CN101379341B

CN101379341B - 白光源

Info

Publication number: CN101379341B
Application number: CN2007800041692A
Authority: CN
Inventors: M·P·J·彼得斯; J·P·M·安塞姆斯; P·H·F·杜伦伯格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-01-31
Filing date: 2007-01-25
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-01-25
Also published as: US20090008655A1; EP1982108A1; CN101379341A; TW200733435A; WO2007088501A1; JP2009525594A; KR20080097208A

Abstract

本发明公开了一种白光源(1)，包括至少一个蓝光源(2)、至少一个绿光源(3)和至少一个红光源(4)的阵列。蓝光源(2)包括能在第一波长发光的第一发光二极管(2′)。设置第一波长转换材料(2″)以吸收至少一部分第一波长的光，第一波长转换材料(2″)能够在第二波长发光，其至少为500nm。

Description

白光源

本发明涉及白光源(white light source)，包括至少一个蓝光源、至少一个绿光源和至少一个红光源的阵列。所述蓝光源包括能在第一波长发光的第一发光二极管。设置第一波长转换材料以吸收至少一部分第一波长的光，和该第一波长转换材料能够在第二波长发射光。

可以采用不同的方法使用LED来产生白光。一种方法是混合黄和蓝颜色，在这种情况下，可以由黄色磷光体(phosphor)提供输出光的黄光组分，而蓝光组分可以由蓝光LED的初级发射(primary emission)来提供。这被称为双色法(dichromatic approach)。

另一种方法是使用蓝光、红光和绿光LED的组合，也称为三色法(trichromatic approach)或RGB法。LED可以作为芯片(chips)提供，也称片(dices)。蓝光LED可以为内在蓝光LED(intrinsic blue LED)或磷光体转换的UV二极管。红光和绿光LED可以为内在红光和绿光LED片，或者红光和绿光通道可以配备蓝光LED，经由磷光体转换分别产生所需的红颜色和绿颜色。

在例如US6799865 B2中描述了利用RGB混合原理的白光源，其中UV二极管的辐射借助于在红色和绿色光谱区中发射的磷光体进行转换。通过发射蓝光的LED添加蓝光组分。

为了产生具有例如为2700K的低相关色温(“CCT”，定义为色度最近似光源色度的黑体的绝对温度)的白光，泄漏通过红光和绿光通道上的磷光体层的蓝光量必须非常低(功率(power)＜10％)。使用散射磷光体层，这会导致低效率，参见图2。(在图2中，PS3504、NP002和NP003涉及磷光体批次，其在所有的情况下均为(Ba_0.75Sr_0.25)₂Si₅N₈(红色)磷光体。S184和OCK451涉及基质材料；S184＝Sylgard-184(Dow Corning)，折射率为1.4，OCK4-51为购自Nye optical的硅凝胶，折射率为1.51)。

当试图生成色温可变的白光时，这产生非常不利的情况(低效率)。此外，对于色温4000K的白光来说，蓝光通道(4-2-1 RGB模块中)中耗散的功率最高为30％。

因此，对于改进的白光器件一直有着持续的需求。

本发明的一个目的是克服上述发现的问题并提供一种色温可变的白光源。其是通过白光源(1)实现的，白光源(1)包括至少一个蓝光源(2)；至少一个绿光源(3)；和至少一个红光源(4)的阵列。蓝光源(2)包括能在第一波长发光的第一发光二极管(2′)，和设置为吸收至少一部分所述第一波长的所述光的第一波长转换材料(2″)。第一波长转换材料(2″)能够在第二波长发光，其至少为500nm。特别地，第二波长位于590nm至750nm的范围内。

就本发明的白光源来说，蓝光以非常低的损失转换成红光。对于现有技术的器件，随着转换度的提高，效率的降低远大于基于Stokes频移的预计(比较图2中x＝0.6处的效率与x＝0.35处的效率)。因此更有利的是，利用薄磷光体层的部分转换，使一些红(或绿)光使用蓝光LED。

