RU2693632C1 - Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum - Google Patents
Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum Download PDFInfo
- Publication number
- RU2693632C1 RU2693632C1 RU2019101475A RU2019101475A RU2693632C1 RU 2693632 C1 RU2693632 C1 RU 2693632C1 RU 2019101475 A RU2019101475 A RU 2019101475A RU 2019101475 A RU2019101475 A RU 2019101475A RU 2693632 C1 RU2693632 C1 RU 2693632C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- led
- light
- photoluminescent
- radiation
- blue
- Prior art date
Links
- 230000005855 radiation Effects 0.000 title claims abstract description 71
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 54
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 8
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 claims description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 15
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 7
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 20
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 13
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 12
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 11
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 9
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 description 9
- 210000001525 retina Anatomy 0.000 description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 210000001747 pupil Anatomy 0.000 description 8
- YJPIGAIKUZMOQA-UHFFFAOYSA-N Melatonin Natural products COC1=CC=C2N(C(C)=O)C=C(CCN)C2=C1 YJPIGAIKUZMOQA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 7
- 229960003987 melatonin Drugs 0.000 description 7
- DRLFMBDRBRZALE-UHFFFAOYSA-N melatonin Chemical compound COC1=CC=C2NC=C(CCNC(C)=O)C2=C1 DRLFMBDRBRZALE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 6
- 230000036541 health Effects 0.000 description 6
- 230000003054 hormonal effect Effects 0.000 description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 6
- 235000020280 flat white Nutrition 0.000 description 5
- 229940088597 hormone Drugs 0.000 description 5
- 239000005556 hormone Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 5
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 5
- 206010025421 Macule Diseases 0.000 description 4
- 230000009102 absorption Effects 0.000 description 4
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 4
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 4
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 4
- -1 fluoroacrylates Chemical class 0.000 description 4
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 4
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 4
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 description 4
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 4
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102100025912 Melanopsin Human genes 0.000 description 3
- 230000027288 circadian rhythm Effects 0.000 description 3
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 3
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 description 3
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 108010005417 melanopsin Proteins 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 238000009877 rendering Methods 0.000 description 3
- 230000002207 retinal effect Effects 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 208000002177 Cataract Diseases 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 2
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 208000030533 eye disease Diseases 0.000 description 2
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 2
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005286 illumination Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 2
- 230000008447 perception Effects 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 231100000760 phototoxic Toxicity 0.000 description 2
- 239000005020 polyethylene terephthalate Substances 0.000 description 2
- 239000002096 quantum dot Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 2
- DVMSVWIURPPRBC-UHFFFAOYSA-N 2,3,3-trifluoroprop-2-enoic acid Chemical class OC(=O)C(F)=C(F)F DVMSVWIURPPRBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010006187 Breast cancer Diseases 0.000 description 1
- 208000026310 Breast neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 1
- 102000014824 Crystallins Human genes 0.000 description 1
- 108010064003 Crystallins Proteins 0.000 description 1
- 229920001651 Cyanoacrylate Polymers 0.000 description 1
- 208000020401 Depressive disease Diseases 0.000 description 1
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 1
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000003098 Ganglion Cysts Diseases 0.000 description 1
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 1
- 229920004936 Lavsan® Polymers 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- MWCLLHOVUTZFKS-UHFFFAOYSA-N Methyl cyanoacrylate Chemical compound COC(=O)C(=C)C#N MWCLLHOVUTZFKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100476480 Mus musculus S100a8 gene Proteins 0.000 description 1
- 206010028980 Neoplasm Diseases 0.000 description 1
- 206010034972 Photosensitivity reaction Diseases 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N Sulphide Chemical compound [S-2] UCKMPCXJQFINFW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000005400 Synovial Cyst Diseases 0.000 description 1
- 206010047531 Visual acuity reduced Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 239000004110 Zinc silicate Substances 0.000 description 1
- ZOLPSCMPTIXCMK-UHFFFAOYSA-N [Gd].[Y].[Ce] Chemical compound [Gd].[Y].[Ce] ZOLPSCMPTIXCMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 150000001252 acrylic acid derivatives Chemical class 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000259 anti-tumor effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 208000003464 asthenopia Diseases 0.000 description 1
- 210000004556 brain Anatomy 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000003532 cataractogenesis Effects 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000005387 chalcogenide glass Substances 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 210000004087 cornea Anatomy 0.000 description 1
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 208000029436 dilated pupil Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 208000035475 disorder Diseases 0.000 description 1
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 1
- 230000009982 effect on human Effects 0.000 description 1
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000000695 excitation spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000004438 eyesight Effects 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N haloperidol Chemical compound C1CC(O)(C=2C=CC(Cl)=CC=2)CCN1CCCC(=O)C1=CC=C(F)C=C1 LNEPOXFFQSENCJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000007124 immune defense Effects 0.000 description 1
- 210000000987 immune system Anatomy 0.000 description 1
- 230000003308 immunostimulating effect Effects 0.000 description 1
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000006194 liquid suspension Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000036542 oxidative stress Effects 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 208000007578 phototoxic dermatitis Diseases 0.000 description 1
- 231100000018 phototoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 230000035790 physiological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 239000000049 pigment Substances 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920006267 polyester film Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000139 polyethylene terephthalate Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 description 1
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001376 precipitating effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 230000003304 psychophysiological effect Effects 0.000 description 1
- 238000010298 pulverizing process Methods 0.000 description 1
- 230000009103 reabsorption Effects 0.000 description 1
- 230000028327 secretion Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 208000019116 sleep disease Diseases 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 description 1
- 229920001169 thermoplastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004416 thermosoftening plastic Substances 0.000 description 1
- 230000004304 visual acuity Effects 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- XSMMCTCMFDWXIX-UHFFFAOYSA-N zinc silicate Chemical compound [Zn+2].[O-][Si]([O-])=O XSMMCTCMFDWXIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019352 zinc silicate Nutrition 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F21—LIGHTING
- F21V—FUNCTIONAL FEATURES OR DETAILS OF LIGHTING DEVICES OR SYSTEMS THEREOF; STRUCTURAL COMBINATIONS OF LIGHTING DEVICES WITH OTHER ARTICLES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F21V9/00—Elements for modifying spectral properties, polarisation or intensity of the light emitted, e.g. filters
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L33/00—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L33/48—Semiconductor devices having potential barriers specially adapted for light emission; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by the semiconductor body packages
- H01L33/50—Wavelength conversion elements
- H01L33/501—Wavelength conversion elements characterised by the materials, e.g. binder
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Led Device Packages (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates.
Изобретение относится к электротехнике и электронной технике, более конкретно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), еще более конкретно к источникам белого света на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами.The invention relates to electrical engineering and electronic engineering, more specifically to light sources based on semiconductor light emitting diodes (LEDs), more specifically to white light sources based on LEDs with conversion photoluminophores.
Уровень техникиThe level of technology
Технология твердотельного освещения завоевывает рынок освещения, благодаря достижениям в разработке эффективных СИД, особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности освещения среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят широкое применение в тех осветительных устройствах, типа линейных и уличных светильников, в которых осветитель относительно велик и сильно нагревающиеся СИД могут быть распределены так, чтобы облегчить эффективный отвод тепла от них. Разработка светодиодных заменителей традиционных ламп накаливания и галогенных ламп с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, ввиду значительных перспектив в решении проблемы энергосбережения является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение сильно затруднено ограничениями объема для размещения управляющей электроники (драйверов) и относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких лампах. Белые СИД часто включают синий СИД, покрытый фотолюминофором YAG:Ce. Высокомощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно 30-45%, при приблизительно 550-700 мВт, выделяемых на нагревание прибора из каждого приложенного ватта. Кроме того, считается, что при преобразовании фотолюминофором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7% при температуре 25-125 °C, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 20% при той же самой температуре. Таким образом, в высокомощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.Solid state lighting technology is conquering the lighting market, thanks to advances in the design of efficient LEDs, especially nitride (InGaN), and the highest attainable lighting efficiency among all known white light sources. LED solutions are widely used in lighting devices, such as linear and street lamps, in which the illuminator is relatively large and the highly heated LEDs can be distributed so as to facilitate efficient heat removal from them. The development of LED substitutes for incandescent bulbs and halogen lamps with a small form factor with a high luminous flux, in view of the considerable prospects in solving the problem of energy saving, is one of the most relevant modern scientific and technical problems, but its solution is greatly hampered by volume limitations for the placement of control electronics ( drivers) and a relatively small surface for dissipating the heat emitted by LEDs in such lamps. White LEDs often include blue LEDs coated with a YAG: Ce photoluminous phosphor. High-power (one watt or more) blue LEDs have an efficiency of approximately 30-45%, with approximately 550-700 mW allocated for heating the instrument from each applied watt. In addition, it is believed that when photoluminophore converts blue light into yellow light in white LEDs, approximately 20% of the incident light energy is spent on heating the phosphorus. Technical specifications indicate that the power loss of blue LEDs is approximately 7% at a temperature of 25-125 ° C, while the power loss of white LEDs is approximately 20% at the same temperature. Thus, high-power white LEDs have significant limitations on heat and light fluxes.
Основу любой СИД лампы, предназначенной для замены стандартных ламп белого свечения, составляют чипы СИД. Белый свет зачастую получается в результате смешения излучения комбинации чипов СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного, или синего и оранжевого и др. The basis of any LED lamp designed to replace standard white light bulbs are LED chips. White light is often obtained by mixing the radiation of a combination of LED chips with different colors of radiation, for example, blue, green and red, or blue and orange, etc.
Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении синего или УФ излучения чипа СИД. However, in recent years, white light sources based on LEDs with photoluminophores converters, which emit yellow or orange (red) radiation when absorbing blue or UV radiation from an LED chip, have come to the forefront in scale of use.
