CN101604613A - 用于高cri灯的磷光体 - Google Patents

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Abstract

荧光灯(10)包括磷光体层(16)，磷光体层(16)包括(Y1－x－yGdx)AlO3:Eu3+ y，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1，以及至少各一种发射绿光和蓝光磷光体。所得到的灯(10)将呈现白光，其在相关色温为2500－10000K时具有优选地为90或更高的现色指数。在灯的磷光体掺合物中使用(Y1－x－yGdx)AlO3:Eu3+ y导致高CRI光源，在灯寿命进程中具有提高的稳定性和可接受的流明维持。

Description

用于高CRI灯的磷光体
发明领域
本发明涉及一种灯，并特别地涉及具有磷光体层的荧光灯，该磷光体层包含在深红色范围内具有峰值发射的发射红光磷光体。
背景技术
本发明一般地涉及荧光灯，更特别地涉及具有高现色指数(CRI)或Ra值和高光流明输出的荧光灯。颜色再现(color rendition)是对在给定的光源下由颜色样品反射的光的衡量标准(与在标准光源下的相同样品反射的光相比较)。考虑人眼对不同波长的光的不一样的灵敏度，光流明输出是对感知到的光的功率的衡量标准。具有高CRI值和高流明输出的荧光灯在很多的应用中是很值得期望的。
基于使用“填满”可见光谱的磷光体掺合物，荧光灯可被设计来获得高颜色再现，也就是，在基本上横越可见光谱的全波长提供发射，以及部分地基于使用在人眼敏感性较低的深红色范围内不过度地或广泛发射的磷光体可被设计以获得高的光流明输出。高CRI荧光灯使用已知的红色磷光体，例如Y2O3:Eu3+，已被描述其在611nm最大发射，不过这种灯在深红色范围的发射不足。在深红色范围内发射的其他磷光体对高CRI灯来说是较不优选的，因为这些磷光体在红光范围呈现宽谱带的发射和较低的光流明输出，而不是更期望的在红光范围的峰值线发射，优选地高于611nm以及更高的光流明输出。在红色范围内发光的其他磷光体可被使用，但是有关灯的稳定性和维护、制造和环境可以是次优的。因此，对使用具有超过611nm的线发射的红色磷光体的荧光灯的需求仍然存在，其中该灯呈现高CRI值和高光流明输出。
发明内容
如汞蒸气放电灯的灯可包含具有内表面的光透射封壳，包含被密封在封壳中的惰性气体的持续放电填充物(discharge-sustaining fill)，以及在封壳内并与该封壳的内表面相邻磷光体层。任选地，灯可在封壳和磷光体层之间具有阻挡层。该磷光体层可包含在约440-500nm发射的蓝色磷光体，在约500-600nm发射的绿色磷光体，以及在约610-640nm发射且具有大于611nm的峰值发射的红色磷光体。红色磷光体可具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1。优选地，所述灯发射可见光，其中在约2500-10000K的相关色温时可见光具有大于88的现色指数。
适合用在灯中的磷光体掺合物，所述磷光体掺合物包含具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y的红色磷光体，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1，其中红色磷光体具有大于611nm的峰值发射。该红色磷光体优选地占磷光体掺合物的约30-60重量％。该磷光体掺合物可进一步地包含在约500-600nm发射的绿色磷光体，其中绿色磷光体可以占该磷光体掺合物的约20-40重量％。该磷光体掺合物可进一步地包含在约440-500nm发射的蓝色磷光体，其中该蓝色磷光体可以占该磷光体掺合物的约10-30重量％。
灯，其包括具有内表面的光透射封壳，以及在所述封壳内并且与封壳的内表面相邻的磷光体层。该磷光体层包含具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y的红色磷光体，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1。该红色磷光体优选地在约610-640nm发射且具有大于611nm的峰值发射。
附图说明
图1概略地和部分截面地示出了根据本发明的一个实施方案。
图2示出了根据本发明的一个实施方案的紧凑型的荧光灯。
图3示出了根据本发明的一个实施方案的发射红光的磷光体的发射光谱。
图4示出了根据本发明的一个实施方案的磷光体掺合物中的发射红光的磷光体的模拟发射光谱。
优选的实施方式
在下面的说明书中，当优选的范围，例如5到25(或5-25)被给定，这意味着优选地至少5，以及分别地和独立地，优选地不超过25。这里所使用的“荧光灯”是本领域所已知的任何汞蒸气放电荧光灯，包含具有电极的荧光灯，以及无电极荧光灯，其中用于提供放电的手段包括适于通过电磁信号传输来激发汞蒸气原子的辐射发射器(radio transmitter)。
