Источник света со светоизлучающим элементом - RU2251761C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники

Данное изобретение относится к источнику света для создания белого света, содержащему в себе светоизлучающий диод (СИД) для испускания синего и/или ультрафиолетового излучения, по меньшей мере, с одним люминофором, который испускает часть синего и/или ультрафиолетового излучения и даже излучение в другой области спектра.

Известный уровень техники

Неорганические светодиоды отличаются, среди прочего, длительным сроком службы, незначительной занимаемой площадью, нечувствительностью к тряске и излучением в узкой полосе спектра.

В светодиодах при помощи присущего им излучения полупроводникового материала практически нельзя, хотя и можно, но это очень неэффективно, реализовать многочисленные цвета излучения в широком диапазоне излучения.

В WO 00/33390 описано светоизлучающее устройство, содержащее в себе светодиод, излучающий исключительно синий свет, или лазерный диод, который взаимодействует со смесью люминофоров.

При этом для создания белого света светодиод, излучающий в области спектра от 420 до 470 нм, комбинируется со смесью люминофоров, состоящей не менее чем из двух люминофоров. Для этого обязательно необходимо, чтобы два люминофора излучали с различными спектрами. Применяемая смесь люминофоров всегда содержит в себе один красный компонент и один зеленый компонент. В этом случае благодаря смешению этих цветов с синим излучением, испускаемым светодиодом, возникает белый свет.

К источникам белого света для общего освещения предъявляют, как правило, повышенные требования к качеству цветовоспроизведения осветительных средств. Во-вторых, потребители, прежде всего, в Европе и в Северной Америке, предпочитают более теплые цвета излучения с цветовой температурой в диапазоне от 2700 до 5000 К.

Из WO 00/33389 также известно применение Ba₂SiO₄:Eu²⁺ в качестве люминофора, среди прочих, для преобразования света, излучаемого синими светодиодами. Однако максимум излучения люминофора Ba₂SiO₄:Eu²⁺ приходится примерно на 505 нм, так что с помощью такой комбинации нельзя надежно создать белый свет.

В работе С.Х.М. Пурта (S.H.M. Poort) и др.: "Optical properties of Eu²⁺-activated orthosilicates and orthophospates" (“Оптические свойства ортосиликатов и ортофосфатов, активированных Еu²⁺ ”, журнал “Journal of Alloys and Compounds”, 260 (1997), стр. 93-97) исследуются свойства Ba₂SiО₄, активированного Еu, а также таких фосфатов, как КВаРO₄ и KSrPO₄. Здесь также констатируется, что излучение Ba₂SiO₄ приходится примерно на 505 нм.

Сущность изобретения

Задача данного изобретения состоит, таким образом, в том, чтобы изготовить усовершенствованный источник света, в котором в качестве источника излучения применяется светоизлучающий диод (СИД), причем этот источник излучения может излучать в ультрафиолетовой области или в области синего цвета (от 370 до 490 нм), и который способен создавать белый свет с повышенным коэффициентом полезного действия путем использования усовершенствованного люминофора, благодаря чему появляется возможность использования этого источника белого света для целей освещения.

Одновременно с этим преследуется цель избежать недостатков, известных исходя из известного уровня техники. При этом, кроме того, при применении одного или нескольких люминофоров необходимо обеспечить возможность регулирования в широком диапазоне цветовых температур для того, чтобы выполнить различные требования пользователей и, в частности, регулировать цвет в тех местах, которые находятся в пределах эллипсов допуска, установленных для общего освещения Международной комиссией по освещению (CIE).

Эта задача решается за счет создания источника света упомянутого выше, в котором

- люминофор представляет собой активированный двухвалентным европием ортосиликат щелочно-земельного металла одного из нижеследующих составов или смеси из этих составов:

a) (2-x-y)SrO· х(Ва_u, Са_v)O· (1-a-b-c-d)SiO₂·aP₂O₅ bАl₂О₃ сВ₂О₃ dGеО₂: уЕu²⁺

где

0≤ x≤ 1,6 0,005<у<0,5 х+у≤ 1,6

0≤ a,b,c,d<0,5 u+v=1;

b) (2-x-y)BaO· x(Sr_u, Ca_v)O· (1-a-b-c-d)SiO₂·аР₂О₅ bAl₂O₃ сВ₂О₃ dGeО₂:y Eu²⁺

где

0,01

0≤ а,b,с,d<0,5 u+v=1 х· u>0,4;

- излучение люминофора испускается в желто-зеленой, желтой или оранжевой области спектра;

- при этом путем выбора параметров в названных областях можно регулировать цветовую температуру и общий цветовой индекс созданного белого света.

В предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, одно из значений a, b, c и d больше 0,01. Кроме того, в упомянутом ранее люминофоре доля кремния может быть замещена галлием.

Как было установлено, белый свет с хорошим цветовоспроизведением и значительной светоотдачей можно реализовать путем комбинации синего светодиода с люминофором, выбранным из упомянутой выше группы активированных двухвалентным европием ортосиликатов щелочно-земельных металлов. В противоположность люминофорам, которые основываются на ортосиликатах чистого бария и излучают зеленый с синеватым оттенком свет, именно с помощью смешанных кристаллов ортосиликата бария-стронция можно создать люминесцентный свет на участке от желто-зеленого, желтого до оранжево-желтого цвета, а в результате включения кальция в кристаллическую решетку ортосиликата - даже совершенно оранжевого цвета, и смешения пропускаемого света синего светодиода и испускаемого люминесцентного света выбранного люминофора можно генерировать белый свет с хорошим цветовоспроизведением и высоким коэффициентом полезного действия. Смещение цвета излучения путем замещения бария (Ва) стронцием (Sr) в ортосиликате для возбуждения жестким ультрафиолетовым излучением (возбуждение при 254 нм) до сих пор было известно только из работы Пурта и др. Однако тот факт, что этот эффект неожиданно сильно проявляется при облучении синим светом в диапазоне 440-475 нм, еще не описывался. Смешанные кристаллы ортосиликата Ba-Sr-Ca и их сильная излучающая способность при возбуждении длинноволновым ультрафиолетовым излучением или синим светом до сих пор были совершенно неизвестны.

Выбранный люминофор можно также использовать в смесях с другими люминофорами этой группы и/или с дополнительными светящимися красками, которые не относятся к этой группе. К упомянутым светящимся краскам относятся, например, излучающий синий свет алюминат щелочно-земельного металла, активированный двухвалентным европием и/или марганцем, а также излучающий красный свет люминофор из группы Y (V, Р, Si) О₄: Eu, Bi, Y₂O₂S: Eu, Bi или же активированный европием и марганцем дисиликат щелочно-земельного магния: Еu²⁺, Mn²⁺, с формулой

Me_(3-x-y)MgSi₂О₈:xEu, yMn,

где

0,005<х<0,5

0,005<у<0,5

и Me = Ва и/или Sr, и/или Са.

Как показано в нижеприведенных примерах осуществления изобретения, доля Sr в люминофорах со смешанными кристаллами, согласно данному изобретению, не должна быть слишком незначительной, чтобы обеспечить возможность генерирования белого света.

Далее, было также установлено, что дополнительное включение P₂O₅, Аl₂О₃ и/или В₂О₃ в кристаллическую решетку ортосиликата, а также замещение части кремния германием, таким образом, оказывают значительное влияние на спектр излучения соответствующего люминофора, так что этот спектр можно изменять благоприятным образом дальше для целей соответствующего применения. При этом ионы, меньшие по размерам, чем Si (IV), способствуют смещению максимума излучения в более длинноволновую область, в то время как более крупные ионы смещают центр излучения на более короткие длины волн. Кроме того, было установлено, что для кристалличности, излучающей способности и особенно для стабильности люминофоров, согласно данному изобретению, можно, предпочтительно, дополнительно включить в кристаллическую решетку люминофора небольшие количества одновалентных ионов, как, например, галогенидов и/или щелочных металлов.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения изобретения источник света имеет, по меньшей мере, два различных люминофора, причем, по меньшей мере, один из них является светящейся краской на основе ортосиликата щелочно-земельного металла. Таким способом можно точно установить оттенок белого цвета, требуемый для соответствующего случая применения, и, в частности, можно получить значения Ra больше 80. Другой предпочтительный вариант осуществления изобретения состоит в комбинации светодиода, излучающего в ультрафиолетовой области спектра, к примеру, в области от 370 до 390 нм, по меньшей мере, с тремя светящимися красками, из которых, по меньшей мере, одна является светящейся краской на основе ортосиликата щелочно-земельного металла согласно данному изобретению. В качестве дополнительных светящихся красок в соответствующих смесях светящихся красок могут использоваться излучающий синий свет алюминат щелочноземельного металла, активированный европием и/или марганцем, и/или излучающий красный свет люминофор из группы Y (V, Р, Si) О₄: Eu, Bi, Y₂O₂S: Eu, Bi или же активированный европием и марганцем дисиликат щелочно-земельного магния.