Общим серьезным недостатком существующих светодиодных источников белого света является вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения с длиной волны 450-470 нм, непосредственно попадающего в глаз человека от светодиодных светильников в силу принципа их работы, при котором синее излучение СИД с относительно высокой интенсивностью именно в диапазоне длин волн 450-470 нм непосредственно формирует спектр белого излучения светодиодного светильника, смешиваясь, например, с желтым излучением фотолюминофора, возбуждаемого СИД. Лампы накаливания являются эталоном в смысле обеспечения естественного цветовоспроизведения освещаемых объектов, поскольку имеют близкий к 100 индекс цветопередачи (CRI), являющийся объективной мерой способности света, генерируемого источником, точно передавать широкий спектр цветов.A common serious disadvantage of existing LED white light sources is the harmful effect on the human body of intense blue radiation with a wavelength of 450-470 nm, which directly enters the human eye from LED lamps due to the principle of their operation, in which blue LED radiation with a relatively high intensity is in The wavelength range of 450-470 nm directly forms the white emission spectrum of the LED luminaire, mixing, for example, with the yellow emission of the photoluminescent phosphor, exciting LED. Incandescent bulbs are the benchmark in terms of ensuring the natural color reproduction of illuminated objects, since they have a color rendering index (CRI) close to 100, which is an objective measure of the ability of light generated by a source to accurately convey a wide range of colors.
В связи с быстрым распространением светодиодных источников света обострился интерес к медико-биологическим аспектам их применения, в первую очередь, влиянию «нового» света на психофизиологическое состояние человека, а также возможным отдаленным последствия светодиодного освещения на здоровье. Актуальность проблемы сопряжена с тем, что спектр излучения наиболее массовых белых СИД с люминофорным покрытием на основе YAG:Ce заметно отличается от такового для ламп других типов, а также от спектра солнечного света наличием сильной полосы именно в синей области спектра 450-470 нм («избыточный синий») и провалом в области голубого света 480 нм, оказывающих сильное влияние на циркадный ритм (биоритм) человеческого организма.In connection with the rapid spread of LED light sources, interest in the medical and biological aspects of their use, primarily the influence of the “new” world on the human psychophysiological state, as well as the possible long-term effects of LED lighting on health, has intensified. The urgency of the problem is related to the fact that the emission spectrum of the most popular white LEDs with a phosphor coating based on YAG: Ce differs markedly from that of other types of lamps, as well as from the spectrum of sunlight by the presence of a strong band in the blue region of the spectrum 450-470 nm (“ excess blue ”) and a dip in the blue light region of 480 nm, which have a strong influence on the circadian rhythm (biorhythm) of the human body.
Человеческие биоритмы, являясь плодом эволюции человека, происходившей под непосредственным воздействием Солнца, контролируются гормональной системой, которая, в свою очередь управляется воздействием внешнего освещения, практически единственным источником которого на протяжении существования человека как вида было Солнце, которое управляло биоритмами человеческого организма. Пламя костра или лучины, а затем свет свечи или лампочки накаливания, использовавшиеся для освещения в вечернее время на протяжении многих веков истории человека, не нарушали биоритмов человеческого организма, благодаря подобию их спектров солнечному спектру на закате. В вечернее время человеческий глаз ориентирован на восприятие красно-желтого цвета, синий свет повышает напряжение глаз и может снизить остроту зрения.Human biorhythms, being the fruit of human evolution occurring under the direct influence of the Sun, are controlled by the hormonal system, which, in turn, is controlled by external lighting, the only source of which during the existence of man as a species was the Sun, which controlled the biorhythms of the human body. The flames of a campfire or torch, and then the light of a candle or incandescent bulbs used to illuminate the human history for centuries in the evening, did not violate the biorhythms of the human body, due to the similarity of their spectra to the solar spectrum at sunset. In the evening, the human eye is focused on the perception of red-yellow color, blue light increases eye strain and can reduce visual acuity.
Последние зарубежные исследования по светодиодному освещению выявили механизмы влияния спектра прямого светодиодного освещения на биологические часы человека и его гормональную систему. Это влияние обусловлено значительным содержанием синей составляющей в спектре белого светодиода, возрастающей со временем вследствие высокой рабочей температуры светодиода и старения его люминофора.Recent foreign studies on LED lighting have revealed the mechanisms that influence the spectrum of direct LED lighting on a human biological clock and its hormonal system. This effect is due to the significant content of the blue component in the spectrum of the white LED, which increases with time due to the high operating temperature of the LED and the aging of its phosphor.
«Избыточный синий» свет в вечернее время суток воспринимается гормональной системой как пребывание человека при дневном свете. Таким образом блокируется выработка мелатонина - гормона, который отвечает за качество сна - циркадные ритмы человека сбиваются и появляются проблемы со сном и нарушения режима работы гормональной системы, что мешает важным физиологическим процессам и ведет к ослаблению иммунной защиты, депрессивным расстройствам. снижению работоспособности и другим негативным последствиям для здоровья человека."Excessive blue" light in the evening is perceived by the hormonal system as a person's stay in daylight. Thus, the production of melatonin, a hormone that is responsible for the quality of sleep, is blocked — human circadian rhythms are strayed and sleep problems and disruption of the hormonal system occur, which interferes with important physiological processes and leads to a weakening of the immune defense and depressive disorders. decrease in working capacity and other negative consequences for human health.
Влияние синей составляющей спектра на циркадный ритм осуществляется через пигменты глаз (меланопсин) и гормональную систему человека. The effect of the blue component of the spectrum on the circadian rhythm is through the pigments of the eyes (melanopsin) and the human hormonal system.
По современным представлениям человеческий глаз имеет два канала восприятия излучения:According to modern concepts, the human eye has two channels of radiation perception:
- зрительный, сенсорами для которого являются известные 3 типа колбочек (цветное дневное зрение) и палочки («серое» сумеречное зрение);- visual, the sensors for which are the known 3 types of cones (color day vision) and rods (“gray” twilight vision);
- открытый сравнительно недавно незрительный или биологический канал на основе меланопсинсодержащих ганглиозных клеток, который определяет секрецию гормона мелатонина в кровь и, тем самым, регулирует состояния активности и расслабления. Неправильное освещение и, как следствие, нарушение биохимического состава крови, может вызывать не только расстройство сна и психики, но, при длительной экспозиции, способствовать развитию рака груди. - open relatively recently non-visual or biological channel based on melanopsin-containing ganglion cells, which determines the secretion of the hormone melatonin in the blood and, thereby, regulates the state of activity and relaxation. Improper lighting and, as a consequence, a violation of the biochemical composition of blood, can cause not only a disorder of sleep and psyche, but, with prolonged exposure, contribute to the development of breast cancer.
По этой причине при длительном нахождении человека при искусственном освещении особенно важен спектр света и соотношения его составляющих. Это говорит о том, что культивируемая концепция построения световых приборов для освещения на основе непосредственного использования излучения светодиодов не гарантирует безопасности для глаз человека и его здоровья в целом. Так, например, международная группа исследователей из Университета Хайфы (Израиль), Национального центра геофизических данных (США) и научно-технологического института светового загрязнения (Италия) выяснила, что светодиодные лампы наиболее опасны для здоровья, так как снижают выработку гормона мелатонина, регулирующего биологические часы и имеющего противоопухолевое и иммуностимулирующее действие. Желтые натриевые лампы, например, также обладают этим воздействием, однако в пять раз меньшим и не оказывают столь сильного влияния на здоровье человека.For this reason, when a person is found for a long time under artificial light, the spectrum of light and the ratio of its components are especially important. This suggests that the cultivated concept of building lighting devices for lighting based on direct use of LED radiation does not guarantee safety for the eyes of a person and his health in general. For example, an international team of researchers from the University of Haifa (Israel), the National Center for Geophysical Data (USA) and the Scientific and Technological Institute of Light Pollution (Italy) found that LED lamps are most dangerous to health, as they reduce the production of the hormone melatonin, which regulates biological clock and having antitumor and immunostimulating action. Yellow sodium lamps, for example, also have this effect, but less than five times and do not have such a strong effect on human health.
Мелатонин регулирует работу биологических часов в организме человека, положительно влияет на иммунитет и как следствие частично препятствует развитию опухолей. О том, что синий свет подавляет выработку этого гормона, известно достаточно давно, однако впервые удалось выяснить количественные показатели того, как на человека воздействуют различные типы электрических ламп. Исследователи взяли за единицу уровень подавления выработки мелатонина, который вызывают дающие жёлтый свет натриевые лампы высокого давления. По сравнению с ними светодиодные лампы подавляют выработку мелатонина в пять с лишним раз сильнее (на единицу мощности).Melatonin regulates the work of the biological clock in the human body, has a positive effect on the immune system and as a result partially prevents the development of tumors. The fact that blue light suppresses the production of this hormone is known for a long time, but for the first time we managed to figure out quantitative indicators of how a person is affected by various types of electric lamps. The researchers took per unit the level of suppression of melatonin production, which is caused by high-pressure sodium lamps that give yellow light. Compared to them, LED lamps suppress melatonin production more than five times stronger (per unit of power).
Ряд зарубежных исследований показал, что светодиодные источники света наносят заметный вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза. Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет, который в спектре таких ламп имеет в ряде случаев повышенную до 30% интенсивность по сравнению с обычными лампами накаливания. Это коротковолновое излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов: фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии), фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки) и фотохимические (фотоны синего и фиолетового света могут вызывать химические изменения в структурах сетчатки). Зеленый и белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не было обнаружено. A number of foreign studies have shown that LED light sources cause significant harm to human and animal health by affecting the retina of the eye. The damage is caused by short-wave blue and violet light, which in the spectrum of such lamps has, in some cases, increased intensity up to 30% compared to conventional incandescent lamps. This shortwave radiation causes three types of injuries to the retina: photomechanical (shock energy, light energy waves), photothermal ones (cellulose tissue is heated during irradiation), and photochemical (blue and violet photons can cause chemical changes in retinal structures). Green and white light has much less phototoxicity, and when exposed to the retina with red light, no negative changes were detected.
