高度；和具有两个主要维度x和y、和厚度n的三维整体式主体，其中，在x或y都不大于100毫米并且n约为1毫米或更小的条件下，x或y中的至少一个大于厚度的至少10倍；其中，所述的三维整体式主体对300至800纳米的波长范围具有至少30％的总透光率。 [0013] 第三个方面包括结合有本文所述的一个或多个灯泡的装置。 [0014] 第四个方面包括形成本文所述灯泡的方法，该方法包括对氧化铝浆料进行条带浇铸以形成氧化铝基材的生坯带；使得所述生坯带烧制足够的时间和温度以提供所述氧化铝丝或氧化铝板；将所述氧化铝基材切断成氧化铝丝或氧化铝板；将一个或多个LED与所述氧化铝丝或氧化铝板接触；以及同时在所述LED和氧化铝丝或氧化铝板的至少一部分上涂覆磷光体。在一些实施方式中，所述方法进一步包括将所述丝或板与电子器件附着。在一些实施方式中，所述方法进一步包括将所述氧化铝丝或板密封在玻璃灯泡内并在灯泡中充入惰性气体。 [0015] 第五个方面包括一种制造条带浇铸的、半透明氧化铝丝或板前体的方法，该方法包括：搅拌研磨(attrition milling)批料混合物10分钟至10小时以形成浆料，该批料混合物包含平均粒度为50至500纳米的氧化铝粉末、粘结剂、分散剂、增塑剂、消泡剂、以及水性或非水性溶剂；将所分离得到的浆料在真空中除气；将除气后的浆料条带浇铸至湿厚度为20至2000微米；采用底床加热器(under-bed heater)以及20至100℃的温度的加热流动空气，对所述经条带浇铸的浆料进行受控干燥，以形成具有干厚度为5至1000微米的生坯带； 以及使得所述生坯带烧制足够的时间和温度以提供经烧结的、半透明氧化铝丝或板前体。 在第五个方面的一些实施方式中，所述方法进一步包括将所述半透明氧化铝丝或板前体切断成一个或多个氧化铝丝或氧化铝板。在氧化铝丝的情况下，可将所述前体切断成高度和宽度小于所述丝长度的1/5的丝，除非其高度为500微米或更小。在氧化铝板的情况下，可将所述前体切断成具有氧化铝板的板，其：i包含具有两个主要维度x和y以及厚度n的三维整体式结构，其中，在x或y都不大于100毫米并且n约为1毫米或更小的前提下，x或y中的至少一个大于厚度的至少10倍。 [0016] 在一些实施方式中，所述半透明氧化铝粉末在引入浆料中之前具有的BET表面积为2至30m2/g，并且所述生坯带的微结构是均匀的。在一些实施方式中，所述氧化铝粉末在浆料中所具有的陶瓷固体负载(ceramic solids loading)为5至60体积％，并且所述生坯带具有的陶瓷固体负载为35至85体积％。在一些实施方式中，所述生坯带具有约0.01至约25体积％的孔隙率。在一些实施方式中，如果所述生坯带的陶瓷固体负载大于45体积％的话，那么所述半透明氧化铝丝或板前体对于条带浇铸浆料中的粘结剂的量或孔隙率的量的轻微变化是不敏感的。 [0017] 关于本说明书中所述的方法可能发生的条件，在溶剂为水性的实施方式 中，所述水性溶剂可包括去离子水，并且所述粘结剂、分散剂、增塑剂、消泡剂、以及水性溶剂的pH值为8至12。在一些实施方式中，所述方法中的至少一步是在颗粒受控环境中完成的。在一些实施方式中，所述除气后的浆料经过过滤以除去污染物。 [0018] 在一些实施方式中，烧制包括氢气烧制、热压制、真空烧制、或热等静压制。在一些实施方式中，对生坯带进行烧制包括：在1000至1650℃的温度下持续2至8小时，对生坯带进行烧制并完成烧掉粘结剂，以获得经烧结的、半透明氧化铝丝或板前体；在1300至1600℃的温度下持续4至12小时以及压力为5至60kpsi，对经烧结的、半透明氧化铝丝或板前体进行氢气烧制、热压制、真空烧制、或热等静压制，以减少所述经烧结的、半透明氧化铝丝或板前体中的残留孔隙率，其中所述经烧结的、半透明氧化铝丝或板前体在经过热等静压制后的总孔隙率小于约500ppm。 [0020] 所包括的附图提供了进一步的理解，并被并入且构成本说明书的一部分。 [0021] 图1A是本文所述的LED丝的二维示意图。所述LED丝具有半透明氧化铝丝(100)，丝的一端或两端有任选的金属触点(110)。图1B示意性显示了半透明氧化铝丝(100)上的多个LED(120)。如下文进一步详述，所述LED可能是在半透明氧化铝体的一个或多个表面上，或者可能放置在半透明氧化铝主体的通道或孔中。图1C示意性显示了半透明氧化铝丝(100)，其具有多个LED(120)和涂覆了所述氧化铝主体以及LED的磷光体涂层(130)。图1D是所述氧化铝丝的实际图像，其中可观察到所述金属触点(110)和磷光体涂层(130)。图1E是所述半透明氧化铝丝(100)的三维棒状图，显示了其可采取的许多三维形状中的一种。图1F是半透明氧化铝丝(100)的替代三维形状，其中沿着所述体的顶部表面具有通道。 [0022] 图2是提供了对所述半透明氧化铝丝进行条带浇铸的工艺流程的一个例子的框图。 [0023] 图3A是来自条带浇铸过程的示例性输出板的示意图，其中条带浇铸片被细分成多个尺寸为35毫米×35毫米的单体式(singulated)基材(这里是9个)。 图3B显示了表面中压入单体化线(singulation line)的单体式基材。在单体化线将所述单体式基材切断成大量半透明氧化铝丝，每根丝宽约1毫米，厚约0.380毫米，长约35毫米。 [0024] 图4A大致显示了半透明氧化铝丝未经修饰的表面的横截面，图4B显示了通过原子力显微镜观察到的同一表面的俯视图。图4B的一边的总长为150微米。图4C显示了在经过了切割、抛光、或其它工艺后的半透明氧化铝丝的同一表面，而图4D是抛光后的半透明氧化铝丝的原子力显微图像的俯视图。图4D的一边总长为150微米。 [0025] 图5A是在进行烧结前向条带浇铸结构中压入线所用模头的示例性基座的图。图5B是压模嵌入件(die insert)，其所具有的用于生产单体式基材的线结构能使所述基材被更容易地切断成丝。图5C显示了如图5A和图5B中所示的模头和嵌入件的结合。 [0026] 图6A提供了示例性半透明氧化铝丝(100)的侧视图和俯视图，该丝内的凹穴中放置有LED(120)并在顶部具有磷光体(130)。图6B提供了一个替代的实施方式的侧视图、端视图和俯视图，其中的半透明氧化铝丝(100)具有其中放置有LED(120)的U形通道结构和顶部的磷光体(130)。 [0027] 图7A和7B提供了如本文所述的半透明氧化铝板的设计的大量示例性实施方式。 具体实施方式[0028] 在公开和描述本实用新型的材料、制品和/或方法之前，应理解下面描述的方面不限于具体化合物、合成方法、或其用途，因为这些当然可能发生变化。也应理解本文中所使用的术语仅用于描述特定方面的目的，并不是限制性的。 [0030] 除非上下文有另外需要，应理解本说明书全文中的术语“包括”或其变化形式例如“包含”或“含有”指的是整体或步骤所包含的整体或步骤或组，但并不表示不包括整体或步骤所包含的任意其他整体或步骤或组。“包括”、“包含”或其变化形式出现时，术语“基本上由……组成”或“组成”可被取代。 [0031] 除非上下文另外说明，否则本说明书及所附权利要求书中所用的不定冠词“一个”或“一种”及其相应的定冠词“该”包括复数形式。因此，例如在提 及“一种药物载体”时包括两种或多种这类载体的混合物等。 [0032] “任选的”或“任选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，描述内容包括事件或情况发生的场合以及事件或情况没有发生的场合。 [0033] 在此，范围可以表示为从“约”一个具体值和/或到“约”另一个具体值的范围。当表示这样一个范围的时候，另一个方面包括从一个特定值和/或到另其他特定值。