CN102074644A - 交流led白光发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种交流LED白光发光装置，属于白光LED制造技术领域。本发明所要解决的技术问题在于低成本地解决LED在交流驱动下的频闪问题，同时解决多个LED集成封装导致的散热不畅等一系列问题。本发明的技术方案：LED白光发光单元，包括LED芯片和能够在此LED芯片激发下发光的发光材料，其特征在于：所述发光材料的发光寿命是1-100ms(优选10-30ms)，所述LED芯片是只包含一个发光PN结的LED芯片，LED芯片发出的光与发光材料发出的光的混合色为白色；其中所述LED白光发光单元采用频率不大于100赫兹的交流电驱动。本发明LED发光装置不使用现有的多LED集成封装的交流LED芯片，而使用普通单PN节LED芯片即可决交流电源引起的频闪问题，生产简单、成本低。

Description

交流LED白光发光装置
技术领域
本发明涉及一种交流LED白光发光装置，属于白光LED制造技术领域。更具体的说，涉及一种使用特定寿命的发光材料制备的交流LED白光发光装置。
背景技术
目前，LED用于照明、显示和背光源等领域，并以其节能、耐用、无污染等优点而引起广泛的重视。实现白光LED有多种方案，其中采用蓝光LED芯片和黄色荧光粉组合来实现白光发射，是当前制备白光LED最为成熟的技术方案。1967年《Appl.Phys.Lett.》第11卷第53页报道了发光材料Y3Al5O12:Ce3+，该材料具有黄色发光，最强发光波长在550纳米，寿命小于100纳秒。1997年《Appl.Phys.A》第64期417页报道了利用Y3Al5O12:Ce3+的黄色发光和蓝光氮化镓实现了LED白光发射，此技术是当前制备白光LED最为成熟的技术方案。但在实际应用中，随着工作中器件温度的升高，蓝光LED芯片和荧光粉的发光强度都会下降，而且荧光粉的发光强度下降更为显著，这就影响了LED的使用。
传统LED都用直流电做为驱动能源，然而目前不论是家庭、工商业或公共用电，大多以交流电的方式提供，因此在使用LED作为照明等用途时必须附带整流变压器将交流-直流转换。但在交流-直流转换的过程中，有高达15～30％的电力耗损，同时转换设备装置不仅使用寿命较短，成本也很可观，在安装上也费工费时，效率不高。
美国专利US 7,489,086 B2“AC LIGHT EITTING DIODE AND AC LED DRIVE METHODS ANDAPPARATUS”提供了一种交流LED器件，该发明主要是使集成封装的LED器件在高于100赫兹的频率下工作，利用人肉眼的视觉暂留效应来弥补交流工作下LED器件发光的频闪。中国专利200910307357.3发明了一种具有黄色长余辉现象的Y2O3·Al2O3·SiO2:Ce·B·Na·P发光材料及使用它的白光LED照明装置。
CN100464111C公布了一种利用不同发光颜色的LED芯片并联在交流电源中的交流LED灯，主要描述不同颜色的LED芯片在一起构成白光，及其具体电路，如红、绿和蓝色发光芯片。国际专利WO 2004/023568A1“LIGHT-EMITTING DEVICE HAVING LIGHT-EMITTING ELEMENTS”中，提出了在蓝宝石基片上安装多个小的LED芯片阵列，从而提供一种可利用交流电源驱动的发光装置。韩国首尔半导体和台湾工研院基于类似思路，将大量超细LED晶粒集成封装在一个基片上，并称之为交流LED芯片。上述的交流LED技术的核心是大量微晶粒集成封装的微电子电路加工技术，如台湾工业技术研究院的交流LED芯片在1平方毫米的面积上集成封装了上百颗微小的发光二极管。但是此种交流LED芯片的加工难度大，且数量巨大的微晶片集成在狭小的基板空间内会导致如散热不畅等问题。
为了实现LED白光发光装置能够在交流电的方式供电的情况下，克服频闪问题，同时解决散热问题，本领域技术人员一直在不懈地努力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的LED白光发光装置，以解决在交流供电的方式下的频闪问题，同时解决现有LED白光发光器件散热不畅等一系列问题。
本发明的技术方案：LED白光发光单元，包括LED芯片和能够在此LED芯片激发下发光的发光材料，其特征在于：所述LED芯片只包含一个发光PN结，所述发光材料的发光寿命是1-100ms(优选10-30ms)，通过发光材的余辉料弥补非恒流情况下，芯片断电时的发光亮度，LED芯片发出的光与发光材料发出的光的混合色为白色。