Солнечный свет является основополагающим для всего живого на земле. Каждое живое существо в силу структурной организации светочувствительных клеток воспринимает ту часть спектра солнечного света, которая жизненно важна для него. Это часть спектра биологически адекватна для физиологии и может служить основой для качественной и количественной оценки того, насколько спектр излучения искусственных источников света подходит для данного биологического объекта, и, соответственно, для создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. Биологически адекватный спектр света - совокупность фотонных потоков, которые формируют матрицу управляющих сигналов, обеспечивающую гармоничную работу функциональных элементов (клеток) зрительного анализатора, гормональной системы человека и биоритмов функционирования мозга.Sunlight is fundamental to all life on earth. Every living creature, due to the structural organization of photosensitive cells, perceives that part of the spectrum of sunlight that is vital for it. This part of the spectrum is biologically adequate for physiology and can serve as the basis for a qualitative and quantitative assessment of how the emission spectrum of artificial light sources is suitable for a given biological object, and, accordingly, for creating LED white light sources with a biologically adequate spectrum. Biologically adequate spectrum of light - a set of photon streams that form a matrix of control signals, ensuring the harmonious operation of the functional elements (cells) of the visual analyzer, the human hormonal system and the biorhythms of the brain.
В значительной степени биологическая адекватность спектра искусственного белого света может оцениваться по эффективности управления диаметром зрачка.To a large extent, the biological adequacy of the spectrum of artificial white light can be assessed by the effectiveness of controlling the diameter of the pupil.
Защитные функции сетчатки глаза адаптированы к условиям солнечного света. Человеческий глаз функционирует как естественная диафрагма: большой поток света сужает зрачок, благодаря чему к сетчатке глаза проходит лишь малый поток света. В условиях же недостаточного освещения зрачок, наоборот, расширяется.The protective functions of the retina are adapted to the conditions of sunlight. The human eye functions as a natural diaphragm: a large stream of light narrows the pupil, so that only a small stream of light passes to the retina of the eye. Under conditions of insufficient illumination, the pupil, on the contrary, expands.
Коротковолновый синий свет может беспрепятственно проходить через роговицу, вызывая воспалительные процессы глаза. Главным механизмом защиты сетчатки от излучения синего света является желтое пятно (макула) в центре сетчатки глаза. Через расширенный зрачок весь избыточный поток синего света напрямую устремляется на сетчатку и попадает на край желтого пятна, которое служит защитой центральной части макулы, то есть туда, где ее плотность мала. Чем ниже плотность желтого пятна, тем выше вероятность возникновения окислительного стресса клеток сетчатки. Адекватное управление зрачком при солнечном свете сокращает диаметр зрачка, тем самым обеспечивая естественную защиту сетчатке глаза. Shortwave blue light can easily pass through the cornea, causing inflammation of the eye. The main mechanism of protection of the retina from the radiation of blue light is the yellow spot (macula) in the center of the retina. Through the dilated pupil all the excess flow of blue light directly directs to the retina and falls on the edge of the macula, which serves as a protection for the central part of the macula, that is, where its density is low. The lower the density of the macula, the higher the likelihood of oxidative stress of retinal cells. Adequate pupil management in sunlight reduces the diameter of the pupil, thereby providing natural retinal protection.
Провал в спектре традиционных светодиодных источников белого света при 480 нм, которого нет в солнечном спектре ни в дневное время, ни на закате, приходится на область максимальной чувствительности меланопсина, определяющего раскрытие зрачка глаза, и, тем самым ведет к неадекватному управлению раскрытием зрачка в условиях обычного светодиодного освещения, приводящему к увеличению площади зрачка и суммарной избыточной дозы синего света, увеличивая риск развития глазных заболеваний.The failure in the spectrum of traditional LED white light sources at 480 nm, which is not in the solar spectrum either during the daytime or at sunset, falls on the region of maximum sensitivity of melanopsin, which determines the pupil opening of the eye, and thus leads to inadequate control of the opening of the pupil under conventional LED lighting, leading to an increase in the area of the pupil and the total excess dose of blue light, increasing the risk of developing eye diseases.
Положение особенно осложняется у детей, поскольку хрусталик детского глаза очень прозрачен и пропускает на 70% больше света, чем у взрослого человека. В таких условиях суммарная избыточная доза синего света травмирует сетчатку глаза, увеличивая риск развития глазных заболеваний. Острота проблемы особо отмечена в решении последнего третьего Всемирного конгресса педиатров-офтальмологов, в котором выделено, что общая тенденция безопасного освещения полупроводниковыми источниками света и видео-безопасного излучения дисплеев такова: необходимо иметь биологически адекватный спектр, который обеспечит гармоничную работу зрительного анализатора и гормональной системы человека.The situation is especially complicated in children, because the lens of the child’s eye is very transparent and transmits 70% more light than an adult. In such conditions, the total excess dose of blue light injures the retina, increasing the risk of developing eye diseases. The acuteness of the problem is highlighted in the decision of the last Third World Congress of Pediatric Ophthalmologists, in which it is emphasized that the general tendency for safe illumination with semiconductor light sources and video-safe radiation of displays is as follows: it is necessary to have a biologically adequate spectrum that will ensure the harmonious functioning of the human hormone system .
Поэтому создания светодиодных источников освещения с биологически адекватным спектром белого света, решаемая в настоящем изобретении, становится все более актуальной, особенно для светодиодных источников света, предназначенных для использования в вечернее время, поскольку новейшие современные светодиодные устройства SunLike (Seoul Semiconductors и Toshiba Chemicals) и лиEye-Pleasing (LG Innotek), которые могут использоваться в дневное время в условиях недостаточного солнечного освещения как дополнительное освещение, непригодны для вечернего домашнего освещения в силу подавления генерации мелатонина высокой синей составляющей их спектра, несмотря на минимизацию провала в спектре при 480 нм. Кроме того, применение таких устройств в дневное время должно производиться с осторожностью, поскольку сегодня уже известно о катарактогенном влиянии на белки хрусталика и скорость развития катаракты коротковолнового излучения, положенного в их основу. В Индии зрительная среда с постоянным ярким солнцем вызывает существенный рост числа больных катарактой.Therefore, the creation of LED lighting sources with a biologically adequate spectrum of white light, solved in the present invention, is becoming increasingly important, especially for LED light sources intended for use in the evening, because the latest modern LED devices SunLike (Seoul Semiconductors and Toshiba Chemicals) and Lee -Pleasing (LG Innotek), which can be used during daytime in conditions of insufficient solar lighting as additional lighting, is unsuitable for evening home lighting in silt melatonin suppressing generation of high blue component of the spectrum, in spite of the minimization dip in the spectrum at 480 nm. In addition, the use of such devices in the daytime should be made with caution, because today it is already known about the cataractogenic effect on lens proteins and the rate of development of the cataract of short-wave radiation underlying them. In India, the visual environment with a constant bright sun causes a significant increase in the number of patients with cataracts.
В патенте US8513873 B2, 20.08.2013, предлагается известное устройство излучения света, включающее в себя множество электрически активных полупроводниковых излучателей (например, светодиодов), имеющих различную спектральную выходную мощность; и/или люминофорный материал, включающий в себя один или несколько люминофоров, предназначенных для приема спектрального выхода по меньшей мере из одного из излучателей твердого тела и для ответного излучения выходного сигнала люминофора для обеспечения спектрального выхода. В одной компоновке несколько светодиодов и несколько фосфоров имеют разные пиковые длины волн и обеспечивают агрегированный световой поток с менее чем четырьмя пиками излучения света. In the patent US8513873 B2, August 20, 2013, a known device for emitting light is proposed, which includes a plurality of electrically active semiconductor emitters (for example, LEDs) with different spectral output power; and / or a phosphor material comprising one or more phosphors intended to receive a spectral output from at least one of the emitters of a solid body and to respond to the radiation of the output signal of the phosphor to provide a spectral output. In one arrangement, several LEDs and several phosphors have different peak wavelengths and provide aggregated light output with less than four light emission peaks.
Светоизлучающее устройство включает в себя отражательную чашку или аналогичную опорную конструкцию, на которой установлен светодиодный чип первого цвета и светодиодный чип второго цвета. В конкретном устройстве такой много-чиповой матрицы первый светодиодный чип представляет собой синий светодиодный чип, а второй светодиодный чип является зеленым светодиодным чипом. Много-чиповая матрица покрыта люминофорным материалом, который в конкретном варианте может включать смесь двух люминофоров, диспергированных в полимерной матрице, такой как поликарбонат. Люминофоры в люминофорном материале выбираются таким образом, чтобы возбуждаться излучением, эмитируемым из много-чиповой матрицы, и в ответ излучать выходное излучение, так что интегральный выход светоизлучающего устройства, получаемый из много-чипового массива и люминофора, имеет желательный спектральный характер.The light emitting device includes a reflective cup or similar support structure on which the first-color LED chip and the second-color LED chip are mounted. In a particular device of such a multi-chip array, the first LED chip is a blue LED chip, and the second LED chip is a green LED chip. The multi-chip matrix is coated with a phosphor material, which in a particular embodiment may comprise a mixture of two phosphors dispersed in a polymer matrix, such as polycarbonate. The phosphors in the phosphor material are selected so as to be excited by radiation emitted from the multi-chip array, and in response to emit the output radiation, so that the integral output of the light-emitting device, obtained from the multi-chip array and the phosphor, has the desired spectral character.
Чтобы охватить желаемый спектральный диапазон, используются два светодиода, темно-синий (имеющий спектральный выход с центром в 460 нм, простирающийся от 440 нм до 480 нм) и зеленый (имеющий спектральный выход с центром в 527 нм, простирающийся от 500 нм до 560 нм). Светодиоды функционируют как источники света и возбуждают смесь двух фотолюминофоров: CaGa2S4:Eu2+, который излучает желтовато-зеленый свет и который возбуждается светом с длиной волны менее 510 нм (50% поглощения), и ZnGa2S4:Mn2+, который испускает оранжево-красный свет при возбуждении светом с длиной волны менее примерно 480 нм (25% поглощения). Размер чипа каждого из двух светодиодных чипов и концентрация каждого из двух люминофоров в люминофорной смеси регулируются для достижения спектрального отклика, аналогичного естественному дневному свету в полдень.To cover the desired spectral range, two LEDs are used, dark blue (having a spectral output with a center at 460 nm, extending from 440 nm to 480 nm) and green (having a spectral output with a center at 527 nm, stretching from 500 nm to 560 nm ). LEDs function as light sources and excite a mixture of two photoluminophores: CaGa 2 S 4 : Eu 2+ , which emits yellowish-green light and which is excited by light with a wavelength of less than 510 nm (50% absorption), and ZnGa 2 S 4 : Mn 2 + , which emits orange-red light when excited by light with a wavelength less than about 480 nm (25% absorption). The chip size of each of the two LED chips and the concentration of each of the two phosphors in the phosphor mixture are adjusted to achieve a spectral response similar to natural daylight at noon.