类似地，当使用前缀“约”表示数值为近似值时，应理解，具体数值形成另一个方面。应进一步理解每个范围的端点值在与另一个端点值有关和与另一个端点值无关时，都是重要的。 [0034] “体积百分比固体负载(Volume percent solids loading)”、“体积％固体负载”或类似表述指的是材料(例如浇铸带)中的无机固体。体积％固体负载仅考虑无机组分(即，氧化铝)。典型的体积％固体负载可以是，例如，从5到85体积％，从5到60体积％，从35到85体积％，从50到75体积％等，包括中间值和范围。 [0035] “透光率(Transmittance)”指的是特定波长的入射光通过样品的分数。本文所用的“总透光率”描述的是通过样品的总的透光，是正常透射和漫透射的总和。 [0036] 本文所用的“半透明”指的是氧化铝丝能使光穿透其结构的属性，但其中所述的光具有大于10％的漫透光率。 [0037] 可采用本领域技术人员熟知的缩写(例如，表示小时的“h”或“hr”，表示克的“g”或“gm”，表示毫升的“mL”，表示室温的“rt”，表示纳米的“nm”以及类似缩写)。 [0038] 在组分、成分、添加剂、尺度、条件、时间和类似方面公开的具体和优选的数值及其范围仅用于说明，它们不排除其他限定数值或限定范围内的其他数值。本实用新型的制品和方法可包括本文所述的任何数值或者数值、具体数值、更具体的数值和优选数值的任何组合，包括明确或隐含的中间值和范围。 [0039] 发光二极管(LED)照明由于其能源效率和下降的成本获得了声望。据预测，到2020年这将成为价值300亿美元的生意。目前，LED照明广泛使用在专业化的应用如室外照明、汽车前灯、电视背光源等中。然而，至少部分由于对传统白炽灯泡的禁令，常规照明，比如在家中和办公室里的照明，正成为LED照明更大的市场并且快速增长。但是，普通LED灯泡涉及两个主要问题：成本和式样。目前一个40-60瓦的LED灯泡的成本在8-12美元左右。而且，大部 分LED灯泡具有非传统造型，其底部有一个大散热器。不但新的灯泡式样有一些限制，而且许多LED灯泡的设计缺乏全方位光发射，倾向于将大部分光直接向上朝天花板引导。 [0040] LED丝灯泡是一种新的灯泡设计，其外观与老式的爱迪生灯泡一样，但其使用几根LED丝而不是钨丝灯丝来代替传统灯丝。图1A-1F显示了所述丝的结构。其具有三个关键组件：基材(100)，任选的金属触点(110)，一串一个或多个LED芯片(120)，以及磷光体涂层(130)。替代设计利用相同的基本部件，但可能使用其他设计，比如圆形、正方形或矩形基材，而不是丝结构。在所述四个组件中，所述触点、LED芯片和磷光体都是发展成熟的技术，并且容易获得。但是，如何发现满足这些装置所需要求的基材(100)一直是个挑战。 [0041] 目前，用于基材的材料有三种：玻璃，蓝宝石和半透明氧化铝。在LED的应用中，热传导是对于装置的关键要求。由于其导热系数低，玻璃基材的方法大多数已经被淘汰，特别是对于更高功率(更强光发射)的产品来说。蓝宝石是常用的基材，因为它具有良好的透明性和优良的导热系数(30瓦/米·度)。问题在于蓝宝石往往相当昂贵，即使是使用有缺陷结合(defect-incorporating)的蓝宝石。第三个选择，半透明氧化铝，拥有与蓝宝石类似的导热性能，但具有较低的透明度。目前潜在的制造半透明氧化铝薄片的方法涉及将氧化铝粉末干燥压制成为块状氧化铝，然后用氢气炉烧成或热等静压制至全密度。一旦烧结，所述块被线状锯切成薄片，研磨并抛光，以生产出最终的半透明氧化铝丝。不幸的是，由于为了获得半透明氧化铝丝需要极大的处理量，制造这些丝的成本相当于蓝宝石。 [0042] 本文所述的方面涉及结合了新颖氧化铝基材的LED灯泡，其克服了现有技术的限制。出乎意料的是，由于在生产时至少沿着至少两个轴具有正确的尺寸，所述氧化铝基材基本上能够在刚成型时就使用。