参考图1，示出了根据本发明的低压汞蒸气放电灯10，其在本领域中一般是已知的。灯10具有光透射的、优选地直线型的和圆柱形的玻璃管或封壳12，其优选地具有圆形的横截面。
灯10可以是荧光灯，例如T12、T10和T8灯，其在本领域中一般是已知的，标称长度是48英寸或4英尺，圆柱形管，以及具有至少1英寸的标称外径或1英寸或大约1英寸的外径。灯10也可以是1.5、2、3、5、6或8英尺的标称长度。可选择地，灯10可以是非线型的，例如环形或其他曲线的形状，或具有小于1英寸的标称外径，比如T5、T4或T3灯，其分别地具有约0.625(5/8)英寸、0.5(1/2)英寸和0.375(3/8)英寸的标称外径。在这种可选择情况下，如图2所示，灯10也可以是1.5、2、3、4、5、6或8英尺的标称长度，或其可以是具有螺旋的、多指的、折叠的或缠绕布局的紧凑型荧光灯(CFL)，以使得灯的总长度短于玻璃管的非折叠长度。如图2所示，紧凑型荧光灯具有荧光管、由盖子封闭的外罩(housing)和在侧视中能看到的螺丝底座(screw base)。紧凑型荧光灯可通过本领域中已知的底部通电地连接到电源(mains)，以及来自于底座的连接部分的电线被连接到设置在外罩内的镇流电路和/或荧光管的电极。
回到图1，灯10被连接在两端的底座20密封，电极或电极结构18(提供电弧放电)分别被安装在底座20上。持续放电填充物22被提供在密封玻璃封壳内，填充物包含或是与少量的汞组合的低压惰性气体或惰性气体掺合物，以提供灯运行的低蒸气压方式。
填充物中的惰性气体包含至少一种稀有气体如，但不限于氩、氪、氙和氖或它们的组合。在本领域已知的常规填充温度，例如25℃，填充物的总压(包含汞蒸气和惰性气体)优选地为0.4-5、更优选地1-3、更优选地1.6-2.8Torr。
封壳12的内表面优选地被提供有阻挡涂层或层14来改善随寿命的光柔和度和/或亮度的保持。阻挡层14的内表面优选地被提供有磷光体层16，阻挡层14在封壳12和磷光体层16之间。磷光体层16优选为稀土磷光体层，例如稀土三基色磷光体(rare earth triphosphor)或多基色磷光体(mutil-phosphor)层，或其他磷光体层。
一般的涂层结构优选地如美国专利号5602444所教导的，其全部内容被引入到这里作为参考。这种涂层结构在本领域中是已知的。阻挡层14可以是本领域中已知的氧化硅或氧化钇，或更优选地为也是本领域中已知的氧化铝。例如，如专利‘444(‘444 patent)中所揭示的，阻挡层14可包含γ-氧化铝和α-氧化铝粒子的掺合物。在另一个实施例中，阻挡层14可包含5-80或10-65或20-40重量百分比的γ氧化铝和20-95或35-90或60-80重量百分比的α氧化铝。
磷光体层16可被涂布在封壳12、优选地在阻挡层14的内表面上，优选地具有1-5或2-4mg/cm2的涂布重量或其他传统的涂布重量。在涂布过程中，多种磷光体粉末可按重量进行掺合。得到的粉末然后被分散到水媒介(其可包含本领域中已知的其他添加剂，包括粘合促进剂(adherence promoters)，比如氧化铝或焦磷酸钙的精细非发光颗粒)中，该水媒介任选地包含本领域中已知的分散剂。增稠剂可被加入，例如，聚环氧乙烷。然后该悬浮液用水，优选地去离子水进行稀释，直到其适合用来生产如上所描述的期望厚度或涂布重量的涂料。在使用两个磷光体层的双涂层结构中，底层(base coat)，例如卤代磷酸盐底层，首先被施加到封壳12或阻挡层14的内侧。如本领域已知的，磷光体掺合物悬浮液然后作为涂层被施加到封壳12的内侧并通过强风加热直至干燥。第一薄涂层或层被施加之后，另外期望的薄涂层或层可以相同的方法进行施加，在下一层被施加之前仔细地干燥每一层。薄层可被积累直至总的或累积的涂层厚度足以基本吸收在灯10中电弧产生的所有紫外光。尽管不旨在限制，磷光体层16的厚度可以为约1-25微米，这取决于磷光体层16的磷光体掺合物的精确组成和在掺合物中所使用的磷光体的颗粒尺寸。
磷光体层16优选地包含发射红-、绿-和蓝光的稀土磷光体混合物(red-，greenand blue-emitting rare earth phosphors)，优选地如3-或4-种磷光体掺合物。包含其他数目的稀土磷光体的稀土磷光体掺合物，例如具有5种或更多种稀土磷光体的掺合物，可替换地用于磷光体层16。作为本领域所已知的，磷光体层16可任选地包含精细分离的氧化铝作为粘合添加剂，优选地所述氧化铝以小于1或小于2重量百分比(基于磷光体层16的总重量)存在。此外，磷光体层16不包含且基本上没有阻挡层材料，如用于阻挡层14的氧化铝，这是由于存在阻挡层14，其是非必须的。添加剂可被包含于磷光体层16中并且可包括，例如，分散体媒介、粘合剂以及一种或更多种的各种已知的非发光添加剂，包括，例如磷酸钙、增稠剂、分散剂和一些本领域已知的硼酸盐化合物。