Конверсионный слой может включать как единственный тип материала фотолюминофора или квантово-точечного материала, так и смесь материалов фотолюминофора и квантово-точечных материалов. Использование смеси более чем одного такого материала, целесообразно, если желателен широкий спектральный диапазон эмитируемого белого излучения (высокий коэффициент цветовоспроизведения). Один из типовых подходов к получению теплого белого света с высоким коэффициентом цветовоспроизведения состоит в том, чтобы использовать излучение смеси желтого и красного конверсионных фотолюминофоров.The conversion layer can include both a single type of photoluminescent material or a quantum-dot material, as well as a mixture of photoluminescent materials and quantum-dot materials. The use of a mixture of more than one such material is advisable if a wide spectral range of emitted white radiation is desired (high color reproduction coefficient). One of the typical approaches to obtaining warm white light with a high color reproduction rate is to use a mixture of yellow and red conversion photoluminescent phosphors.
Считается, что каскадное взаимодействие люминофоров, определяющееся перекрытием между спектром возбуждения фотолюминофора с длинноволновым излучением, например, красным, и спектром излучения фотолюминофора с коротковолновым излучением, например, зелено/желтым, приводящее результате к перепоглощению энергии коротковолновых (зеленых/желтых) фотонов с излучением длинноволновых (красных) фотонов, снижает эффективность светодиода и коэффициент цветопередачи белого излучения. В конкретном примере энергия зеленых/желтых квантов перерабатывается в красные фотоны и ширина дна щели межу спектральными кривыми излучения зеленого/желтого фотолюминофора и синего светодиода, возбуждающего зеленый/желтый фотолюминофор, возрастает. При этом ухудшается коэффициент цветовоспроизведения. Поэтому принято считать, что необходимо минимизировать взаимодействие «коротковолнового» и «длинноволнового» фотолюминофоров. С данным взаимодействием, наиболее ярко выраженным в смеси люминофоров, связана относительно низкая эффективность описанного известного устройства по патенту US8513873 B2. It is believed that the cascade interaction of phosphors, which is determined by the overlap between the excitation spectrum of the photoluminescent phosphor with longwave radiation, for example, red, and the emission spectrum of the photoluminophore with short wavelength radiation, for example, resulting in the reabsorption of the energy of shortwave (green / yellow) photons with longwave radiation. (red) photons, reduces the efficiency of the LED and the color rendition of white radiation. In a specific example, the energy of green / yellow quanta is processed into red photons and the width of the slit bottom between the spectral emission curves of the green / yellow photoluminescent phosphor and the blue LED, which excites the green / yellow photoluminophores, increases. This deteriorates the color reproduction coefficient. Therefore, it is considered that it is necessary to minimize the interaction of “short-wave” and “long-wave” photoluminescent phosphors. With this interaction, the most pronounced in the mixture of phosphors, is associated with the relatively low efficiency of the described known device according to the patent US8513873 B2.
Другими его недостатками являются наличие в спектре пика фототоксичного синего излучения в диапазоне 450-470 нм и провала в области голубого света 480 нм.Its other disadvantages are the presence in the spectrum of a peak of phototoxic blue radiation in the range of 450-470 nm and a dip in the region of blue light of 480 nm.
В патенте US8847478 B2, 30.09.2014, наиболее близком к настоящему изобретению и принятому за прототип, предлагается светодиодная лампочка с матрицей светодиодных чипов и двумя материалами преобразования (люминофоры) для обеспечения белого света, которая включает в себя вспомогательное крепление, включающее в себя первую и вторую области монтажа матрицы чипов. Первый светодиодный чип установлен на первой области монтажа матрицы, а второй светодиодный чип установлен на второй области монтажа матрицы. Светодиодная лампа сконфигурирована так, чтобы излучать свет, имеющий спектральное распределение, включающее по меньшей мере четыре разных пика цвета для обеспечения белого света. Например, первый материал преобразования может, по меньшей мере, частично покрывать первый светодиодный чип и может быть выполнен с возможностью поглощения, по меньшей мере, части света первого цвета и повторного излучения света третьего цвета. Кроме того, второй материал преобразования может по меньшей мере частично покрывать первый и/или второй светодиодные чипы и может быть выполнен с возможностью поглощения, по меньшей мере, части света первого и/или второго цветов и повторного излучения света четвертого цвета. Связанные световые приспособления и способы также раскрыты.In the patent US8847478 B2, 09/30/2014, which is closest to the present invention and adopted as a prototype, an LED light bulb with a matrix of LED chips and two conversion materials (phosphors) is proposed for providing white light, which includes an auxiliary mount including the first and The second area of mounting matrix chips. The first LED chip is mounted on the first die mounting area, and the second LED chip is mounted on the second die mounting area. The LED lamp is configured to emit light having a spectral distribution including at least four different color peaks to provide white light. For example, the first conversion material may at least partially cover the first LED chip and may be configured to absorb at least a portion of the light of the first color and re-emit light of the third color. In addition, the second conversion material may at least partially cover the first and / or second LED chips and may be adapted to absorb at least a portion of the light of the first and / or second colors and re-emit light of the fourth color. Related light fixtures and methods are also disclosed.
Недостатками светодиодной лампочки по патенту US8847478 B2 также являются наличие в спектре пика фототоксичного синего излучения в диапазоне 450-470 нм и провала в области голубого света 480 нм.The disadvantages of the LED bulb according to patent US8847478 B2 are also the presence in the spectrum of a peak of phototoxic blue radiation in the range of 450-470 nm and a dip in the blue light region of 480 nm.
Заявленное изобретение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.The claimed invention eliminates these disadvantages and allows you to achieve the stated technical result.
Раскрытие изобретенияDISCLOSURE OF INVENTION
Технической задачей, которую решает предлагаемое решение, является создание светодиодных ламп с биологически адекватным спектром белого излучения, в которых значительно уменьшено вредное воздействие излучения на человеческий организм, присущее известным техническим решениям, и предназначенных для замены ламп накаливания и стандартных СИД ламп и увеличена надежность и эффективность источника света.The technical problem that the proposed solution solves is the creation of LED lamps with a biologically adequate white radiation spectrum, in which the harmful effects of radiation on the human body inherent in the known technical solutions and intended to replace incandescent and standard LED lamps and to increase reliability and efficiency are significantly reduced. light source.
Технический результат заключается в уменьшении вредного воздействия излучения на человеческий организм, повышении надежности и эффективности источника света.The technical result is to reduce the harmful effects of radiation on the human body, increasing the reliability and efficiency of the light source.
Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата светодиодный источник света с биологически адекватным спектром белого излучения включает не менее двух белых светодиодов, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную крышку, расположенную над печатной платой, причем каждый белый светодиод содержит в отражающем свет корпусе, по меньшей мере, один чип с синим излучением, залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, при этом на теплопроводящей печатной плате дополнительно размещен, по меньшей мере, один светодиод с голубым излучением, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.To solve the problem with the achievement of the stated technical result of the LED light source with a biologically adequate white radiation spectrum includes at least two white LEDs placed on a thermally conductive printed circuit board with electrical leads to connect the LEDs to the power source, and a translucent cover located above the printed circuit board each white LED contains, in a light reflecting case, at least one chip with blue radiation, which is filled with a polymer composition with own photoluminescent phosphorus or a mixture of photoluminophores, while on the heat-conducting printed circuit board is additionally placed at least one LED with blue radiation, covered with a composite photoluminescent film containing a photoluminophore in a transparent base.
Толщина композитной фотолюминесцентной пленки составляет 50-200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.The thickness of the composite photoluminescent film is 50-200 microns, with a content of photoluminophore in the range from 1: 1 to 2: 1 weight fractions with respect to the transparent base.
Композитная фотолюминесцентная пленка содержит фотолюминофор с составом, описываемым стехиометрической формулой Y3-y-zLuyCezAl5-xGaxO12, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.Composite photoluminescent film contains photoluminophore with the composition described by the stoichiometric formula Y 3-yz Lu y Ce z Al 5-x Ga x O 12 , where 1.8 <x <2.1, 0≤y≤2.86, 0.12 ≤z≤0.15.
Поверхность фотолюминесцентной пленки дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем.The surface of the photoluminescent film is additionally covered with a transparent protective layer.