并且由于昂贵的加工步骤如热等静压制、线切割和抛光是没有必要的，成型是非常便宜的。这些成本的节省显著节省了灯泡的整体成本。另外，条带浇铸工艺能使大量材料成型，提供了大体积的基材。此外，本文所述的条带浇铸工艺提供一种具有未经修饰表面的半透明氧化铝基材，该未经修饰表面可以被设计成具有通道或凹穴，以及具有粗糙结构，以增加表面积来提供更多的磷光体粘附点。 [0043] 半透明氧化铝丝和板和LED灯泡 [0044] 第一个方面包括一个包含半透明氧化铝丝的灯泡，其中所述丝的特征在于拥有三维整体式结构。在一些实施方式中，所述半透明氧化铝丝的高度和/或宽度小于丝长度的1/4,1/5,1/6,1/7,1/8,1/9,1/10或1/20。在一些实施方式中，所述高度和/或宽度最大为1毫米，750微米，500微米，400微米，300微米，或250微米或更小。在一些实施方式中，所述半透明氧化铝丝的尺寸如下：宽度为从约250微米到约1毫米，高度为250微米到约1毫米，长度为 20毫米到50毫米。 [0045] 第二个方面包括一个包含半透明氧化铝板的灯泡，其中所述氧化铝板的特征在于拥有三维整体式结构。在一些实施方式中，所述半透明氧化铝板包含一个具有两个主要维度x和y，和厚度n的三维整体式结构，其中，在x或y都不大于25,50,75,100,150,或200毫米，以及n约为0.2,0.3,0.4,0.5,0.6,0.7,0.8,0.9,1,1.2,1.5,或2毫米或更小的条件下，x或y中的至少一个是厚度的至少5,8,10,15,或20倍。例如，在x和y方向上，所述半透明氧化铝板可能采用正方形，长方形，圆形，椭圆形等形式。图7A显示了半透明氧化铝板设计的示例性实施方式。 [0046] 关键地，在一些实施方式中，所述半透明氧化铝丝或板(统称“基材”)至少有一个未经修饰的表面。所述未经修饰的表面包括未经过任何精整步骤如切割、抛光、或平滑化的表面。图4A至4D提供了对比附图，图4A和图4C，以及原子力显微图像图4B和图4D，显示了经条带浇铸处理的半透明氧化铝未经修饰的表面(图4B)与经过替代工艺如传统的干压制的氧化铝制成的经切割和抛光的氧化铝(图4D)之间的比较。如图4A所示，所述未经修饰的表面包括地形特征、或细粒。图4B是显示了所述半透明基材的未经修饰表面的原子力显微图像。这些细粒的平均高度为至少约25纳米。在一些实施方式中，所述细粒的特征从约25纳米到约10微米。在一些实施方式中，所述细粒的特征从约25纳米到约1微米。在一些实施方式中，所述未经修饰的表面在10毫米的距离内，在一个尺度上(例如沿着基材的常)的粗糙度为约10到约1000纳米。相对地，图4C是显示了经修饰的表面的图像，正如在形成氧化铝基材的传统方法中所能见到的，所述经修饰的表面经过了切割和抛光。该表面非常光滑，没有表面特征。图4D是呈现了经过抛光的表面的原子力显微图像。黑 点是在处理过程中细粒从所述表面分离的地方，但这些黑点正常情况下不会呈现在最终产品。但是可以看出的是，整个表面非常光滑平坦，基本不具有拓扑结构。在预期的实施方式中，所述表面可经过一种浅表处理，比如刮刻或粗抛光，在该表面上仍包含有本文所述细粒。申请人认为这种经过浅表处理的表面是“未经修饰的”，因为该表面保留了如图4B所示的粒状结构，比如其中细粒边界在显微镜下可见且该表面保留本文所述范围内的粗糙度和细粒轮廓。 [0047] 所述氧化铝基材的平整度对于放置LED来说会是重要的，并且在一些实施方式中符合灯泡中的规格。在一些实施方式中，所述氧化铝基材未经修饰的表面沿着单轴(比如丝的长度)在1厘米的距离上具有约0.1微米到约50微米的平整度。 [0048] 所述半透明氧化铝基材可由半透明氧化铝丝或板(统称“基材”)的前体制得，任选地具有单体化特征(singulation features)。