此外，能够在模块中耗散的电功率量增加，因为可以更好地利用蓝光通道。另一优点是，模块能显示出更好的颜色均匀度。

第一波长的被第一波长转换材料所吸收的那部分光构成在所述第一波长发射的光的总量的10％-70％，特别是45％-55％。

第一波长可以位于400nm至485nm的范围内。

第一波长转换材料(2″)可以作为均匀的层设置在所述第一发光二极管(2′)之上，例如厚度为1至10μm。用在本发明中的第一波长转换材料(2″)的非详尽性例子有YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；和/或(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤(x+y)≤1。

绿光源(3)可以包括能在第三波长发光的第二发光二极管(3′)，和设置为吸收至少一部分所述第三波长的所述光的第二波长转换材料(3″)。第二波长转换材料(3″)能够在第四波长发光。

第三波长可以位于380nm至485nm的范围内。

第四波长可以位于500nm至低于590nm的范围内。

第三波长的被第二波长转换材料(3″)所吸收的那部分光构成在所述第三波长发射的光的总量的至少90％。第二波长转换材料(3″)可以作为均匀的层设置在所述第二发光二极管之上，例如厚度为5至40μm。用在本发明中的第二波长转换材料(3″)的非详尽性例子有ZnS:Cu，Ag；SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺；(Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺；SrGa₂S₄:Eu²⁺；(Ba_1-xSr_x)SiO₄:Eu；(Ba，Sr，Ca)SiO₄:Eu²；和/或YAG磷光体，其中0≤(u，v，x，y，z)≤1，0≤(y+z)≤1，且0≤(u+v+x)≤1。

红光源(4)可以包括能在第五波长发光的第三发光二极管(4′)，和设置为吸收至少一部分所述第五波长的所述光的第三波长转换材料(4″)。第三波长转换材料(4″)能够在第六波长发光。

第五波长可以位于380nm至485nm的范围内。

第六波长可以位于590nm至750nm的范围内。

第五波长的被第三波长转换材料(4″)所吸收的那部分的光构成在第五波长发射的光的总量的至少90％。第三波长转换材料(4″)可以作为均匀的层设置在所述第三发光二极管(4′)之上，例如厚度为5至40μm。第三波长转换材料(4″)的非详尽性例子有YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu；YO₂S₂:Eu；和/或SrY₂S₄:Eu²⁺，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤(x+y)≤1。

或者，绿光源(3)可以包括在500nm至低于590nm范围内的波长发光的发光二极管，而红光源可以包括在590nm至750nm范围内的波长发光的发光二极管。

根据本发明的白光源(1)可以包括一个蓝光源(2)、两个绿光源(3)和四个红光源(4)，在这种情况下，光源(1)能够发出色温为2700K的白光。根据本发明的白光源(1)也可以包括两个蓝光源(2)、两个绿光源(3)和三个红光源(4)，在这种情况下，光源(1)能够发出色温为4000K的白光。然而，应该指出的是，取决于通过单独颜色通道的驱动电流，根据本发明的白光源能够发出一定范围的具有可变色温的白光。

本发明还涉及包括如上所述的白光发射源的发光器件。

现在将参照显示本发明目前的优选实施方案的附图更详细地描述本发明的这些以及其它的各方面。

图1显示根据本发明的白光发射源。

图2显示作为颜色坐标X的函数的效率(瓦特辐射功率/电输入功率)。

图3显示根据本发明的光源的色域(即，可得到的颜色的范围)。

本发明者意外地发现，在三色(RGB)白光源中，将约50％的蓝光LED功率转换为红光(使用磷光体)，导致具有增加的效率的色温可变模块。

一般来讲，本发明的建议是，RGB白光源中的蓝光源包括在第一波长(优选为400-485nm，即蓝光区域)发射光的LED，且该光的一部分被第一波长转换材料吸收，该第一波长转换材料将吸收的光转换至第二波长(优选为590至750nm，即，红光区域)。这将导致效率的增加以及LED们的更有效的利用。所指出的波长对应于波长转换材料的峰值波长。

还应该理解的是，“第二波长”并不一定要处于红光区域之内。本发明的本质在于，使由蓝光源中的LED发出的光的一部分被转换至蓝光区域以外的波长，即，具有至少500nm的波长。