Имеется несколько вариантов механического осуществления источника света согласно данному изобретению. Согласно одному варианту осуществления изобретения предусмотрено монтирование одного или несколько светодиодных кристаллов на печатной плате внутри рефлектора и диспергирование люминофора в световом диске, расположенном над рефлектором. Альтернативно можно смонтировать один или несколько светодиодных кристаллов на печатной плате внутри рефлектора и нанести люминофор на рефлектор.

Предпочтительно залить светодиодные кристаллы прозрачной заливочной массой, имеющей куполообразную форму. Эта заливочная масса образует, с одной стороны, механическую защиту; с другой стороны, она улучшает также оптические свойства (повышение выхода света из светодиодного кристалла).

Люминофор также может быть диспергирован в заливочной массе, которая связывает микросборку светодиодных кристаллов на печатной плате и полимерную линзу, по возможности, без газовых включений, причем полимерная линза и заливочная масса имеют показатели преломления, отличающиеся не более чем на 0,1. Эта заливочная масса может непосредственно включать светодиодный кристалл, но его можно также залить прозрачной заливочной массой (следовательно, в этом случае имеется прозрачная заливочная масса и заливочная масса с люминофором). Благодаря похожим показателям преломления на поверхностях раздела почти нет потерь из-за отражения.

Предпочтительно, полимерная линза имеет выемку сферической или эллипсоидальной формы, заполненную заливочной массой так, что светодиодная матрица закреплена на незначительном расстоянии от полимерной линзы. Таким образом можно уменьшить высоту механической сборки. Для того чтобы добиться равномерного распределения люминофора, целесообразно люминофор суспендировать предпочтительно в неорганической матрице. При применении, по меньшей мере, двух люминофоров целесообразно отдельно суспендировать в матрицах, по меньшей мере, два люминофора, расположенных друг за другом в направлении распространения света. Благодаря этому можно снизить концентрацию люминофоров по сравнению с гомогенной дисперсией различных люминофоров.

Ниже представлены важные этапы изготовления люминофоров в предпочтительном варианте осуществления изобретения.

Для изготовления люминофоров на основе ортосиликатов щелочно-земельных металлов соответственно выбранному составу тщательно смешиваются в стехиометрических количествах исходные вещества - карбонат щелочно-земельного металла, диоксид кремния, а также оксид европия, которые в ходе твердофазной реакции, обычной для изготовления светящихся красок, в восстановительной атмосфере при температурах в диапазоне от 1100° С до 1400° С превращаются в требуемый люминофор. При этом для кристалличности выгодно добавлять в реакционную смесь небольшие доли, предпочтительно меньше 0,2 моля, хлорида аммония или других галогенидов. В заявленном изобретении можно также заменить часть кремния германием, бором, алюминием, фосфором, путем добавки соединений названных элементов в соответствующих количествах, которые можно подвергнуть термическому разложению в окислах. Подобным образом можно добиться встраивания незначительных количеств ионов щелочно-земельных металлов в соответствующую кристаллическую решетку.

Полученные люминофоры на основе ортосиликатов согласно данному изобретению излучают на длинах волн примерно от 510 нм до 600 нм и имеют полуширину пика до 110 мм.