在一些实施方式中，如果将所述基材浇铸成较大的块或带，然后切断成单个的基材是最有效率的，并且能使基材具有最佳的整体平整度(即，较少的大距离变形)。如图3A和3B所示，带可以具有正确的厚度，随后通过已知的切割或切断方法被切成具有正确长度的前体，然后被切成正确的宽度。 [0049] 如所述，本文所述的氧化铝基材是半透明的。所述氧化铝基材的透明度并非关键，因为光线被涂覆在LED和丝上的磷光体层涂层进一步扩散，并且对于包含所述半透明氧化铝基材的灯泡的期望是使光线分散发射。虽然透明度不是关键的，但是理想的情况是让尽可能多的光线离开灯泡。因此，所述半透明氧化铝基材不应吸收显著量的由LED和/或磷光体发射的光。在一些实施方式中，当所述氧化铝基材的厚度为500微米时，其对于约300纳米到约800纳米的总透光率至少为30％。在一些实施方式中，当所述氧化铝基材的厚度为500微米时，其对于约300纳米到约800纳米的总透光率为约50％到约85％。在一些实施方式中，当所述氧化铝基材的厚度为500微米时，其对于约300纳米到约800纳米的漫透光率为约10％到约60％。在预期的实施方式中，所述氧化铝基材对于上述公开的波长范围的光能够具有上述公开的透光率百分比，但其具有不同厚度，比如本文公开的任何其它厚度。 [0050] 在一些实施方式中，使所述氧化铝基材前体包含有单体化特征是有利的。这种特征可包含有助于在烧结后对所述基材进行单体化(singulating)的压制入其前体的线或槽。图5A-5C显示了一个用于将单体化特征整合到所述前体中 的示例性模头。所述模头包含模头(图5A)和冲模镶块(图5B)，其中的冲模镶块具有单体化特征。如下文所述，该模具与生坯带一同使用，以将单体化特征冲压入带中。 [0051] 在LED灯泡中所用的LED是本领域所熟知的，本文所述的LED可包含与基材和磷光体一同工作并且能提供正确光输出的任何LED。在一些实施方式中，所用的LED为提供波长范围为从约425纳米到约500纳米的光的蓝色LED，比如InGaN。就LED的数量而言，每块基材上可以安装1至40或更多个LED。 [0052] 所述磷光体涂层包含与LED一同工作以提供具有所需色温的光的材料。在一些实施方式中，所述磷光体包括Y3Al5O12:Ce(YAG)材料、铝酸盐材料、氮化物材料、硅酸盐材料等。在一些实施方式中，由所述灯泡发射出的光的相关色温为从约2500K至约3500K。处于该色温范围内的光令人感到“温暖”(即，与其说是蓝色不如说是黄色和白色——与白炽灯泡相类似)至“中性”。在一些实施方式中，由所述灯泡发射出的光的相关色温为从约2600K至约2900K。或者，在一些实施方式中，希望具有“更凉快”的蓝光。通过调整LED和/或磷光体，可以调整本文所述的灯泡使其光输出覆盖2500K直到10,000K，以满足应用所需。 [0053] 在一些实施方式中，所述氧化铝基材进一步包括一个或多个能容纳发光二极管的凹穴、孔、或通道。这些凹穴、孔、或通道能够通过冲裁工艺(下文会描述)在生坯带阶段融入到所述基材中，或者可以在切断、单体化或烧结工艺后制得。图6A提供了凹穴的一个例子，其中在各个凹穴中放置LED。所述凹穴保护所述LED，并且能改善光散射，因为相当大量的光发射通过所述半透明氧化铝基材。图6B是一个替代设计，其中所述半透明氧化铝基材中提供的是通道。它提供与凹穴同样的保护功能和散射优点，但它更易制造，特别是在烧结后的工艺中。类似地，图7B提供了具有能容纳发光二极管的凹穴，孔，或通道的半透明氧化铝板的示例性实施方式。 [0054] 在一些实施方式中，起始和最终的材料性对所述半透明氧化铝基材的整体质量或稳定性起到了重要的作用。在一些实施方式中，所述氧化铝基材是由中值粒度直径为50至2 1000纳米且BET表面积为2至30m/g的氧化铝粉末制得的。