根据发光学定义，发光材料的发光寿命为材料发光强度降到激发时最大强度的1/e所需的时间。
其中所述LED白光发光单元采用频率不大于100赫兹的交流电驱动，尤其是50-60赫兹的交流电驱动。
本发明LED发光单元不使用现有的多颗微晶粒集成的交流LED芯片，而使用普通的单一PN结的LED芯片可决交流电源引起的频闪问题，生产简单、成本低。
其中，LED芯片发出的光是紫外或可见光。紫外光的范围为200nm-380nm，可见光的范围为380nm-780nm。
本发明中，发光材料在LED芯片的激发下发光，且发出的光的整体视觉效果为白光，或发光材料发出的光和芯片发出的光的整体视觉效果为白光。
发光材料是下述材料中的至少一种：CaS:Eu2+；CaS:Bi2+，Tm3+；ZnS:Tb3+；CaSrS2:Eu2+，Dy3+；SrGa2S4:Dy3+；Ga2O3:Eu3+；(Y，Gd)BO3:Eu3+；Zn2SiO4:Mn2+；YBO3:Tb3+；Y(V，P)O4:Eu3+；SrAl2O4:Eu2+；SrAl2O4:Eu2+，B3+；SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，B3+；Sr4Al14O25:Eu2+；Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+，B3+；BaAl2O4:Eu2+；CaAl2O4:Eu2+；Sr3SiO5:Eu2+，Dy3+；BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+；Tb(acac)2(AA)phen；Y2O2S:Eu3+；Y2SiO5:Tb3+；SrGa2S4:Ce3+；Y3(Al，Ga)5O12:Tb3+；Ca2Zn4Ti15O36:Pr3+；CaTiO3:Pr3+；Zn2P2O7:Tm3+；Ca2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr2P2O7:Eu2+，Y3+；Lu2O3:Tb3+；Sr2Al6O11:Eu2+；Mg2SnO4:Mn2+；CaAl2O4:Ce3+，Tb3+；Sr4Al14O25:Tb3+；Ca10(PO4)6(F，Cl)2:Sb3+，Mn2；Sr2MgSi2O7:Eu2+；Sr2CaSi2O7:Eu2+；Zn3(PO4)2:Mn2+，Ga3+；CaO:Eu3+；Y2O2S:Mg2+，Ti3+；Y2O2S:Sm3+；SrMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；BaMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；Zn2SiO4:Mn2+，As5+；CdSiO3:Dy3+；MgSiO3:Eu2+，Mn2+。
优选材料为Ca2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+，B3+；SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，B3+；Zn2SiO4:Mn2+，As5+；Zn2P2O7:Tm3+；Y2O2S:Eu3+；Sr4Al14O25:Tb3+；Zn3(PO4)2:Mn2+，Ga3+；CaS:Eu2+中的至少一种。
本发明LED白光发光单元中，每个LED芯片是只包含一个发光PN结的LED芯片。
本发明LED白光发光装置包含上述白光发光单元和驱动电路。所述交流电驱动的驱动电路是单向串联电路，反向并联电路和桥式整流电路，如图1-4所示。或上述电路中任意电路的组合。所述交流电流驱动电路频率不大于100赫兹。
另外，本发明LED白光发光装置还包含导光覆盖层，为非平面型导光结构。通过导光覆盖层将LED芯片的发光和发光材料的发光进行反射、折射、散射并匀光最终混合导出均匀一致的光。其中，所述导光覆盖层为透镜或其它透明覆盖层，其中可以掺有粒径小于5微米的非发光材料颗粒，从而使得芯片输出的更加光均匀散射。
本发明的有益效果：
现有LED白光发光装置以YAG:Ce作为发光材料，在100赫兹之下的工频交流电周期变化会导致发光频闪现象。本发明由于采用具有特定发光寿命的发光材料，在激发光源消失时能维持发光，这样，在基于本发明方案的交流LED白光发光装置中，当电流周期变化时，发光材料的发光在周期内会维持一定的时间，从而弥补了由于交流电波动导致的LED芯片的发光频闪的影响，使白光发光装置在交流周期的光输出保持稳定。另外，由于在交流周期内LED芯片有半个周期不工作，使得其热效应下降，这样有助于克服现有LED白光发光装置中芯片发热带来的系列难题。