По меньшей мере, один белый светодиод дополнительно покрыт композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.At least one white LED is additionally coated with a composite photoluminescent film containing a photoluminophore in a transparent base.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1. Схематичное изображение светодиодного источника света в разрезе;1. Schematic image of the LED light source in the section;
Фиг.2. Схематичное изображение светодиода в увеличенном виде в разрезе; 2. Schematic image of the LED in an enlarged view in section;
Фиг.3. Устройство печатной платы светодиодного источника света;3. PCB device LED light source;
Фиг.4. Спектр светодиодного источника белого света, показанного на Фиг.3;4. The spectrum of the LED white light source shown in Figure 3;
Фиг.5. Устройство печатной платы светодиодного источника света;5. PCB device LED light source;
Фиг.6. Спектр лампы со светодиодным источником, показанным на Фиг.5;6. The spectrum of the lamp with LED source, shown in Figure 5;
Фиг.7. Спектр фотолюминофора;7. Photoluminescent spectrum;
Фиг.8. Устройство светодиодной лампы;Fig.8. LED lamp device;
Фиг.9. Устройство линейной светодиодной лампы;Fig.9. The device is a linear LED lamp;
Фиг.10. Спектр светодиодной ретрофитной лампы основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения - эквивалента лампы накаливания мощностью 100 Вт;10. The spectrum of the LED retrofit lamp based on the LED light source with a biologically adequate spectrum of white radiation - the equivalent of a 100 W incandescent lamp;
Фиг.11. Спектр линейной светодиодной лампы на основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения.11. The spectrum of a linear LED lamp based on an LED light source with a biologically adequate white light spectrum.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
В основу предлагаемого изобретения поставлена техническая задача создания светодиодного источника белого света (осветителя) малым форм-фактором, использующего конверсию голубого и синего излучения нитридных светодиодов (СИД) с помощью композитных фотолюминесцентных материалов на основе гранатовых фотолюминофоров, при этом максимальная интенсивность излучения осветителя в диапазоне 445-475 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм при коэффициенте цветопередачи излучения осветителя не менее 90, высокой эффективности и цветовой температуре 2500-3500К.The basis of the present invention is the technical task of creating an LED white light source (illuminator) with a small form factor using the conversion of blue and blue emission of nitride LEDs using composite photoluminescent materials based on garnet photoluminophores, with the maximum radiation intensity of the illuminator in the 445 range -475 nm does not exceed the minimum intensity in the range of 479-483 nm with a color rendering coefficient of radiation of the illuminator not less than 90, high efficiency and a color temperature of 2500-3500K.
Заявленный светодиодный источник света (осветитель) с биологически адекватным спектром белого излучения включает группу (не менее двух) типовых, например, плоских белых светодиодов, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один нитридно-галлиевый чип, испускающий синие излучение, а также, по меньшей мере, один голубой светодиод с, по меньшей мере, одним нитридным чипом, излучающим голубое излучение, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную рассеивающую свет крышку, расположенную над печатной платой и предназначенную для вывода, смешения и рассеивания излучения светодиодов, причем на выходных поверхностях светодиодов (всех или только голубых) закреплены, отсутствующие в известных аналогах, композитные фотолюминесцентные пленки, содержащие в прозрачной основе фотолюминофорный материал, конвертирующий излучение чипов в зелено-голубое излучение, спектральный максимум которого расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина спектральной линии составляет не менее 105 нм. В качестве материала, использующегося в фотолюминесцентной пленке заявленного изобретения, отвечающего указанным требованиям, предлагается новый люминофор, состав которого описывается стехиометрической формулой Y3-y-zLuyCezAl5-xGaxO12, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.The claimed LED light source (illuminator) with a biologically adequate white spectrum of radiation includes a group (at least two) of typical, for example, flat white LEDs, each of which contains at least one nitride-gallium chip emitting blue radiation, as well as at least one blue light-emitting diode with at least one nitride chip emitting blue light, placed on a heat-conducting printed circuit board with electrical leads for connecting the light-emitting diodes to the power supply, and semi-direct a bright light-diffusing cover located above the printed circuit board for outputting, mixing and scattering the radiation of LEDs; The radiation of the chips in the green-blue radiation, the spectral maximum of which is located in the range of 510-530 nm, and the half-width of the spectral line is not less than 105 n m As the material used in the photoluminescent film of the claimed invention meeting the specified requirements, a new phosphor is proposed, the composition of which is described by the stoichiometric formula Y 3-yz Lu y Ce z Al 5-x Ga x O 12 , where 1.8 <x <2, 1, 0≤y≤2.86, 0.12≤z≤0.15.
Толщина фотолюминесцентных пленок может быть 50 – 200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе. The thickness of photoluminescent films can be 50 - 200 microns, with a content of photoluminophore in the range from 1: 1 to 2: 1 weight fractions with respect to the transparent base.
Спектры излучения чипов СИД находятся в спектральной области возбуждения предложенного фотолюминофора, причем максимум спектра излучения голубых светодиодных чипов попадает в область в пределах спектрального диапазона с границей, расположенной на коротковолновом крае излучения фотолюминофора на расстоянии равном полуширине спектра излучения фотолюминофора от положения максимума его спектра излучения. Это позволяет при определенных толщинах фотолюминесцентных пленок и концентрациях фотолюминофора в них обеспечить выполнение условия биологической адекватности спектра излучаемого белого света (максимальная интенсивность излучения осветителя в диапазоне 445-475 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм) при высокой эффективности осветителя. При этом расположение максимума спектра поглощения конверсионного слоя в диапазоне 450-470 нм обеспечивает подавление вредной синей составляющей в диапазоне 450-470 нм в излучении белых светодиодов осветителя, незначительно ухудшая при этом коэффициент цветовоспроизведения белого света, благодаря наличию сине-голубой составляющей в диапазоне длин волн около 480 нм, слабо выраженной, например, в излучении наиболее широко применяемых типовых белых СИД, в которых чипы СИД с длинами волн излучения из диапазона 450-470 нм покрыты желтым (желто-оранжевым) фотолюминофором YAG:Ce.The emission spectra of LED chips are in the excitation spectral region of the proposed photoluminescent phosphor, and the emission spectrum of blue LED chips reaches a region within the spectral range with a border located at the short-wave edge of the photoluminescent radiation at a distance of the photoluminor emission maximum of its emission spectrum. This allows for certain thicknesses of photoluminescent films and photoluminescent concentrations in them to ensure that the condition of the biological adequacy of the spectrum of the emitted white light (the maximum radiation intensity of the illuminator in the range of 445-475 nm does not exceed the minimum intensity in the range of 479-483 nm) with a high efficiency of the illuminator. The location of the maximum absorption spectrum of the conversion layer in the range of 450-470 nm ensures the suppression of the harmful blue component in the range of 450-470 nm in the emission of white LEDs of the illuminator, while slightly degrading the color reproduction coefficient of white light, due to the blue component in the wavelength range about 480 nm, weakly pronounced, for example, in the radiation of the most widely used typical white LEDs, in which LED chips with radiation wavelengths from the range 450-470 nm are covered with yellow (yellow-orange th) photoluminescent phosphor YAG: Ce.
Заявленное изобретение детально поясняется Фиг.1-11. The claimed invention is explained in detail in Figure 1-11.
На Фиг.1, схематически показан в разрезе заявленный светодиодный источник света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающий в себя подложку-печатную плату 1, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоский голубой светодиод 3 с фотолюминесцентной пленкой 4, и оптически полупрозрачную матовую крышку 5 для вывода света, охватывающую внутренний объем 6. Проводники, соединяющие светодиоды и электрические выводы не показаны.Figure 1 shows a schematic sectional view of a claimed LED light source with a biologically adequate white light spectrum, including a substrate-printed
На Фиг.2 схематически показан светодиод (белый/голубой) в увеличенном виде в разрезе: 7 –светодиодный чип, 8 - отражательная чашка – корпус исходного светодиода, 9 – собственный конверсионный материал (фотолюминофор или оптически прозрачная заливка) исходного светодиода, 4 – слой конверсионного материала (фотолюминесцентная пленка) для преобразования спектра излучения светодиода, 10 - слой оптически прозрачного клея. Проводники, соединяющие нитридные чипы с 1 подложкой-печатной платой, изображенной на Фиг.1, не показаны.Figure 2 schematically shows an LED (white / blue) in an enlarged sectional view: 7 — LED chip, 8 — reflecting cup — housing of the source LED, 9 — own conversion material (photoluminous or optically transparent fill) of the original LED, 4 — layer conversion material (photoluminescent film) for converting the emission spectrum of the LED, 10 is a layer of optically transparent glue. The conductors connecting the nitride chips to the 1 substrate-printed circuit board shown in Figure 1 are not shown.
На Фиг.3 схематически показано устройство печатной платы светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения в варианте с одним белым светодиодом и шестью голубыми светодиодами, покрытыми фотолюминесцентной пленкой: 1 - теплопроводящая подложка - печатная плата, 2 – белые светодиоды с люминесцентной пленкой 50 мкм, 3 – голубой светодиод с люминесцентной пленкой 130 мкм. Проводники, соединяющие светодиоды между собой и с драйвером не показаны.Figure 3 schematically shows a printed circuit board LED light source with a biologically adequate white spectrum of radiation in the version with one white LED and six blue LEDs covered with photoluminescent film: 1 - thermally conductive substrate - printed circuit board, 2 - white LEDs with a 50 μm fluorescent film , 3 - blue LED with 130 μm luminescent film. The conductors connecting the LEDs to each other and with the driver are not shown.
На Фиг.4 приведен спектр светодиодного источника белого света, показанного на Фиг.3.Figure 4 shows the spectrum of the LED white light source shown in Figure 3.
На Фиг.5 схематически показано устройство печатной платы светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения в варианте с двадцатью четырьмя белыми светодиодами и шестью голубыми светодиодами, покрытыми фотолюминесцентной пленкой: 1 - теплопроводящая подложка - печатная плата, 2 – белые светодиоды с люминесцентной пленкой 50 мкм, 3 – голубой светодиод с люминесцентной пленкой 130 мкм. Проводники, соединяющие светодиоды между собой и с драйвером не показаны.Figure 5 schematically shows a printed circuit board LED light source with a biologically adequate white spectrum of radiation in the version with twenty-four white LEDs and six blue LEDs coated with photoluminescent film: 1 - thermally conductive substrate - printed circuit board, 2 - white LEDs with fluorescent film 50 μm, 3 - blue LED with a fluorescent film of 130 μm. The conductors connecting the LEDs to each other and with the driver are not shown.
На Фиг.6 приведен спектр лампы со светодиодным источником белого света, показанным на Фиг.5.Figure 6 shows the spectrum of the lamp with LED white light source shown in Figure 5.
На Фиг.7 приведен спектр фотолюминофора Y2,79Ce0,12Lu0,09Al3,1Ga1,9O12. Figure 7 shows the spectrum of the photoluminous Y 2.79 Ce 0.12 Lu 0.09 Al 3.1 Ga 1.9 O 12.
