CN102428583B - 用于led的光散射和转换板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有光散射和转换板的照明系统，该光散射和转换板包括不转换而是散射的层以及一更薄的转换层。通过将散射和转换分开，照明系统的特性可以大幅提高。
Description
技术领域
本发明涉及用于发光装置的新颖发光材料和化合物，特别是涉及LED的领域。
背景技术
近年来，诸多新技术和设置被发展用于LED，其中包括引入陶瓷转换器板和层。在这方面，参考例如通过引用被结合的US2004/145308。
然而，仍然存在对表现出良好发射和散射属性的转换器板和层的持续需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种照明系统，该照明系统可以在宽范围应用中使用并且特别地允许制作具有优化的发光效率和显色的暖白光pcLED。
此目的是通过根据本发明的权利要求1的照明系统来解决。相应地，提供了一种包括至少一个光散射和转换板的照明系统，该光散射和转换板包括
a）第一层，其具有散射属性并且不具有转换属性，以及
b）第二层，其具有转换属性
其中第一层的厚度A和第二层的厚度B满足
A≥3*B。
优选地A和B满足A≥4*B，更优选地A≥7*B。
术语“层”和/或“板”特别是指和/或包括在一个维度（即高度）上的延伸为在任何其它维度（即宽度和长度）上延伸的≤40%，更优选地≤20%以及最优选地≤10%的物体。
术语“散射”特别是指和/或包括光传播方向的变化。
术语“转换”特别是指和/或包括例如由于辐射跃迁而吸收光并且在另一个波长区域中发射光的物理过程，该辐射跃迁涉及至少一个基态和至少一个激发态，并且该辐射跃迁可以使用位形坐标图描述，该位形坐标图将吸收和发射中心的势能曲线示为位形坐标的函数。
术语“不具有转换属性”特别是指和/或包括≥95%，更优选地≥97%，更优选地≥98%以及最优选地≥99%的所有透射光穿过板而不被转换。
对于在本发明内的宽范围应用，这种照明系统表现出具有至少一个下述优点：
- 本发明潜在基本思想其中之一（即将散射和转换分开）的令人惊奇的结果在于，对于大多数应用，可以发现良好的正向发射以及发射分布的角稳定性；
- 照明系统的整体设置可以保持简单且小；
- 由于改进的热散逸属性和改进的化学稳定性，照明系统的寿命显著延长；
- 附加功能层可以仅仅应用在一个层上，从而消除了损伤更昂贵的其它层的风险。
根据优选实施例，第二层位于主光源和第一层之间的光路中。
主光源在大多数应用中将是蓝光LED；然而，可以使用在本领域中为本领域技术人员所知的任何装置。
根据优选实施例，第一层和/或第二层基本上由陶瓷材料制成。
术语“基本上”在本发明含义中特别是指≥90（重量）%，更优选地≥95（重量）%，再更优选地≥98（重量）%以及最优选地≥99（重量）%。
术语“陶瓷材料”在本发明含义中特别是指和/或包括结晶或多晶紧凑材料或者具有受控数量的孔或没有孔的复合材料。
术语“多晶材料”在本发明含义中特别是和/或包括体积密度大于主要组成的90%的材料，该主要组成包含超过80%的单晶畴，每个畴直径大于0.5μm并且具有不同晶体学取向。单晶畴可以通过无定形或玻璃态材料或者通过附加结晶组成被连接。
根据优选实施例，陶瓷材料体积为≥0.005mm3且≤8mm3，更优选地≥0.03mm3且≤1mm3以及最优选地≥0.08mm3且≤0.18mm3。
根据优选实施例，陶瓷材料密度为理论密度的≥90%且≤100%。对于在本发明内的宽范围应用，这表现出是有利的，因为至少一种陶瓷材料的发光属性于是可以提高。
更优选地，陶瓷材料密度为理论密度的≥97%且≤100%，再更优选地≥98%且≤100%，甚至更优选地≥98.5%且≤100%，以及最优选地≥99.0%且≤100%。
根据本发明的优选实施例，陶瓷材料的（多个）表面的表面粗糙度RMS（表面平整度的中断；作为最高和最深表面特征之间的差异的几何平均值被测量）为≥0.001μm且≤1μm。