如在本文所描述的，磷光体层16优选地包含改进的具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y的红色磷光体，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1，优选地0.55≤x≤0.65或x＝0.6和0.05≤y≤0.08或y＝0.06，与其他磷光体的掺合，如一种或两种蓝色磷光体和一种或两种绿色磷光体的混合物中，以致荧光层16的全部磷光体掺合物对于平均现色指数(Ra)或CRI产生高的颜色重现值。例如，改进的发射红光的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体可以是(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06，其具有超过611nm并在约614-616nm的峰值发射。如在下面将要看到的，改进的发射红光的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体是对在荧光灯中经常使用的已知的红色磷光体(例如，Y2O3:Eu3+)的改进，其在红光范围具有在约611nm的峰值发射。
改进的发射红光的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体可与任何传统的已知的磷光体掺合，来生产可以发射白光的本发明的磷光体掺合物。荧光层16的其他磷光体可包括但不限于LaPO4:Ce，Tb(LAP)；GdMgB5O10:Ce，Tb(CBT)；CeMgAl11O19(CAT)；Sr5(PO4)3(Cl，F，OH):Eu2+(SECA)；BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)，BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+(BAM/BaMn)；Ca5(PO4)3(Cl，F，OH):Sb3+，Mn2+，Eu2+(HALO)；以及Sr4Al4O25:Eu2+(SAE)或它们的组合等。例如，该改进的发射红光的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体可与一种或多种每种在约440-500nm发射的并在约450-456nm或490-500nm峰值发射的蓝色磷光体，以及在约500-600nm发射并在约535-555nm或约545nm峰值发射的绿色磷光体掺合。发射绿光的磷光体的非限制的例子包括稀土活化的磷光体例如Tb-Ce活化的铝酸镁、硅酸钇和正磷酸镧，例如LaPO4:Ce，Tb(峰值发射在约545nm)；CeMgAl11O19；GdMgB5O10:Ce，Tb和BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+(峰值发射在约515nm)。发射蓝光磷光体的非限制的例子包含铕活化的铝酸钡镁、氯磷酸锶或氯磷酸锶钡钙，例如Sr4Al4O25:Eu2+(峰值发射在约495nm)；Ca5(PO4)3(Cl，F，OH):Sb3+，Mn2+，Eu2+；BaMgAl10O17:Eu2+(峰值发射在约455nm)以及Sr5(O4)3(Cl，F，OH):Eu2+(峰值发射在约445nm)。优选的磷光体掺合物包含SAE、LAP、BAM以及(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体的混合物，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1，如(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06。
为了提供优选的磷光体层16，足够的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体被加入到稀土磷光体的混合物中以得到给荧光灯10，其具有或呈现出大于80、优选地82、优选地84、优选地86、优选地88或优选地90或更高的CRI或Ra值。尽管目的不是进行限制，荧光层16的磷光体掺合物可包含约10-30、优选地15-25或优选地约20、21或22重量百分比的蓝色磷光体，约30-60、优选地40-50或优选地约44、45或46百分比的红色磷光体，和约20-40、优选地25-35或优选地约31、32或33百分比的绿色磷光体。在一个实施方案中，红色磷光体可以是(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06。