На Фиг.8 схематически показано устройство светодиодной лампы на основе предлагаемого в изобретении одного из вариантов осуществления светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающей в себя составную наружную часть, охватывающую внутренний объем 6. Рядом с базовым концевым электрическим контактом 11 расположены изолятор 12 и электрический контактный цоколь 13. Между оптически полупрозрачной матовой крышкой для вывода света 5, и цоколем 13 расположен корпус 15, который включает в себя множество охлаждающих ребер 14. В одном варианте осуществления корпус 15 выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность (например, алюминия) с множеством ребер 14, образованных в нем. Оптическая полупрозрачная матовая крышка для вывода света 5 может быть изготовлена из материала, имеющего высокий коэффициент пропускания, иметь разную толщину, качество поверхности или рисунки и/или содержать различные материалы для придания различных оптических свойств лучам, излучаемым в разных направлениях из лампы, например, выше или ниже теплопроводящей подложки-печатной платы, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоский голубой светодиод 3 с фотолюминесцентной пленкой 4. Проводники, соединяющие контакты с драйвером и подложкой-печатной платой не показаны.FIG. 8 shows schematically a device of an LED lamp based on one embodiment of the invention of an LED light source with a biologically adequate white emission spectrum including an integral external part covering the
На Фиг.9 схематически показано устройство линейной светодиодной лампы на основе предлагаемого в изобретении одного из вариантов осуществления светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающей в себя составную наружную часть, охватывающую внутренний объем 6. Между оптически полупрозрачной матовой крышкой для вывода света 5 и теплопроводящей подложкой-печатной платой 1 расположен корпус 15. В одном варианте осуществления корпус 15 может быть выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность (например, алюминия) с множеством ребер, образованных в нем. Оптическая полупрозрачная матовая крышка для вывода света 5 может быть изготовлена из материала, имеющего высокий коэффициент пропускания, иметь разную толщину, качество поверхности или рисунки и/или содержать различные материалы для придания различных оптических свойств лучам, излучаемым в разных направлениях из лампы, например, выше или ниже теплопроводящей подложки-печатной платы 1, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоские голубые светодиоды 3 с фотолюминесцентной пленкой, отражатель-рассеиватель 16, выполненный, например, из пленки WhiteOptics® F16-98 фирмы White Optics, LLC (США). Проводники, соединяющие контакты с подложкой-печатной платой не показаны.Figure 9 schematically shows a linear LED lamp device based on one of the embodiments of an LED light source with a biologically adequate white emission spectrum including an integral external part enclosing an
Типичный белый светодиод включает в себя, по крайней мере, один нитридно-галлиевый чип с синим излучением в диапазоне 445-465 нм, размещенный в отражательной чашке (в отражающем свет корпусе светодиода), залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, конвертирующим излучение чипа в желтое или желто-красное излучение, дающее в смеси с излучением чипа тепло-белое излучение с коррелированной цветовой температурой 2500-3500К и коэффициентом цветопередачи более 90.A typical white LED includes at least one gallium nitride chip with blue radiation in the 445-465 nm range, placed in a reflective cup (in the light reflecting body of the LED), filled with a polymer composition with its own photoluminophore or a mixture of photoluminophores that converts radiation Chip in yellow or yellow-red radiation, giving a mixture of warm white radiation with a chip radiation with a correlated color temperature of 2500-3500K and a color rendering coefficient of more than 90.
Голубой светодиод включает в себя по крайней мере, один чип с голубым излучением в диапазоне 475-490 нм, размещенный в отражательной чашке (в отражающем свет корпусе светодиода), залитый оптически прозрачным материалом.Blue LED includes at least one chip with blue radiation in the range of 475-490 nm, placed in a reflective cup (in the light reflecting body of the LED), flooded with an optically transparent material.
В заявленном решении, в отличии от известных, в источник света дополнительно включают, по крайней мере, один светодиод с голубым излучением в диапазоне 475-490 нм, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор, преобразующий указанное голубое излучение в зеленое излучение со спектральной линией, пик которой расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина линии составляет не менее 105 нм, причем в суммарном белом излучении указанного светодиодного источника белого света максимальная интенсивность излучения в спектральном диапазоне 459-464 нм не превышает минимальной интенсивности излучения в спектральном диапазоне 479-483 нм. При определенной толщине композитной фотолюминесцентной пленки и концентрации фотолюминофора в ней обеспечивается выполнение условия биологической адекватности спектра излучаемого белого света. Вышеуказанной композитной фотолюминесцентной пленкой могут быть покрыты белые светодиоды. In the claimed solution, in contrast to the known ones, the light source additionally includes at least one light-emitting diode with blue radiation in the range of 475-490 nm, covered with a composite photoluminescent film containing in a transparent base a photoluminophore that converts said blue radiation into green radiation with spectral line, the peak of which is located in the range of 510-530 nm, and the half-width of the line is not less than 105 nm, and in the total white radiation of the specified LED white light source the maximum intensity radiation in the spectral range of 459-464 nm does not exceed the minimum intensity of radiation in the spectral range of 479-483 nm. At a certain thickness of the composite photoluminescent film and the concentration of the photoluminophore in it, the condition of the biological adequacy of the spectrum of the emitted white light is satisfied. The above composite photoluminescent film can be covered with white LEDs.
Светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения работает следующим образом. Излучение голубого светодиодного нитридного чипа 7, в том числе отраженное от отражательной чашки – корпуса 8 исходного голубого светодиода, проходит через оптически прозрачную заливку 9 светодиода и попадает на поверхность слоя конверсионного материала 4 (фотолюминесцентной пленки), служащего для преобразования спектра излучения голубого светодиода в зелено-голубое излучение, далее выходит во внутренний объем, где смешивается с белым излучением плоских белых светодиодов 2, которые также могут быть покрыты слоями конверсионного материала 4, и затем выходит наружу через полупрозрачную матовую крышку для вывода света, которая дополнительно рассеивает и гомогенизирует излучение источника света, при этом создается необходимое спектральное распределение белого цвета, определяемое в значительной степени свойствами материалов конверсионных слоев, в первую очередь составом, дисперсностью фотолюминофоров и толщинами конверсионных слоев. Заявленное решение позволяет исключить или значительно уменьшить вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения.LED white light source with a biologically adequate emission spectrum works as follows. The radiation of the blue LED nitride chip 7, including reflected from the reflective cup - the
Фотолюминесцентные пленки изготавливаются в виде дисперсии в оптически прозрачном для излучений СИД и фотолюминофора материале.Photoluminescent films are made in the form of a dispersion in an optically transparent material for emissions of LEDs and photoluminescent material.
Прозрачные материалы могут включать полимерные и неорганические материалы. Полимерные материалы включают (но не ограничиваются): акрилаты, поликарбонат, флуороакрилаты, перфлуороакрилаты, флуорофосфинатные полимеры, флуоросиликоны, флуорополиимиды, политетрафлуорэтилен, флуоросиликоны, золь-гели, эпоксидные смолы, термопласты, термоусадочные пластмассы и силиконы. Фторсодержащие полимеры особенно полезны в диапазонах ультрафиолетовых длин волн менее, чем 400 нм, и инфракрасных длин волн более, чем 700 нм, вследствие их низкого светопоглощения в этих диапазонах длин волн. Типичные неорганические материалы включают (но не ограничиваются): диоксид кремния, оптические стекла и халькогенидные стекла. Transparent materials may include polymeric and inorganic materials. Polymeric materials include (but are not limited to): acrylates, polycarbonate, fluoroacrylates, perfluoroacrylates, fluorophosphinate polymers, fluorosilicones, fluoropolyimides, polytetrafluoroethylene, fluorosilicones, sol-gels, epoxy resins, thermoplastics, thermo-melts. Fluorine-containing polymers are particularly useful in the ultraviolet wavelength range of less than 400 nm and of infrared wavelengths greater than 700 nm, due to their low absorption in these wavelength ranges. Typical inorganic materials include (but are not limited to): silica, optical glasses, and chalcogenide glasses.
В некоторых случаях предпочтительно введение фотолюминофора в материал фотолюминесцентной пленки, например, прозрачной пластмассы типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила, сформированных экструзией. Фотолюминесцентная пленка при этом может быть предварительно изготовлена в листах. При этом суспензия фотолюминофора, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимера готовится в органическом растворителе. Суспензия затем может быть сформована в лист экструзией или литьем в форму, или выливаться на плоскую подложку, например, стеклянную, с последующим высыханием. Полученный лист может быть отделен от временной подложки, раскроен и прикреплен к светодиоду, используя растворитель или цианакрилатный клей. В конкретном случае из суспензии частиц экспериментального фотолюминофора на основе алюмограната иттрия-гадолиния-церия (Y,Gd,Ce)3Al5O12 в растворе поликарбоната в хлористом метилене были сформованы экструзией листы разной толщины. Пленка должна иметь достаточно большую толщину, чтобы обеспечить достижение необходимых спектральных значений смешанного белого света. Эффективная толщина определяется процессами оптического рассеяния в используемых фотолюминофорах и лежит, например, между 50 и 200 мкм.In some cases, it is preferable to introduce the photoluminescent material into the material of the photoluminescent film, for example, transparent plastics such as polycarbonate, PET, polypropylene, polyethylene, acrylic, formed by extrusion. In this case, the photoluminescent film can be prefabricated in sheets. When this suspension photoluminous, surface-active substances (surfactants) and the polymer is prepared in an organic solvent. The suspension can then be formed into a sheet by extrusion or by casting into a mold, or poured onto a flat substrate, for example glass, followed by drying. The resulting sheet can be separated from the temporary substrate, cut and attached to the LED using solvent or cyanoacrylate glue. In the particular case, a suspension of experimental photoluminophore particles based on yttrium – gadolinium – cerium alumina garnet (Y, Gd, Ce) 3 Al 5 O 12 in a solution of polycarbonate in methylene chloride was formed by extrusion of sheets of different thickness. The film should be large enough to achieve the desired spectral values of mixed white light. The effective thickness is determined by the processes of optical scattering in the used photoluminophores and lies, for example, between 50 and 200 microns.