被第一波长转换材料所吸收的那部分光可以为发射总量的10％至70％，例如为45％至55％，优选为约50％。发射总量的较少部分将导致更大的色域。然而效率增益将更低。

优选通过改变第一波长转换材料的层厚来调节吸收光的百分比。第一波长转换材料的层的厚度例如可以为1至10μm，优选为5μm或更小。该厚度取决于磷光体混合物的散射性质。使用较低散射的混合物(即，更小的磷光体粉末或更高的基质折射率)将导致较大的层厚度。

使蓝光转换成红光的波长转换材料的例子有YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；和(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu。

根据本发明的白光源中的绿光源和红光源可以按常规的方式进行构建，或者使用蓝光LED和/或UV LED及波长转换器，或者使用内在红光和/或绿光LED。然而应该指出的是，这种常规的红光和/或绿光LED与上述(部分转换的)蓝光LED的组合是先前没有描述过的。

如本文中所使用的那样，“光源”指的是发光单元，例如发光二极管(LED)。LED可以作为芯片提供，也称为片。在本发明的上下文中，“白光源”涉及不同颜色的LED的阵列。

如本文中所使用的那样，“波长转换材料”涉及这样的材料，它具有将一种(单色)波长转换成另一种波长、从而改变发射的光的颜色的能力。波长转换材料一般被称为磷光体。

参考图1，根据本发明的优选白光源(1)包括至少蓝光源(2)、至少绿光源(3)和至少红光源(4)的阵列。每个光源都为可单独寻址的实体(entity)，即，每个光源都可以按独立于其它光源进行控制。

蓝光源(2)包括蓝光LED(2′)和设置在LED(2′)之上的磷光体层(2″)。磷光体层(2″)可以与LED(2′)直接接触，或者在LED(2′)与磷光体层(2″)之间可以有空气间隙。磷光体层(2″)可以设置在LED(2′)的整个可及表面之上或LED(2′)表面的一部分之上。优选的是，全部的染料被一半厚度的磷光体层所覆盖，而不是一半的染料被厚磷光体层覆盖。而且就颜色混合来说，优选第一种情况。

蓝光LED(2′)发射蓝光，磷光体层(2″)吸收发射的蓝光总量的约50％，并将其转换成红光。因此，由蓝光源(2)发出的光为蓝光与红光的混合。

绿光源(3)可以包括蓝光LED(3′)和将蓝光转换成绿光的绿色磷光体(3″)。或者，绿光源(3)可以包括内在绿光LED(未显示)。

将蓝光转换成绿光的绿色磷光体(3″)的例子有ZnS:Cu，Ag；SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺；(Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS₄):Eu²⁺；SrGa₂S₄:Eu²⁺；和(Ba_1-xSr_x)SiO₄:Eu，其中0≤(u，v，x，y，z)≤1，0≤(y+z)≤1，且0≤(u+v+x)≤1。此外，YAG磷光体，尤其是(Y，Gd)₃(Al，Ga)₅O₁₂，Ce，可以用作绿色磷光体。

将UV光转换成绿光的绿色磷光体(3″)的例子有ZnS:Cu，Ag；和(Ba，Sr，Ca)SiO₄:Eu²⁺。将UV光转换成绿光的绿色磷光体(4″)的其它例子披露在WO 2005/083036的第12页当中。

绿色磷光体(3″)的厚度可以例如为5至40μm。然而，所述磷光体的厚度强烈依赖于磷光体混合物的散射性质。重要的准则是，蓝光泄漏小于10％。

红光源(4)可以包括红光LED(4′)和将蓝光转换成红光的红色磷光体(4″)。或者，红光源(4)可以包括内在红光LED(未显示)。

将蓝光转换成红光的红色磷光体(4″)的例子有YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；和(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤(x+y)≤1。

将UV光转换成红光的红色磷光体(4″)的例子有YO₂S₂:Eu；和SrY₂S₄:Eu²⁺。将UV光转换成红光的红色磷光体(4″)的其它例子披露在WO 2005/083036的第13页当中。

红色磷光体(4″)的厚度可以例如为5至40μm。然而，所述磷光体的厚度强烈依赖于磷光体混合物的散射性质。重要的准则是，UV泄漏要小。UV光的泄漏不会影响器件的色域，但其将导致低效率。