该至少一种陶瓷材料的（多个）表面的表面粗糙度根据本发明的实施例为≥0.005μm且≤0.8μm，根据本发明的实施例为≥0.01μm且≤0.5μm，根据本发明的实施例为≥0.02μm且≤0.2μm，以及根据本发明的实施例为≥0.03μm且≤0.15μm。
根据本发明的优选实施例，陶瓷材料的比表面积为≥10-7m2/g且≤0.1m2/g。
根据优选实施例，第二层的厚度B为≥5μm且≤80μm。对于在本发明内的许多应用，这表现出是有利的，因为藉此光散射和转换板的包装效率和侧面发射可以分别大幅增加和减小。
优选地，第二层的厚度B为≥10μm且≤50μm。
根据优选实施例，第一层的厚度A为≥50μm且≤1000μm。这表现出是有利的，因为对于许多应用，藉此光散射和转换板的散射特征和光发射分布的均匀性可以大幅提高。
优选地，第一层的厚度A为≥100μm且≤300μm。
根据优选实施例，第一层的散射系数为>0且≤1000cm-1。
通过具有厚度A的薄层的反射率R0和/或透射率T0的测量，根据下述方程确定散射系数s：
其中且
（a为该层的吸收系数）。
对于a=0的情形，各方程简化为
。
优选地，第一层的散射系数≥100cm-1且≤500cm-1。
根据优选实施例，第一层的平均折射率n为≥1.3且≤2.5。
根据优选实施例，第一层和第二层的折射率之间的折射率差异Δn为≥0.03且≤1。对于许多应用，这表现出是有利的以用于混合来自主光源的光和来自第二层的经转换的光。优选地，Δn为≥0.3且≤0.5。
根据优选实施例，第一层基本上由选自包含下述的群组的材料制成：玻璃、Al2O3、Y3Al5O12、RE3Al5O12（RE=稀土金属）、Y2O3、ZnS、AlON、AlPON、AlN、MgAl2O4、SiC、SiO2、Si3N4或者其混合物。
根据优选实施例，第二层基本上由选自包含下述的群组的材料制成：LubYcGddCeeAl5O12，其中b+c+d+e=3，0.09≤e≤0.24；Ca1-x-y-z-0.5uMxSi1+u-v-zAl1-u+v+zN3-vOv:Euy,Cez，其中0≤u<0.2，0<v<0.05，0≤x<1，0.001≤y≤0.01，0.002≤y≤0.04，并且M=Sr、Ba、Mg；或者其混合物。
根据优选实施例，该板包括第三层，该第三层被提供在第一层和第二层之间并且基本上由优选地为硅树脂胶的粘合材料制成。
本发明还涉及一种制作光散射和转换板的方法，包括下述步骤
a）提供第一层和第二层，其中第二层的厚度大于期望厚度
b）可选地利用被提供在第一层和第二层之间并且基本上由粘合材料制成的第三层，连接第一层和第二层，
c）例如通过研磨，以机械方式减小第二层的厚度。
藉此，对于许多应用已经表现出，甚至是对于厚度小的第二层，根据本发明的光散射和转换板可以容易且有效地制成。
根据本发明的照明系统可以用于各种各样系统和/或应用，所述系统和/或应用为下述中的一种或多种：
- 办公室照明系统
- 家庭应用系统
- 商店照明系统，
- 家居照明系统，
- 重点照明系统，
- 聚光照明系统，
- 剧院照明系统，
- 光纤应用系统，
- 投影系统，
- 自点亮显示器系统，
- 像素化显示器系统，
- 分段显示器系统，
- 警告标志系统，
- 医疗照明应用系统，
- 指示标志系统，以及
- 装饰照明系统
- 便携系统
- 汽车应用
- 温室照明系统。
前面提到的部件、以及要求保护的部件和根据本发明在所描述实施例中使用的部件，就它们的尺寸、形状、材料选择和技术构思而言不存在任何特殊例外，使得相关领域中已知的选择标准可以不受限制地被应用。
附图说明
在从属权利要求、附图和对各附图及实例的以下描述中公开了本发明目的的附加细节、特征、特性和优点，其中各附图及实例以示例性方式示出用于在根据本发明的照明系统中使用的发光材料的若干实施例和实例以及根据本发明的照明系统的若干实施例和实例。
图1示出根据本发明一个实施例的照明系统的非常示意性的设置；
图2示出图1的光散射和转换板的详细的非常示意性的视图；