所述氧化铝基材通常由条带浇铸的氧化铝粉末制得，该氧化铝粉末包含从99.5％至99.995重量％的氧化铝和约100至约 1000ppm的烧结助剂，如MgO。这生产出高质量的半透明氧化铝基材。 [0055] 结合了所述半透明氧化铝基材的LED灯泡可进一步包含吹制的玻璃灯泡，给LED供电及控制LED所必要的电子器件，以及必要的连接器。本文所述半透明氧化铝基材在包含一个或多个氧化铝基材并具有大于70流明光发射的灯泡中尤其有用。这有一部分是因为所述半透明氧化铝基材散热特别好。本文所述的半透明氧化铝基材的导热系数约为30W/mK，与蓝宝石类似。 [0056] 工艺 [0057] 另一个方面包含制造所述半透明氧化铝基材的方法，本实用新型同时提供了水性和非水性条带浇铸法。本文所述的制造半透明氧化铝基材的方法与美国临时专利申请第62/019,649号中提供的那些相类似，本文将其全文通过引用结合于此。此外，与条带浇铸相关的一般概念和原理可参见James S.Reed的“陶瓷加工原理(Principles of Ceramic Processing)”，1995年第二版，ISBN-13:978-0471597216，本文将其通过引用结合于此。 [0058] 参照图2，以下描述提供了条带浇铸半透明氧化铝基材的工艺流程图。 [0059] 所述氧化铝粉末在水基条带浇铸体系中混合，该体系任选地包含粘结剂、分散剂、增塑剂、和消泡剂。或者，可以使用溶剂基条带浇铸体系，其中半透明氧化铝带可用醇如乙醇、甲醇、丙醇、丁醇，酮如甲基乙基酮，苯，甲苯等制得。例如，一个实施方式包含一种基于乙醇的溶剂体系和聚乙烯醇缩丁醛粘结剂。其它非水性体系包括，例如具有碳酸酯溶剂如碳酸二甲酯或碳酸二乙酯的聚碳酸亚丙酯(PPC)粘结剂，和丙烯酸粘结剂，其进行为“解压”或解聚而非燃烧。 [0060] 混合并研磨批料材料，通过例如球磨，高剪切混合，砂磨研磨，振动研磨，轧辊研磨和类似方法中的一个或多个。所述研磨过程是应当提供充分解聚颗粒并产生均匀的、良好分散的浆料的重要步骤。在一些实施方式中，用磨碎机(亦称，搅拌球磨机)来实现氧化铝粉末的解聚是理想的。磨碎机相对于其它研磨工艺和设备来说具有优势，因为其在研磨过程中对材料的高能量输入。与其它技术相比，这实现了将批料材料在较短的时间内被研磨成更小粒度，例如，磨碎机需花费1至3小时而球磨需花费50至100小时。在一些实施方式中，这使得带具有更均匀的微观结构。 [0061] 可以针对应用或约束条件来调节所述氧化铝粉末的粒度，但在一些实施方 式中，所述氧化铝粉末的平均粒度为从50至1000纳米。在一些实施方式中，所述氧化铝粉末在引入浆料中之前具有的BET表面积为2至30m2/g。在一些实施方式中，所述氧化铝粉末在浆料中所具有的陶瓷固体负载是5至60体积％，生坯带具有的陶瓷固体负载为35至85体积％。 [0062] 在一些实施方式中，所述研磨过程在受控的温度下完成，比如0,5,10,或15℃，以避免过热并减少溶剂的蒸发。在一些实施方式中，所述浆料可首先在低rpm(每分钟约4-600转)下研磨较短的时间(约5-20分钟)，以分解大团聚体，然后加速到约1000-1500rpm并研磨30分钟至2小时。 [0063] 当所述氧化铝经过研磨后，研磨介质通过网筛(如80至120)从浆料中过滤除去，并用真空对浆料进行除气/脱气。这从经研磨的产品除去俘获的空气，否则将最终在混合物中形成气泡。例如，除气可以通过干燥剂室然后用真空行星混合器来完成。在这样的例子中，将所述浆料装载入干燥剂室并进行除气高至10分钟。在经过最初的除气后，将所述浆料装载入真空行星混合器并在真空下进行操作。另一种除气过程是在干燥剂室中使用更高的真空度。 [0064] 当所述除气过程完成后，所述浆料进行任选的过滤以从混合物中除去任何大规模的污染，否则将会给烧结材料带来不良的特性。