因此，LED(2′、3′和4′)可以是同一类型的，即为蓝光LED，而由磷光体转换可以获得不同的颜色。需要指出的是，每个LED(2′、3′和4′)为单独的实体，这使得可以对不同的LED(2′、3′和4′)应用不同的磷光体。然后以阵列方式设置单个的LED(2′、3′和4′)，以获得完整的白光源。

根据本发明，可以按若干配置方式设置单个的LED，例如以4-2-1RGB配置方式(即，4个红光LED、2个绿光LED和1个蓝光LED)。合适配置方式的其它例子有3-3-1配置方式、4-4-1配置方式或3-2-2配置方式(其中两个蓝光片是部分转换的)。

图3显示根据本发明的光源的色域，即，可得到的颜色的范围。CIE色度图是熟知的用于定义颜色的标准参照，并作为其它颜色空间的参照。CIE色度图包含由图3中的连续线所代表的黑体轨迹(black bodylocus，“BBL”)。位于BBL的色度坐标(即，颜色点)遵从Planck方程：E(λ)＝Aλ^-5/(e^(B/T)-1)，其中E为发射强度，λ为发射波长，T是黑体的色温，A和B是常数。色温T的各值以绝对温度示于图3中的BBL上。

典型的白光照明源被选择为具有在BBL上的色度点，色温范围在2500K至7000K之间。在图3中显示了在BBL上的五个点，从左至右为：6000K、5000K、4000K、3000K和2700K。偏离BBL的点或颜色坐标作为白光不太被接受。

根据本发明的白光源可用于普通照明尤其是点应用(spotapplication)中所使用的所有种类的LED。

采用以下设计制备RGB模块：1个蓝光片、2个绿光片和4个红光片；绿：内在LED，红：磷光体95％和5％内在蓝光(功率)，蓝：内在蓝光LED 50％+50％红色磷光体。

利用～9μm的磷光体层厚度(例如，使用磷光体的20vol％分散体并施加45μm厚的磷光体/基质层)将红光通道的蓝光片转成红光。该模块的蓝光通道可涂以相同的分散体，但厚度应限于～20μm(4μm的磷光体)。这导致具有图3中显示的色域的LED模块，其中利用薄磷光体层使50％的蓝光功率转换成红光。

表1中所示为该4-2-1(RGB)模块的增加的光输出，边界条件为每个片耗散的电功率最多1W。采用该4-2-1配置方式不能获得超过4000K的色温；在那些情况下可以采用3-2-2配置方式。

表1：

具有R-G-B＝4-2-1配制方式的模块的光输出(lm)，其中部分蓝光被转换成红光(第1栏中以％给出，或第2栏中以颜色坐标给出)。边界条件：最大功率1W/片。

即使在不太严格的边界条件情况下(7W/模块，最大2W/片)，光输出的增量仍超过10％。

本领域的技术人员应意识到，本发明绝不仅限于上文所述的优选实施方案。相反，在所附权利要求的范围之内可以作出许多修改和变动。

Claims

1.白光源(1)，包括以下的阵列：

至少一个蓝光源(2)；

至少一个绿光源(3)；和

至少一个红光源(4)；

其中所述蓝光源(2)包括能在第一波长发光的第一发光二极管(2′)，和设置为吸收至少一部分所述第一波长的所述光的第一波长转换材料(2″)，所述第一波长转换材料(2″)能够在第二波长发光，其中所述第二波长位于590nm至750nm的范围内，和其中所述第一波长的所述光的所述部分构成在所述第一波长发射的光的总量的10％-70％。

2.根据权利要求1的白光源(1)，其中所述第一波长的所述光的所述部分构成在所述第一波长发射的光的总量的45％-55％。

3.根据权利要求1或2的白光源(1)，其中所述第一波长位于400nm至485nm的范围内。

4.根据前述权利要求中任一项的白光源(1)，其中所述第一波长转换材料(2″)作为均匀的层设置在所述第一发光二极管(2′)之上。

5.根据权利要求4的白光源(1)，其中所述第一波长转换材料(2″)的所述层的厚度为1至10μm。

6.根据前述权利要求中任一项的白光源(1)，其中所述第一波长转换材料(2″)选自YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；和(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu，或它们的组合，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤(x+y)≤1。