在磷光体掺合物中的个体磷光体的相对比例可被调节以使得当其发射是混合的时候，产生具有预定的在CIE坐标(CIE scale)上x和y值的可见光。优选地，荧光层16中的磷光体或磷光体掺合物的组合产生预定的色点，其中x值为约0.3-约0.40，优选地约0.35-0.4或约0.38以及y值为约0.3-约0.40，优选地约0.35-0.4或约0.38，其如在普朗克轨迹(Planckian locus)上进行测量。如上面所论述地，磷光体掺合物优选地具有基本上均匀的和预定的亮度和CRI。优选地亮度大于65，优选地70或约71或72Lms/W，以及CRI大于约88和优选地90。对磷光体组分的比例被调节以在整个所期望的色点范围获得高亮度和CRI以便灯具有均匀高亮度和色点。另外，获得的灯将具有2500-10000K的相关色温(CCT)，更优选地4500-2500K，这取决于使用的各种磷光体的相对数量。
在一个实施方案中，荧光层16优选地包含具有在橙-红色范围内的峰值发射的磷光体，例如，(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体。在图3中显示了在红色范围内具有强发射峰与在橙色和深红色范围内期望的减弱强度的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体的示例性发射光谱。具有改进的现色指数的灯将有利地包括在橙色或红色范围内具有峰值线发射的发射光谱，单个或多个峰值，而不是宽发射。优选地，(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体在橙-红色范围内的峰值线发射(peak lineemission)大于611nm，优选地612nm，优选地613nm，优选地614nm，优选地615nm以及更优选地616nm。(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体优选地具有比当前的在橙-红色范围内发射的磷光体更高的峰值线发射波长，如在约611nm具有峰值发射的Y2O3:Eu3+。如图所示，图3的磷光体发射具有窄的红线或峰的发射谱，这降低或使在眼睛敏感度低的范围内的线发射最小。
图3是具有式(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06的磷光体的发射光谱。如图所示，(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06的磷光体在橙-红色范围内具有在约614nm的峰值发射，其对应于Eu3+的5Do-7F2的直接跃迁，以及具有两个在约592nm和696nm的弱的次发射(sub emission)，其分别对应于5Do-7F1和5Do-7F4。使用具有在约614nm的主发射的(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06可产生更高的CRI的光源，比如荧光灯，高于那些使用GdAlO3:Eu3+、YVO4:Eu3+或Y2O2S:Eu3+制成的光源，而这些光源具有灯的稳定性和维护的局限性，以及也关系到制造和环境。
(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体可用任何陶瓷粉末方法进行制造，例如液相(熔融)方法或固态方法。在一个实施方案中，(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体可通过使用钇、钆和铕的氧化物的前体掺合物或混合物+来制备。钇、钆和铕的氧化物的掺合物可通过草酸盐分解合成来合成。将氧化物的掺合物与硼酸钡和硼酸组合来形成样品混合物。硼酸钡和硼酸作为熔剂。优选地，样品混合物在1300-1500℃烧制约3-8小时，优选地在1400℃通风约5小时。作为本领域的传统，经焙烧的材料被压碎和/或研磨来获得平均微粒尺寸为2-6、优选地约4微米的样品。样品可贯穿网孔或筛来确保期望的微粒尺寸或去除任何颗粒附聚物。经烧制的混合物然后被涂布到基材上，例如上面描述的灯泡或封壳。优选地，混合物微粒的悬浮液和/或液体被用来涂布基材，例如封壳。
为了增进本发明的进一步理解，提供以下实施例。这些实施例通过例证和非限制的方式来展示。
实施例
制备100克的(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06的磷光体。
首先制备氧化物前体。220克的(Y0.34Gd0.6Eu0.06)2O3前体通过草酸盐分解进行制备，所述分解包括加热和搅拌在1500毫升50∶50的硝酸和水的溶液中的53.55克的氧化钇、151.72克氧化钆以及14.73克的氧化铕，直到所述氧化物被溶解。溶液不再加热并被冷却一段时间至室温。然后，该溶液用3500毫升的水进一步稀释。如果溶液是酸性的，可使用氢氧化铵(NH4OH)来调高PH值。将273克的草酸加入到冷却后的溶液中并被继续搅拌一个小时。溶液被过滤、用水洗涤并干燥。通过在空气中在1000℃加热干燥的样品两小时以分解干燥过的草酸盐前体以获得220克(Y0.34Gd0.6Eu0.06)2O3氧化物前体。