Благодаря соответствующим параметрам реакции и благодаря определенным добавкам, например, ионов одновалентных галогенидов и/или щелочно-земельных металлов, гранулометрический состав люминофоров согласно данному изобретению можно оптимально приспособить к требованиям соответствующего применения, не используя причиняющие повреждения процессы механического измельчения. Таким способом можно установить все узко- и широкополосные гранулометрические составы со средними размерами зерен d₅₀ примерно от 2 мкм до 20 мкм.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие преимущества изобретения поясняются ниже при помощи примеров осуществления изобретения и рисунков.

На фиг. 1-6 показаны спектры (относительная интенсивность I в зависимости от длины волны) различных светодиодных источников света согласно данному изобретению, а на фиг. 7-10 показаны различные варианты осуществления светодиодных источников света согласно данному изобретению.

Лучшие варианты осуществления изобретения

На фиг. 1 показан спектр излучения белого светодиода с цветовой температурой 2700 К, который возник в результате комбинации синего светодиода, излучающего в первой спектральной области с центральной длиной волны 464 нм, и люминофора согласно данному изобретению, имеющего состав (Sr_1,4Ca_0,6SiО₄:Eu²⁺), излучающего во второй спектральной области с максимумом 596 нм.

Другие примеры комбинации светодиода, излучающего на длине волны 464 нм, с одним люминофором на основе ортосиликата согласно данному изобретению представлены на фиг. 2 и 3. Если для преобразования цвета применяется люминофор, излучающий желтый свет, с составом Sr_1,90Ba_0,08Ca₀,₀₂SiO₄: Eu²⁺, можно установить цвет белого света с цветовой температурой 4100 К, в то время как при применении люминофора с составом Sr_1,84Ba_0,16SiО₄:Eu²⁺ можно изготовить источник белого света с цветовой температурой 6500 К.

Типичный спектр для комбинации светодиода на 464 нм с двумя люминофорами на основе ортосиликата согласно данному изобретению показан на фиг. 4. Применяемые светящиеся краски имеют составы Sr_1,4Ca_{0, 6}SiО₄:Eu²⁺ и Sr_1,00Ba_1,00SiО₄: Eu²⁺. Для конкретного спектра, представленного на фиг. 4, получаются цветовая температура 5088 К и индекс цветовоспроизведения Ra=82. Разумеется, в зависимости от выбранных количественных соотношений люминофоров можно реализовать все цветовые температуры в диапазоне примерно от 5500 К до 7500 К, причем большое преимущество такого рода смесей из двух люминофоров на основе ортосиликата щелочно-земельных металлов согласно данному изобретению состоит в том, что одновременно можно получить значения Ra больше 80.

Это в виде примера иллюстрируется на фиг. 5. Представленный спектр относится к комбинации светодиода на 464 нм со смесью из двух люминофоров Sr_1,6 Ca_0,4Si_0,98Ga_0,02°₄:Eu²⁺ и Sr_1,10Ba_0,90SiО₄: Eu²⁺ и при цветовой температуре 5000 К обеспечивает значение Ra=82.

Если в качестве элемента, испускающего излучение, применяется ультрафиолетовый светодиод, излучающий в первой спектральной области с максимумом 370-390 нм, то благодаря комбинации такого светодиода со смесью светящихся красок, которая содержит люминофоры, см. фиг. 4, согласно данному изобретению, и наряду с этим определенную долю светящейся краски на основе алюмината бария-магния: Eu, Мn, излучающей сине-зеленый цвет, можно реализовать значения Ra больше 90. На фиг. 6 показан спектр излучения соответствующего источника белого света, который при цветовой температуре 6500 К имеет Ra=91.