Использованные в примерах к настоящему изобретению фотолюминесцентные пленки изготовлены на основе двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning (ОЕ) с добавлением специально разработанных фотолюминофоров (ЛФ) с общей стехиометрической формулой: Y3-y-zLuyCezAl5-xGaxO12, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.Used in the examples to the present invention, the photoluminescent films are made on the basis of a two-component silicone compound OE 6636 manufactured by Dow Corning (OE) with the addition of specially developed photoluminophores (LF) with a total stoichiometric formula: Y 3-yz Lu y Ce z Al 5-x Ga x O 12 , where 1.8 <x <2.1, 0≤y≤2.86, 0.12≤z≤0.15.
В частности:In particular:
- ЛФ-5870 [Lu2,85Ce0,15Al4Ga1O12] с λp= 510,8 нм;- LF-5870 [Lu 2.85 Ce 0.15 Al 4 Ga 1 O 12 ] with λ p = 510.8 nm;
- ЛФ-4940 [Y2,79Ce0,12Lu0,09Al3,1Ga1,9O12] с λp = 528 нм;- LF-4940 [Y 2.79 Ce 0.12 Lu 0.09 Al 3.1 Ga 1.9 O 12 ] with λ p = 528 nm;
- ЛФ-5115 [Y2,88Ce0,12Al3Ga2O12] с λp = 525 нм;- LF-5115 [Y 2.88 Ce 0.12 Al 3 Ga 2 O 12 ] with λ p = 525 nm;
- ЛФ-5260 [Y2,88Ce0,12Al2,9Ga2,1O12] с λp = 525 нм.- LF-5260 [Y 2.88 Ce 0.12 Al 2.9 Ga 2.1 O 12 ] with λ p = 525 nm.
В таблице 1 представлены данные по весовым соотношениям силиконовой основы (ОЕ) и люминофоров (ЛФ), а также толщинам использованных пленок:Table 1 presents data on the weight ratios of the silicone base (OE) and phosphors (LF), as well as the thickness of the films used:
Таблица 1Table 1
ОЕ : ЛФRatio
OE: LF
Фотолюминесцентные пленки изготавливались путем тщательного размешивания соответствующих навесок фотолюминофора в предварительно подготовленной смеси из двух исходных компонент силиконового оптического компаунда OE 6636 с последующим нанесением на лавсановую пленку фотолюминесцентной смеси нужной толщины с помощью аппликатора и последующего отжига в воздушной среде в течение 1 часа при температуре 100 °С. После отжига фотолюминесцентная пленка легко отделяется от лавсановой пленки и после раскройки приклеиваются к SMD светодиодам силиконовым оптическим компаундом OE 6636.Photoluminescent films were made by thoroughly stirring the appropriate photoluminescent portions in a previously prepared mixture of two initial components of the OE 6636 silicone optical compound, followed by applying an appropriate photoluminescent mixture to the polyester film of the required thickness using an applicator and subsequent annealing in air for 1 hour at 100 ° C . After annealing, the photoluminescent film is easily separated from the lavsan film and, after being cut, they are attached to the SMD LEDs with a silicone optical compound OE 6636.
Фотолюминофор может быть конформно нанесен как покрытие на поверхность светодиода, например, методами пульверизации, намазывания пасты, осаждения или электрофореза из суспензии фотолюминофора в жидкости. Одна из проблем, связанных с покрытием светодиода фотолюминофором - нанесение однородного воспроизводимого покрытия на светодиод. При покрытии методами пульверизации, нанесения пасты и осаждения используют жидкие суспензии для нанесения частиц фотолюминофора на светодиод. Однородность покрытия сильно зависит от вязкости суспензии, концентрации частиц в суспензии, и факторов окружающей среды, таких, например, как окружающая температура и влажность. Дефекты покрытия, возникающие из-за потоков в суспензии перед высыханием, и ежедневные изменения толщины покрытия, относятся к числу рядовых проблем.The photoluminescent phosphor can be conformally applied as a coating on the surface of an LED, for example, by spraying, smearing, precipitating, or electrophoresis from a photoluminophore suspension in a liquid. One of the problems associated with coating the LED with a photo-phosphor is applying a uniform reproducible coating on the LED. When coating by pulverization, paste application and deposition methods, liquid suspensions are used to apply the photoluminescent particles on the LED. Coating uniformity is highly dependent on the viscosity of the suspension, the concentration of particles in the suspension, and environmental factors, such as ambient temperature and humidity, for example. Coating defects caused by streams in suspension before drying and daily changes in coating thickness are common problems.
Поверхность фотолюминесцентной пленки может быть дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем, который предохраняет от проникновения влаги и/или кислорода в пленку, увеличивая надежность источника света, поскольку некоторые типы фотолюминофоров, например, сульфидных, подвержены повреждениям от воздействия влаги. Защитный слой может быть изготовлен из любого прозрачного материала, который задерживает влагу и кислород, например, из неорганических материалов типа двуокиси кремния, нитрида кремния или окиси алюминия, а также органических полимерных материалов или комбинации полимерных и неорганических слоев. Предпочтительные материалы для защитного слоя – двуокись кремния и нитрид кремния.The surface of the photoluminescent film can be additionally covered with a transparent protective layer that prevents moisture and / or oxygen from penetrating the film, increasing the reliability of the light source, since some types of photoluminophores, such as sulfide, are susceptible to damage from moisture. The protective layer can be made of any transparent material that traps moisture and oxygen, for example, from inorganic materials such as silica, silicon nitride or aluminum oxide, as well as organic polymeric materials or a combination of polymeric and inorganic layers. The preferred materials for the protective layer are silicon dioxide and silicon nitride.
Защитный слой может также выполнять функцию оптического просветления границы зерна фотолюминофора с атмосферой и уменьшать отражение первичного излучения СИД и вторичного излучения фотолюминофора на данной границе, уменьшая поглотительные потери собственного излучения фотолюминофора в его зернах, и тем самым увеличивая эффективность источника света.The protective layer can also perform the function of optical clarification of the grain boundary of the photoluminescent phosphor with the atmosphere and reduce the reflection of the primary LED radiation and the secondary radiation of the photoluminescent phosphor at this boundary, reducing the absorption losses of the photoluminophor own radiation in its grains, and thereby increasing the efficiency of the light source.
Защитный слой может наноситься также путем финишной поверхностной обработки зерен фотолюминофора, при которой, например, на поверхности зерен формируется наноразмерная пленка силиката цинка толщиной 50-100 нм, просветляющая границу зерна фотолюминофора. Состав и толщина пленок подбираются опытным путем для получения биологически адекватного спектра светильника для конкретных типов используемых серийных светодиодов.The protective layer can also be applied by finishing surface treatment of photoluminescent grains, in which, for example, a nano-sized zinc silicate film 50-100 nm thick is formed on the surface of the grains, clarifying the photoluminor grain boundary. The composition and thickness of the films are selected empirically to obtain a biologically adequate spectrum of the lamp for the specific types of serial LEDs used.
Пример 1.Example 1
Светодиодный источник с биологически адекватным спектром белого излучения для автономных светильников изготовлен с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 6 белых типа GTM30302 и одного голубого СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 50 мкм. Фотолюминесцентные пленки созданы на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Lu2,85Ce0,15Al4Ga1O12 в соотношении 1:1,5. Пленки приклеены тем же двухкомпонентным компаундом OE 6636, обладающим высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра. Установившийся световой поток 200 лм при питании от трех последовательно соединенных батареек AA, при CRI 92,6% и ТC 2354К.The LED source with a biologically adequate white light spectrum for stand-alone lamps is made using SMD LEDs manufactured by Lumileds: 6 white GTM30302 and one blue LED of type L135-B475003500001 with glued photoluminescent film 50 μm thick. Photoluminescent films are created on the basis of an optical silicone compound OE 6636 manufactured by Dow Corning with the addition of a photoluminescent Lu 2.85 Ce 0.15 Al 4 Ga 1 O 12 in a 1: 1.5 ratio. The films are glued with the same two-component compound OE 6636, which has a high transparency in the visible spectrum. The steady-state luminous flux of 200 lm when powered from three series-connected AA batteries, with CRI of 92.6% and T C 2354K.
Пример 2.Example 2
Светодиодный источник с биологически адекватным спектром белого излучения для автономных светильников, конфигурация светодиодов которого показана на Фиг.3, а спектр на Фиг.4, изготовлен с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 6 белых типа GTM30302, покрытых фотолюминесцентной пленкой толщиной 100 мкм, и одного голубого СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 150 мкм. Фотолюминесцентные пленки созданы на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Lu2,85Ce0,15Al4Ga1O12 в соотношении 1:1,5. Пленки приклеены тем же двухкомпонентным компаундом OE 6636, обладающим высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра. Спектр использованного фотолюминофора показан на Фиг. 7 (λp = 528 нм). Установившийся световой поток 105 лм при питании от трех последовательно соединенных батареек AA, при CRI 92,6% и ТC 2354К.The LED source with a biologically adequate white light spectrum for stand-alone lamps, the configuration of the LEDs of which is shown in Figure 3, and the spectrum in Figure 4, is made using SMD LEDs manufactured by Lumileds: 6 white type GTM30302 coated with a photoluminescent film with a thickness of 100 μm, and one blue LED of type L135-B475003500001 with glued photoluminescent film 150 μm thick. Photoluminescent films are created on the basis of an optical silicone compound OE 6636 manufactured by Dow Corning with the addition of a photoluminescent Lu 2.85 Ce 0.15 Al 4 Ga 1 O 12 in a 1: 1.5 ratio. The films are glued with the same two-component compound OE 6636, which has a high transparency in the visible spectrum. The spectrum of the photoluminescent phosphor used is shown in FIG. 7 (λ p = 528 nm). The steady-state luminous flux of 105 lm is powered by three series-connected AA batteries, with a CRI of 92.6% and a T C of 2354K.