可以用规格为如100微米，50微米，25微米，10微米，或1微米的过滤器完成过滤，所述过滤器由例如尼龙，纤维，或其它合适材料制造。 [0065] 然后，使用刮刀或其它浇铸设定将所述浆料按期望的厚度条带浇铸，以形成湿的陶瓷浆料薄片。所述浆料的湿厚度可为从约20至约20,000微米。浇铸理想地是在洁净室的条件下，比如100级或1000级洁净室下进行，以避免氧化铝污染。其它步骤，比如研磨，除气和层叠步骤，也可以在洁净室中完成，以进一步减少污染水平。在一些实施方式中，将样品条带浇铸到涂覆有硅酮的 膜上，其厚度约为50至500微米。硅酮涂层提供了干燥后的带材的容易脱离。其它适合于带的膜可以是如特氟龙 玻璃，金属带和类似的替代材料。所述浆料通过具有约100至1000微米间隙的刮刀下，以形成陶瓷带的薄片。浇铸刮刀以例如10毫米/秒的速度移动，横越 膜。该速度可以根据需要改变以加快工序的速度，以及修改所述带材的厚度。湿的带在受控条件下进行干燥，以形成薄的陶瓷/聚合物复合带，称为“生坯状态”下的带或称为“生坯带”，它能形成所期望的形状。 [0066] 在一些实施方式中，所述带在受控的限制条件下进行干燥，比如利用底床 加热器和使得20-100℃的热空气在带上流动，时间足以使带干燥到期望的水平。通常，所述半透明氧化铝基材和基材前体对于条带浇铸浆料中粘结剂的量或孔隙率的量的轻微变化是不敏感的。为了优化工艺，在一些实施方式中，所述生坯带具有约0.01至约25体积％的孔隙率。在一些实施方式中，生坯带的陶瓷固体负载大于45体积百分比，如，45％,50％,60％,或 70％或更大。 [0067] 所述生坯带可通过条带浇铸工艺从一卷带被冲裁(blank)成所期望的部件几何形貌。冲裁形成近净形(near net shape)。可采用任意合适的陶瓷成形技术，例如激光切割、热刀切割、冲孔、印压、压制和类似的方法或其组合，使所述生坯带任选地形成所期望的形状。作为替代或者补充，带可经过烧制然后使用如激光切割或切片的方法在烧结状态下成型。 [0068] 例如，如图3A和图3B所示，带可冲裁成多个单体化基材，其具有压制入表面中的单体化线。图3A中，带被设置成具有九块基材的片材，其为了单体化的目的在表面中刻有槽(或者，也可以通过激光划线在基材上)。九块基材分别被单体化并在那时用作氧化铝板。或者，在一些实施方式中，所述板可以包含能使板容易切断成丝的单体化线(图3B)。或者，可以在九块正方形的单体化之前进行丝切割。单体化部分的尺寸所示是1x35x0.35毫米，但只要满足应用所需也可以是任意尺寸。制造工艺所能达到的范围不限于所述尺寸，这里只是作为示例给出。任选地，最后的部分可在生坯状态下或在烧结后工艺中进行精加工，如通过各种精整方法，比如切割、抛光、和类似的精整操作。 [0069] 任选地，经冲裁的层可堆叠以达到更大的部件厚度。经堆叠的部件之间可以按需要插入插页材料以在同一时间在同样的层压工艺条件下对多个部件进行层压。所述陶瓷带的多个层可以堆叠并用单轴压制或等静压压制进行层叠以形成更厚的带。在需要或期望进行层叠的情况下，冲裁、冲压或单体化工艺(如图3A和图3B)可在层压发生后进行。 [0070] 在一些实施方式中，为了达到最佳结果，在形成层叠结构时额外的注意是必要的。例如，由于干燥动力学，带的顶表面和底表面可能含有不同量或浓度的粘结剂以及孔隙率。 这可能引起在z-方向上(平面外)的不均匀收缩，这会导致部件拱起。因此，在一些实施方式中，知道铸造的方向是最优的。为了在铸造过程中减轻优先颗粒取向的影响，带可以旋转至每层相互之间成90度(或者，也可以没有旋转，或可以使用180度的旋转)。所述带通常在不翻转的情况下堆叠在彼此的顶部。第一层的底表面放置在下一层的顶表面上，按这样的 顺序重复至期望的层数。由于干燥动力学，带的底表面通常会含有较高浓度的粘结剂，而顶表面孔隙更多。通过将每层放置在另一层的顶部，在层叠过程中，将高粘结剂表面压缩至多孔表面。