Другие примеры можно взять из нижеследующего списка, в котором, наряду с длиной волны излучения применяемого неорганического светодиода и соответствующего состава люминофоров согласно данному изобретению, указаны результирующие цветовые температуры и значения Ra, а также координаты цветности источников света:

Т=2778 К (464 нм + Sr_1,4Ca_0,6SiO₄: Eu²⁺); x=0,4619, у=0,4247, Ra=72;

Т=2950 К (464 нм + Sr_1,4Ca_0,6SiO₄: Eu²⁺); x=0,4380, у=0,4004, Ra=73;

Т=3497 К (464 нм + Sr_1,6Ba_0,4SiO₄: Eu²⁺); x=0,4086, у=0,3996, Ra=74;

Т=4183 К (464 нм + Sr_1,9Ba_0,08Ca_0,02SiО₄: Eu²⁺); x=0,3762, у=0,3873; Ra=75;

Т=6624 К (464 нм + Sr_1,9Ba_0,02Ca_0,08 SiО₄: Eu²⁺); x=0,3101, у=0,3306; Ra=76;

Т=6385 К (464 нм + Sr_1,6Ca_0,4SiО₄: Еu²⁺ + Sr_0,4Ba_1,6 SiО₄: Eu²⁺); x=0,3135, у=0,3397, Ra=82;

Т=4216 К (464 нм + Sr_1,9Ba_0,08Ca_0,02SiО₄: Eu²⁺); x=0,3710, у=0,3696; Ra=82;

Т=3954 К (464 нм + Sr_1,6Ba_0,4SiО₄: Eu²⁺ + Sr_0,4Ba_1,6SiО₄: Еu²⁺ + YVО₄: Eu²⁺; x=0,3756, у=0,3816, Ra=84;

Т=6489 К (УФ светодиод + Sr_1,6Ca_0,4SiО₄: Eu²⁺ + Sr_0,4Ba_1,6SiО₄: Eu²⁺ + алюминат бария-магния: Еu²⁺); х=0,3115, у=0,3390, Ra=86;

Т=5097 К (464 нм + Sr_1,6Ba_0,4(Si_0,98B_0,01) О₄: Eu²⁺ + Sr_0,6Ba_1,4SiО₄: Eu²⁺); x=0,3423, у=0,3485, Ra=82;

Т=5084 К (УФ светодиод + Sr_1,6Ca_0,4(Si_{0, 99}B_0,01) SiО₄: Eu²⁺ + Sr_0,6Ba_1,4SiО₄: Eu²⁺ + алюминат стронция-магния: Eu²⁺); x=0,3430, у=0,3531, Ra=83;

Т=3369 К (464 нм + Sr_1,4Ca_0,6Si_0,95Ge_0,05°₄: Eu²⁺; x=0,4134, у=0,3959, Ra=74;

Т=2787 К (466 нм + Sr_1,4Ca_0,6Si_0,98P_0,02°₄: Eu²⁺); x=0,4630, у=0,4280, Ra=72;

Т=2913 К (464 нм + Sr_1,4Ca_0,6 Si_0,98Al_0,02°₄: Eu²⁺); x=0,4425, у=0,4050, Ra=73;

Т=4201 К

В предпочтительном варианте осуществления изобретения формирование цвета осуществляется следующим образом:

На печатной плате 2 собираются один или несколько светодиодных кристаллов 1 (см. фиг. 7). Непосредственно над светодиодами размещается средство герметизации в корпусе 3 в форме полусферы или полуэллипсоида (с одной стороны, для защиты светодиодных кристаллов и, с другой стороны, для обеспечения улучшенного вывода света, созданного в светодиоде). Это средство герметизации в корпусе 3 или может содержать в себе каждый кристалл по отдельности, или может представлять собой общую форму для всех кристаллов.

Смонтированная печатная плата 2 такого рода вставляется в рефлектор 4, или рефлектор накладывается поверх светодиодных кристаллов 1.

На рефлекторе 4 устанавливается световой диск 5. Он служит, с одной стороны, для защиты микросборки; с другой стороны, в этот световой диск вводятся люминофоры 6. Синий свет (или ультрафиолетовое излучение), проходящий через световой диск 5, при прохождении частично преобразуется люминофором 6 во вторую спектральную область, так что в целом получается глубина белого цвета. Потери вследствие эффектов волноводов, возникающих в плоскопараллельных пластинах, уменьшаются благодаря свойствам непрозрачности и рассеяния диска. Далее, рефлектор 4 обеспечивает попадание на световой диск только что предварительно направленного света, так что эффекты полного отражения сразу ослабляются.