Пример 3.Example 3
Светодиодная ретрофитная лампа с биологически адекватным спектром белого излучения, спектр которой показан на Фиг.10, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 12-ти белых типа L130-3090003000W21 и трех голубых СИД типа L135-B475003500001. Выходные поверхности голубых СИД покрыты фотолюминесцентной пленкой толщиной 130 мкм, созданной на основе оптического двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Y2,79Ce0,12Lu0,09Al3,1Ga1,9O12 в соотношении 1:1. Пленки приклеены компаундом OE 6636. Установившийся световой поток лампы 800 лм при потребляемой мощности 8,5 Вт, коэффициент мощности 0,45, светоотдача 94,12 лм/Вт, CRI 93%, ТC 3000К.LED retrofit lamp with a biologically adequate white spectrum of radiation, the spectrum of which is shown in Figure 10, is made using SMD LEDs manufactured by Lumileds: 12 white L130-3090003000W21 type and three blue L135-B475003500001 LEDs. The output surfaces of the blue LEDs are coated with a photoluminescent film with a thickness of 130 μm, created on the basis of the optical two-component silicone compound OE 6636 manufactured by Dow Corning with the addition of a photoluminous Y 2.79 Ce 0.12 Lu 0.09 Al 3.1 Ga 1.9 O 12 V ratio of 1: 1. The films are glued with compound OE 6636. The steady-state luminous flux of a lamp is 800 lm with a power consumption of 8.5 W, a power factor of 0.45, a light output of 94.12 lm / W, a CRI of 93%, T C 3000K.
Пример 4Example 4
Светодиодная ретрофитная лампа основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения - эквивалента лампы накаливания мощностью 100 Вт, спектр которой показан на Фиг. 10, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: шести голубых СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 120-130 мкм и 24 белых СИД типа GTM30302. Фотолюминесцентная пленка создана на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы DowCorning с добавлением фотолюминофора Y2,79Ce0,12Lu0,09Al3,1Ga1,9O12 в соотношении 1:1,8. Пленки приклеены двухкомпонентным компаундом OE 6636. Спектр использованного фотолюминофора показан на Фиг.7.LED retrofit lamp based on a LED light source with a biologically adequate white radiation spectrum - the equivalent of a 100 W incandescent lamp, the spectrum of which is shown in FIG. 10, manufactured using SMD LEDs manufactured by Lumileds: six blue LEDs of type L135-B475003500001 with glued photoluminescent film 120-130 μm thick and 24 white LEDs of type GTM30302. The photoluminescent film is created on the basis of the optical silicone compound OE 6636 manufactured by DowCorning with the addition of a photoluminescent Y 2.79 Ce 0.12 Lu 0.09 Al 3.1 Ga 1.9 O 12 in a 1: 1.8 ratio. The films are glued with a two-component compound OE 6636. The spectrum of the used photoluminescent phosphor is shown in Fig. 7.
Установившийся световой поток лампы 1580 лм при потребляемой мощности 16,4 Вт, коэффициент мощности 0,46, светоотдача 96 лм/Вт, CRI 92% и ТC 3000К.The steady-state luminous flux of the lamp is 1580 lm with a power consumption of 16.4 W, a power factor of 0.46, a light output of 96 lm / W, a CRI of 92% and a T C of 3000K.
Пример 5.Example 5
Линейная светодиодная лампа длиной 560 мм, спектр которой показан на Фиг. 11, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 48-ми белых типа L130-3090003000W21 и 12-ти голубых СИД типа L135-B475003500001. Выходные поверхности голубых СИД покрыты фотолюминесцентной пленкой толщиной 200 мкм, созданной на основе оптического двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Y2,79Ce0,12Lu0,09Al3,1Ga1,9O12 в соотношении 1:1. Пленки приклеены компаундом OE 6636. Установившийся световой поток лампы 3 110 лм при потребляемой мощности 30,7 Вт (постоянное напряжение 51,13В), светоотдача 101 лм/Вт, CRI 92%, ТC 2900К.A linear LED lamp with a length of 560 mm, the spectrum of which is shown in FIG. 11, manufactured using Lumileds SMD LEDs: 48 white L130-3090003000W21 and 12 blue L135-B475003500001 LEDs. The output surfaces of blue LEDs are coated with a photoluminescent film with a thickness of 200 μm, created on the basis of an optical two-component silicone compound OE 6636 manufactured by Dow Corning with the addition of a photoluminous Y 2.79 Ce 0.12 Lu 0.09 Al 3.1 Ga 1.9 O 12 ratio of 1: 1. The films are glued with compound OE 6636. The steady-state luminous flux of the lamp is 3 110 lm at a power consumption of 30.7 W (constant voltage 51.13 V), light output 101 lm / W, CRI 92%, T C 2900K.
Claims (5)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101475A RU2693632C1 (en) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum |
| AU2021205128A AU2021205128A1 (en) | 2017-06-30 | 2021-07-17 | Led white light source with a biologically adequate emission spectrum |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019101475A RU2693632C1 (en) | 2019-01-18 | 2019-01-18 | Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2693632C1 true RU2693632C1 (en) | 2019-07-03 |
Family
ID=67252264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019101475A RU2693632C1 (en) | 2017-06-30 | 2019-01-18 | Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2693632C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2765922C1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-02-04 | Константин Павлович Горбенко | Method for reducing the harmful effects on humans of radiation from a full-spectrum led lamp |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110050125A1 (en) * | 2005-01-10 | 2011-03-03 | Cree, Inc. | Multi-chip light emitting device lamps for providing high-cri warm white light and light fixtures including the same |
| RU2475887C1 (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-20 | Закрытое Акционерное Общество "Научно-Производственная Коммерческая Фирма "Элтан Лтд" | Light-emitting diode source of white light having remote reflecting multilayer photoluminescent converter |
| US8513873B2 (en) * | 2005-01-10 | 2013-08-20 | Cree, Inc. | Light emission device |
| US8642014B2 (en) * | 2007-01-30 | 2014-02-04 | Seta Biomedicals, Llc | Luminescent compounds |
| RU2509393C2 (en) * | 2008-10-17 | 2014-03-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Light-emitting device |
| US20150300601A1 (en) * | 2011-06-30 | 2015-10-22 | Osram Gmbh | Conversion element and a light-emitting diode including such a conversion element |
| US20170194536A1 (en) * | 2014-06-06 | 2017-07-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Method of producing an optoelectronic component and optoelectronic component |
-
2019
- 2019-01-18 RU RU2019101475A patent/RU2693632C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20110050125A1 (en) * | 2005-01-10 | 2011-03-03 | Cree, Inc. | Multi-chip light emitting device lamps for providing high-cri warm white light and light fixtures including the same |
| US8513873B2 (en) * | 2005-01-10 | 2013-08-20 | Cree, Inc. | Light emission device |
| US8847478B2 (en) * | 2005-01-10 | 2014-09-30 | Cree, Inc. | Multi-chip light emitting device lamps for providing high-CRI warm white light and light fixtures including the same |
| US8642014B2 (en) * | 2007-01-30 | 2014-02-04 | Seta Biomedicals, Llc | Luminescent compounds |
| RU2509393C2 (en) * | 2008-10-17 | 2014-03-10 | Конинклейке Филипс Электроникс Н.В. | Light-emitting device |
| US20150300601A1 (en) * | 2011-06-30 | 2015-10-22 | Osram Gmbh | Conversion element and a light-emitting diode including such a conversion element |
| RU2475887C1 (en) * | 2011-08-01 | 2013-02-20 | Закрытое Акционерное Общество "Научно-Производственная Коммерческая Фирма "Элтан Лтд" | Light-emitting diode source of white light having remote reflecting multilayer photoluminescent converter |
| US20170194536A1 (en) * | 2014-06-06 | 2017-07-06 | Osram Opto Semiconductors Gmbh | Method of producing an optoelectronic component and optoelectronic component |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2765922C1 (en) * | 2021-05-04 | 2022-02-04 | Константин Павлович Горбенко | Method for reducing the harmful effects on humans of radiation from a full-spectrum led lamp |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102352970B (en) | Novel LED (light emitting diode) light source and illumination device thereof | |
| RU2502917C2 (en) | Light diode source of white light with combined remote photoluminiscent converter | |
| JP5770269B2 (en) | White light source and white light source system using the same | |
| RU2452059C1 (en) | Light-emitting diode source of white light with remote photoluminescent reflecting converter | |
| JPWO2014054290A1 (en) | White light emitting device, lighting device, and dental lighting device | |
| US11574896B2 (en) | Full spectrum white light emitting devices | |
| WO2021035782A1 (en) | Special light source and light fixture suitable for diabetic retinopathy | |
| WO2020248748A1 (en) | Led light source for rhythm lighting | |
| RU2693632C1 (en) | Light-emitting diode light source with biologically adequate radiation spectrum | |
| US20220090760A1 (en) | Led white light source with a biologically adequate emission spectrum | |
| RU2742471C2 (en) | Optical device which amplifies the radiation of electroluminescent light sources using a filter containing dichroic nanowires of zinc oxide | |
| AU2021205128A1 (en) | Led white light source with a biologically adequate emission spectrum | |
| CN109404747A (en) | One kind having multispectral health-care lamp | |
| JP2012174538A (en) | Lighting system with low insect-inducing property | |
| JP2013026046A (en) | Lighting device | |
| EP4082606A1 (en) | Led-module and lighting system with such led-module emitting light having a uv-b component | |
| JP2022515455A (en) | LED lighting device with additional functions | |
| EP3971632A1 (en) | Automobile windscreen display | |
| KR102241692B1 (en) | High whiteness led lamp without the harmful blue light wavelength | |
| CN112050159B (en) | High-light-efficiency high-color-rendering quantum dot illumination light source capable of preventing blue light and lamp | |
| CN215446067U (en) | Light emitting module and lighting device | |
| US20240050612A1 (en) | Led package structure, and disinfection device and disinfection lamp applying same | |
| US11887973B2 (en) | Full spectrum white light emitting devices | |
| JP2003059308A (en) | Illuminating device and visual field illuminating device | |
| CN209026529U (en) | One kind having multispectral health-care lamp |