可以将两个高粘结剂表面层叠在一起，但若两个多孔表面被层叠，通常会观察到分层，除非带中的粘结剂浓度足够高，能够填满甚至是带的顶表面的孔隙。为了实现层叠步骤中的压缩，生坯带中一定量的孔隙率是有必要的。在一些实施方式中，目标孔隙率为5至 10％，但更低或更高的孔隙率也可令人满意。通过使用所期望的旋转和堆叠技术，将带放置在另一个的顶部，堆叠至所期望的层数。例如，在一些实施方式中，4至28层每层厚约40微米的生坯带使得生坯带层叠具有160至1120微米的厚度。但是，如果期望得到更厚的部件，具有几百层的堆叠是可能的。 [0071] 当达到所期望的层数后，堆叠可放置于两块金属板之间，真空密封在袋中，进行等静压层叠(或者可以使用单轴压制)。通常压力是3000至5000psi，温度是60至80℃。但是也可以使用1000至10000psi的压力以及60至100℃，或者4000至5000psi和70℃。例如，将堆叠样品放置在经预加热至70℃的层叠机中，并在无压或低压(如，150psi)条件下预加热15分钟。然后，将样品加压至所期望的压力(如，3000psi)并保持15分钟。当循环完成后压力被释放，并将样品从室中移出。将样品冷却至室温，并将其从层压板和迈拉载体膜移出。接着将该样品“部件”移至去粘结/烧结步骤，或者可以用冲孔或切割方法使所述部件在生坯状态下成型。 [0072] 带可在一步或两步工艺中进行烧制。所述一步工艺在单次烧制中去除粘结剂并对带进行烧结。在所述两步工艺中，在一个窑中去除粘结剂，然后在第二个窑中将部件烧结至最终密度。例如，在层叠后，生坯体首先经过粘结剂烧除(BBO)以及烧结过程。在一些实施方式中，BBO过程在1000至1650℃下进行2至8小时。在一些实施方式中，第二烧结工艺通过在1300至1900℃及0.5至4000个大气压下对经烧结的半透明氧化铝丝前体进行1至12小时的氢气烧制、热压制、真空烧制或热等静压制来完成。 [0073] 在烧结后，经烧制的尖晶石体具有非常高的密度(>94％)，这表明基本上所有的孔都是闭合的。为了除去任意残余的孔隙率，可以使用热等静压制(HIP)。热等静压制(“Ar HIP”)可以用高功率石墨炉来达到高温(如1500℃或以上)或者可以使用“O2HIP”工艺(80体积％的Ar和20体积％的O2气氛的混合物，在约1000psi或更高压力(如10k psi或5500psi)和600℃以 上的温度(如1100℃))进行几小时。或者，可以通过氢气炉、真空炉、N2或Ar炉、或空气炉来实现最终烧制。通常，烧制温度可以是比如1200℃至1800℃。在一些实施方式中，经烧结的半透明氧化铝基材前体在烧结之后的总孔隙率小于约500ppm。 [0074] 在烧制后，将所述部件退火以去除应力并确保该部件经由蠕变退火具有正确的尺寸。在退火后，所述部件经过质量分析，可以进行包装和运输。在某些情况下，所述部件被分开成单体化基材或板，或者用激光或机械切割、破碎、磨削等方法将单体化基材切成丝。 [0075] 在半透明氧化铝前体被单体化成丝或板的情况下，所述丝或板之后可以被结合到LED灯泡中。这通过如下方式完成：任选地将所述半透明氧化铝丝或板与金属触点接触，将所述半透明氧化铝丝或板与一个或多个LED接触，同时在一个或多个LED和半透明氧化铝基材的至少一部分上涂覆磷光体，并将经涂覆的半透明氧化铝基材放置在灯泡内。在一些实施方式中，所述灯泡中充入惰性气体，比如氩气或氮气，并密封。在一些实施方式中，所述灯泡进一步包含用于控制灯泡内电压、电流和/或功率的额外的电子器件。 [0076] 已结合各种具体实施方式和技术对本实用新型进行了描述。但是，可以在本实用新型的范围内做出许多变化和改进。 |
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