Можно также нанести люминофор 6 на рефлектор 4, как это представлено на фиг. 8. В этом случае световая шайба не нужна.

В качестве альтернативы этому над каждым светодиодным кристаллом 1 (см. фиг. 9) можно насадить рефлектор 4’ и залить его в форме купола (средство герметизации в корпусе 3’), и над каждым рефлектором 3’ или над всей микросборкой разместить световой диск 5.

Для изготовления источников освещения целесообразно вместо отдельных светодиодов применять матрицы светодиодов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения формирование цвета осуществляется на матрице светодиодов 1’ (см. фиг. 10), у которой светодиодные кристаллы 1 собираются непосредственно на печатной плате 2, следующим образом:

Матрица светодиодов 1’ (см. фиг. 10) приклеивается при помощи заливочной массы (3) (например, эпоксида) к прозрачной полимерной линзе 7, которая состоит из другого материала (например, РММА (полиметилметакрилат)). Материалы полимерной линзы 7 и заливочной массы 3 выбираются так, чтобы их показатели преломления были как можно более близкими, т.е. согласованными по фазе. Заливочная масса 3 находится в выемке максимально сферической или эллипсоидальной формы полимерной линзы 7. Форма выемки имеет значение постольку, поскольку в заливочной массе 3 диспергирован материал для конверсии цвета. Поэтому посредством придания формы можно обеспечить создание цветов излучения, независимых от угла. В качестве альтернативы этому матрицу можно сначала залить прозрачной заливочной массой, а затем приклеить к полимерной линзе при помощи заливочной массы, которая содержит в себе материал для конверсии цвета.

Для изготовления белых светодиодов с особо хорошим цветовоспроизведением, в которых используются, по меньшей мере, два различных люминофора, целесообразно диспергировать их не вместе в матрице, а диспергировать и наносить по отдельности. Это особенно относится к комбинациям, в которых окончательный цвет света создается в результате многоступенчатого процесса формирования цвета. Это значит, что цвет самого длинноволнового излучения генерируется в процессе излучения, который протекает следующим образом: поглощение излучения светодиода первым люминофором - излучение первого люминофора - поглощение излучения первого люминофора вторым люминофором и излучение второго люминофора. Особенно предпочтительно для процесса такого рода размещать отдельные материалы друг за другом в направлении распространения света, поскольку благодаря этому можно снизить концентрацию материалов по сравнению с гомогенной дисперсией различных материалов.

Данное изобретение не ограничивается описанными примерами. Люминофоры можно было бы также вводить в полимерную линзу (или другую оптику). Можно также размещать люминофор непосредственно поверх светодиодного кристалла или на поверхности прозрачной заливочной массы. Люминофор можно также вводить в матрицу вместе с рассеивающими частицами. Благодаря этому предотвращается осаждение частиц в матрице и обеспечивается равномерный выход света.

Реферат

Использование: в приборах на светодиодах, испускания синего и/или ультрафиолетового излучения. Технический результат изобретения: создание источника излучения, позволяющего получать излучение в ультрафиолетовой области или в области синего цвета (от 370 нм до 490 нм), способного создавать белый свет с повышенным коэффициентом полезного действия, обеспечения возможности регулирования в широком диапазоне световых температур. Сущность: Источник света со светоизлучающим элементом, который испускает излучение в первой спектральной области, и с люминофором, который происходит из группы ортосиликатов щелочно-земельных металлов и который поглощает часть излучения источника света и испускает излучение в другой спектральной области. Согласно данному изобретению люминофор представляет собой активированный двухвалентным европием ортосиликат щелочно-земельного металла следующего состава: (2-х-у) SrO · х(Ва_u, Са_v) O·(1-а-b-с-d) SiO₂ · aP₂O₅ bAl₂O₃ cB₂O₃ dGeO₂: yEu²⁺ и/или (2-х-у) ВаО · х(Sr_u, Са_v) O · (1-а-b-с-d) SiO₂ · аР₂О₅ bAl₂O₃ cB₂O₃ dGeO₂: yEu²⁺. 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Формула