说明书附图
图1本发明交流LED白光发光装置单向串联电路示意图。
图2本发明交流LED白光发光装置反向并联电路示意图。
图3本发明交流LED白光发光装置有常导通LED芯片的桥式整流电路示意图。
图4本发明交流LED白光发光装置无常导通LED芯片的桥式整流电路示意图。
图5为LED白光发光单元组成示意图，1为发光材料，或由发光材料和透明介质组成的发光层；2为LED芯片。
图6为实施例1-8在CIE 1931色度图中的色点。数字1-8分别对应于实施例1-8。
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。特别是在基本电路组成上，本发明的实施例仅给出了最简单的反向并联式电路，但本发明的交流LED白光发光装置的电路并不局限于此，还包括如单向串联电路和桥式整流电路。
具体实施方式
实施例1-8采用表1的发光材料和市售的普通LED芯片，采用通用封装技术得到的LED白光发光装置，无需采用专用于交流LED的集成芯片，即可解决频闪问题。
实施例1-8
表1
Figure BDA0000031492990000041
试验例1本发明交流LED白光发光装置发光特性
表2给出了实施例1-8所给出的交流LED白光发光装置在50赫兹交流电驱动下用每秒拍300张照片的Sarnoff公司CAM512型高速科学级照相机拍摄的20毫秒内的发光亮度。参比样1为市售460纳米蓝光芯片封装上黄色发光材料YAG:Ce(发光寿命为100ns)按实施例1-8的同一方式组成的交流电流驱动LED白光发光装置，参比样2为市售460纳米蓝光芯片封装上长寿命材料SrAl2O4:Eu，Dy和Y2O2S:Eu，Mg，Ti(发光寿命大于1秒)按实施例1-8的同一方式组成的交流电流驱动LED白光发光装置。表2中亮度数据为相对亮度，无量纲。
表2
表3给出了表2实施例中各样品对本样品最大发光亮度的归一化值。
表3
Figure BDA0000031492990000052
从表2和表3可以看出，本发明在交流电流周期中的发光较为稳定，在交流电周期内起伏较小。而参比样1亦即使用现有市售蓝光芯片封装上发光寿命较短的传统的黄色YAG:Ce发光材料的LED白光发光装置获得的发光不稳定，在交流电周期内起伏极大。由此可见，本发明有效地，低成本地解决了交流LED的频闪问题。
虽然如参比样2所示的、使用发光寿命过长的发光材料时该交流LED白光发光装置的发光亮度在交流电周期内波动也较小，但由于材料在激发光存在时获得的能量不能迅速释放，导致其发光较弱(见表1)，不利于作为发光材料使用。
表4是表1实施例的色坐标和色温(采用美能达CS-100A色度计测量)
表4CIE色坐标和色温
  色坐标   CIEx   CIEy   相关色温
  实施例1   0.4076   0.3807   3312K
  实施例2   0.3410   0.3102   4997K
  实施例3   0.3279   0.2939   5725K
  实施例4   0.3320   0.3210   5496K
  实施例5   0.3802   0.3566   3815K
  实施例6   0.3503   0.3002   4441K
  实施例7   0.3104   0.3154   6746K
  实施例8   0.3484   0.3516   4867K
从表4可以看出，上述实施例得到了LED白光发光装置的发光颜色为白光。各实施例发光在CIE 1931色度图中的色点位置见图6。
试验例2本发明交流LED白光发光装置的光衰
表5给出了实施例1-18和参比样的光衰数据。参比样为将市售460纳米蓝光芯片封装上YAG:Ce的白光LED芯片按目前通用的直流供电方式安装的LED白光发光装置。测试方法如下：将实施例所述交流LED白光发光装置和参比装置通电后在一定间隔时间内测其发光亮度，测试仪器为美能达CS-100亮度计。结果如表5所示。表5中数据为相对亮度，无量纲，以最初数据归一化。
表5
从表5的数据可以看出本发明的交流LED白光发光装置的亮度衰减要小于采用现有方式的LED白光发光装置。

Claims (10)