7.根据权利要求1至6中任一项的白光源(1)，其中所述绿光源(3)包括能在第三波长发光的第二发光二极管(3′)，和设置为吸收至少一部分所述第三波长的所述光的第二波长转换材料(3″)，所述第二波长转换材料(3″)能够在第四波长发光。

8.根据权利要求7的白光源(1)，其中所述第三波长位于380nm至485nm的范围内。

9.根据权利要求7或8的白光源(1)，其中所述第四波长位于500nm至低于590nm的范围内。

10.根据权利要求7至9中任一项的白光源(1)，其中所述第三波长的所述光的所述部分构成在所述第三波长发射的光的总量的至少90％。

11.根据权利要求7至10中任一项的白光源(1)，其中所述第二波长转换材料(3″)作为均匀的层设置在所述第二发光二极管(3′)之上。

12.根据权利要求11的白光源(1)，其中所述第二波长转换材料(3″)的所述层的厚度为5至40μm。

13.根据权利要求7至12中任一项的白光源(1)，其中所述第二波长转换材料(3″)选自ZnS:Cu，Ag；SrSi₂O₂N₂:Eu²⁺；(Sr_1-u-v-xMg_uCa_vBa_x)(Ga_2-y-zAl_yIn_zS4):Eu²⁺；SrGa₂S₄:Eu²⁺；(Ba_1-xSr_x)SiO₄:Eu；(Ba，Sr，Ca)SiO₄:Eu²⁺和YAG磷光体，或它们的组合，其中0≤(u，v，x，y，z)≤1，0≤(y+z)≤1，且0≤(u+v+x)≤1。

14.根据权利要求1至13中任一项的白光源(1)，其中所述红光源(4)包括能在第五波长发光的第三发光二极管(4′)，和设置为吸收至少一部分所述第五波长的所述光的第三波长转换材料(4″)，所述第三波长转换材料(4″)能够在第六波长发光。

15.根据权利要求14的白光源(1)，其中所述第五波长位于380nm至485nm的范围内。

16.根据权利要求14或15的白光源(1)，其中所述第六波长位于590nm至750nm的范围内。

17.根据权利要求14至16中任一项的白光源(1)，其中所述第五波长的所述光的所述部分构成在所述第五波长发射的光的总量的至少90％。

18.根据权利要求14至17中任一项的白光源(1)，其中所述第三波长转换材料(4″)作为均匀的层设置在所述第三发光二极管(4′)之上。

19.根据权利要求18的白光源(1)，其中所述第三波长转换材料(4″)的所述层的厚度为5至40μm。

20.根据权利要求14至19中任一项的白光源(1)，其中所述第三波长转换材料(4″)选自YO₂S:Eu³⁺，Bi³⁺；YVO₄:Eu³⁺，Bi³⁺；SrS:Eu²⁺；SrY₂S₄:Eu²⁺；CaLa₂S₄:Ce³⁺；ZnCdS:Ag，Cl；(Ca，Sr)S:Eu²⁺；(Ca，Sr)Se:Eu²⁺；SrSi₅N₈:Eu²⁺；(Ba_1-x-ySr_xCa_y)₂Si₅N₈:Eu²⁺；(Sr_1-x-yCa_xBa_y)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu；YO₂S₂:Eu；和SrY₂S₄:Eu²⁺，或它们的组合，其中0≤x≤1，0≤y≤1，且0≤(x+y)≤1。

21.根据权利要求1至6中任一项的白光源(1)，其中所述绿光源(3)包括在500nm至低于590nm范围内的波长发光的发光二极管。

22.根据权利要求1至6中任一项的白光源(1)，其中所述红光源包括在590nm至750nm范围内的波长发光的发光二极管。

23.根据前述权利要求中任一项的白光源(1)，包括一个蓝光源(2)、两个绿光源(3)和四个红光源(4)。

24.根据权利要求23的白光源(1)，该光源(1)能够发射色温为2700K的白光。

25.根据权利要求1至22中任一项的白光源(1)，包括两个蓝光源(2)、两个绿光源(3)和三个红光源(4)。

26.根据权利要求25的白光源(1)，该光源(1)能够发射色温为4000K的白光。

27.发光器件，包括根据前述权利要求任一项的白光发射源。