(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06磷光体通过掺合下面的组分进行制备：75.57克上述(Y0.34Gd0.6Eu0.06)2O3氧化物前体，24.43克的氧化铝，0.042克的碳酸钡和0.104克硼酸。该掺合物空气中在1400℃烧制5小时来获得(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06。然后将所述烧结的掺合物压碎和研磨以获取平均微粒尺寸为约4微米的混合物。
为了举例说明具有包含与其他磷光体掺合的(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y磷光体的磷光体层的灯的发射光谱，该灯的发射光谱被模拟并被在图4中显示。图4中的发射光谱是下述磷光体浓度的磷光体掺合物的近似光谱：约0.33重量百分比的LAP，约0.10重量百分比的BAM，约0.11重量百分比的SAE以及约0.46重量百分比的(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06。进一步近似的是，灯具有含有这种磷光体掺合物的磷光体层的灯将显示出约4000K的CCT，在CRI为90，发光效率为71.9Lms/W时提供约2328流明。光源的发光效率是由总的灯功率输入发射的总光通量的份额，以流明每瓦(LPW或lm/W)表示。使用这种磷光体掺合物的荧光灯在CIE标度上的颜色坐标被估计为x＝0.38，y＝0.38。
虽然在本发明通过参考优选实施方案进行了描述，本领域的技术人员将会理解，可进行的各种变化和等价物可以取代其元素而不偏离本发明的范围。另外，根据本发明的教导为适应特殊的情况或材料而进行的许多修改也没有背离本发明的基本范围。因此，目的在于，本发明不局限于其所公开的特定实施方案，而是本发明将包括落在附加的权利要求的范围之内全部实施方案。
部件目录表-122189
10低压汞蒸气放电灯
12光透射玻璃管或封壳
14阻挡涂层或层
16磷光体层
18电极或电极结构(用来提供放电的手段)
20底座
22持续放电填充物。

Claims (10)

1、一种汞蒸气放电灯，其包括具有内表面的光透射封壳(12)，包含被密封在所述封壳(12)内的惰性气体的持续放电填充物(22)，和在所述封壳(12)内并与所述封壳(12)的内表面相邻的磷光体层(16)，所述磷光体层(16)包含在约440-500nm发射的蓝色磷光体，在约500-600nm发射的绿色磷光体，以及在约610-640nm发射的并具有大于611nm的峰值发射的红色磷光体，所述红色磷光体是具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y的磷光体，其中0.4≤x≤0.7和0≤y≤0.1。
2、权利要求1所述的灯，所述灯在2500-10000K的相关色温时具有88或更大的CRI值。
3、权利要求1所述的灯，所述灯的所述磷光体层(16)发射具有在CIE标度上的色坐标的可见光，其中x值为0.3-0.4和y为0.3-0.4。
4、权利要求1所述的灯，所述灯是紧凑型荧光灯。
5、权利要求1所述的灯，所述红色磷光体是具有通式(Y1-x-yGdx)AlO3:Eu3+ y的磷光体，其中0.55≤x≤0.65和0.05≤y≤0.08。
6、权利要求1所述的灯，所述红色磷光体具有式(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06。
7、权利要求1所述的灯，所述磷光体层(16)包含约10-30重量百分比的所述蓝色磷光体，约20-40重量百分比的所述绿色磷光体以及约30-60重量百分比的所述红色磷光体。
8、权利要求1所述的灯，所述绿色磷光体选自由LaPO4:Ce:Tb(LAP)；GdMgB5O10:Ce:Tb(CBT)；CeMgAl11O19(CAT)；和BaMgAl10O17:Eu2+:Mn2+(BaMn)组成的组。
9、权利要求1所述的灯，所述绿色磷光体选自由Sr5(PO4)3(Cl，F，OH):Eu2+(SECA)；BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)；Ca5(PO4)3(Cl，F，OH):Sb3+:Mn2+:Eu2+(HALO)；和Sr4Al4O25:Eu2+(SAE)组成的组。
10、权利要求1所述的灯，所述磷光体层(16)包含(Y0.34Gd0.6)AlO3:Eu3+ 0.06；LaPO4:Ce:Tb(LAP)；Sr4Al4O25:Eu2+(SAE)和BaMgAl10O17:Eu2+(BAM)的掺合物。
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