1.LED白光发光单元，包括LED芯片和能够在此LED芯片激发下发光的发光材料，其特征在于：所述LED芯片只包含一个发光PN结，所述发光材料的发光寿命是1-100ms，通过发光材料的余辉弥补非恒流情况下的发光亮度，LED芯片发出的光与发光材料发出的光的混合色为白色。
2.如权利要求1所述的LED白光发光单元，其特征在于：所述LED芯片采用频率不大于100赫兹的交流电驱动，优选50-60赫兹的交流电驱动。
3.如权利要求2所述的LED白光发光单元，其特征在于：所述的发光材料的发光寿命是10～30ms。
4.如权利要求2或3所述的LED白光发光单元，其特征在于：所述发光材料是：CaS:Eu2+；CaS:Bi2+，Tm3+；ZnS:Tb3+；CaSrS2:Eu2+，Dy3+；SrGa2S4:Dy3+；Ga2O3:Eu3+；(Y，Gd)BO3:Eu3+；Zn2SiO4:Mn2+；YBO3:Tb3+；Y(V，P)O4:Eu3+；SrAl2O4:Eu2+；SrAl2O4:Eu2+，B3+；SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，B3+；Sr4Al14O25:Eu2+；Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+，B3+；BaAl2O4:Eu2+；CaAl2O4:Eu2+；Sr3SiO5:Eu2+，Dy3+；BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+；Tb(acac)2(AA)phen；Y2O2S:Eu3+；Y2SiO5:Tb3+；SrGa2S4:Ce3+；Y3(Al，Ga)5O12:Tb3+；Ca2Zn4Ti15O36:Pr3+；CaTiO3:Pr3+；Zn2P2O7:Tm3+；Ca2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr2P2O7:Eu2+，Y3+；Lu2O3:Tb3+；Sr2Al6O11:Eu2+；Mg2SnO4:Mn2+；CaAl2O4:Ce3+，Tb3+；Sr4Al14O25:Tb3+；Ca10(PO4)6(F，Cl)2:Sb3+，Mn2；Sr2MgSi2O7:Eu2+；Sr2CaSi2O7:Eu2+；Zn3(PO4)2:Mn2+，Ga3+；CaO:Eu3+；Y2O2S:Mg2+，Ti3+；Y2O2S:Sm3+；SrMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；BaMg2(PO4)2:Eu2+，Gd3+；Zn2SiO4:Mn2+，As5+；CdSiO3:Dy3+；MgSiO3:Eu2+，Mn2+中的一种或多种混合。
5.如权利要求4所述的LED白光发光单元，其特征在于：所述发光材料是：Ca2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr2P2O7:Eu2+，Y3+；Sr4Al14O25:Eu2+，Dy3+，B3+；SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，B3+；Zn2SiO4:Mn2+，As5+；Zn2P2O7:Tm3+；Y2O2S:Eu3+；Sr4Al14O25:Tb3+；Zn3(PO4)2:Mn2+，Ga3+；CaS:Eu2+中的一种或多种混合。
6.如权利要求2所述的LED白光发光单元，其特征在于：LED芯片发出的光是紫外或可见光，紫外光的范围为200nm-380nm，可见光的范围为380nm-780nm。
7.交流LED白光发光装置，其特征在于：包括交流驱动电路和至少一个LED白光发光单元；所述LED白光发光单元是权利要求1～6任一项所述的LED白光发光单元；
其中，所述的驱动电路是单向串联电路、反向并联电路、桥式整流电路，或它们的任意组合。
8.如权利要求7所述的交流LED白光发光装置，其特征在于：LED发光装置还包括导光覆盖层。
9.根据权利要求8所述的交流LED白光发光装置，其特征在于：所述导光覆盖层中掺有粒径小于5微米的非发光材料颗粒。
10.包括LED芯片和能够在此LED芯片激发下发光的发光材料的发光单元在制备交流LED发光装置中的用途，其中所述发光材料的发光寿命是1～100ms，通过发光材料弥补非恒流情况下的发光亮度，所述LED芯片是只包含一个发光PN结的LED芯片，LED芯片发出的光与发光材料发出的光的混合色为白色。
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