图3示出根据本发明的实例I的光散射和转换板的细节的照片；
图4示出根据本发明的实例II的光散射和转换板的细节的照片；
图5示出根据本发明的实例I和II以及比较例的两个LED的空间辐射模式；
图6示出根据本发明的实例I和II以及比较例的两个LED的发射光谱；以及
图7示出CIE 1931色度图，其示出根据本发明的实例I和实例II以及比较例的两个LED的普朗克轨迹。
具体实施方式
图1示出根据本发明一个实施例的照明系统的非常示意性的设置。图1的大部分为现有技术且为技术人员所知晓，并且因此只是简要描述。显见的是，图1的照明系统仅仅是示例性的并且技术人员可以使用不同部分或者即兴对其替换。
照明系统1包括薄膜芯片蓝光LED 20，光散射和转换板10被提供在该LED上；二者都被透镜覆盖。
图2示出图1的光散射和转换板的详细的非常示意性的视图。板10包括第一层12（具有厚度A）、第二层14（具有厚度B）以及在它们之间的硅胶层16。图2是高度示意性的并且在大多数应用中实际维度将大不相同。注意，板10被提供在照明系统1中，使得第二层12位于蓝光芯片LED 20和第二层14之间的光路中。
通过下述实例I和II将进一步理解本发明，实例I和II以纯粹说明性方式示出本发明的若干照明系统。
在各实例中，Y2.88Ce0.012Al5O12层（即第二层14）从两侧由烧结之后的1.1mm厚晶片研磨到300μm厚度。另外，质量密度为结晶Al2O3的99.98%的1mm厚多晶Al2O3层（PCA，第一层12）被研磨到150μm。随后第一层用硅树脂层（Shin Etsu KJR-9222A和KJR-9222A，混合比例为1:1）涂敷，第二层被附连，并且硅树脂层在100°C的温度硬化一个小时以及在150°C固化2小时。
在胶合之后，第二层14被进一步分别研磨到17μm（实例I）和30μm（实例II）的厚度。
随后两个板被切片为0.99x0.99mm2，安装于在约450nm发射的蓝光TFFC LED上，并且安装透镜。按照与Lumiramic磷光体转换LED相同的方式完成LED封装。
另外，与本发明实例类似地进行比较例I。在此比较例中，第二层设置为120μm的厚度并且由Y2.842Gd0.15Ce0.008Al5O12制成（即，更低的铈含量以匹配更大厚度）。
图3示出根据本发明的实例I的光散射和转换板的细节的照片。光散射和转换板的整体厚度为约205μm，其中第一层厚约140μm，第二层厚约30μm并且硅层厚约35μm。
图4示出根据本发明的实例II的光散射和转换板的细节的照片。碰巧该光散射和转换板也具有约205μm的整体厚度；然而，这里第一层厚约146μm，第二层厚约17μm并且硅层厚约42μm。
图5示出根据本发明的实例I和II以及比较例的两个LED的空间辐射模式。由于来自比较例的Lumiramic转换器板各面的发射的原因，在大发射角下的辐射通量相比之下高于由具有本发明的实例I和实例II的转换器板的LED在大角度下发射的通量。
图6示出根据本发明的实例I和II以及比较例的两个LED的发射光谱。对于比较例（120μm），总转换强度低并且发射的蓝光的峰远大于经转换的光的最大值。对于30μm实例，两个峰大约相等，这表明光散射和转换板的高效率。
图7示出CIE 1931色度图，其示出普朗克轨迹以及根据本发明的实例I和II以及比较例的两个LED的色点。可以看出，由于本发明的散射和光发射板的原因，利用30μm实例实现了约4000K的低色温，而转换层12的尺寸只是微小的变化（即变化到17μm）引起色温急剧增大到约10000K。厚度和铈浓度的变化使得能够制作色温范围在高于10000K至4000K以下的白光LED。
在上文详述实施例中的要素和特征的特定组合仅为示例性的；这些教导与本申请和以引用方式结合的专利/申请中的其它教导的互换和替代也被清楚地考虑到。如本领域技术人员将理解，本领域普通技术人员可以想到此处所描述内容的变型、修改和其它实施方式，而不背离所要求保护的本发明的精神和范围。因此，前述描述仅仅是通过实例的方式，而非意图是限制性的。在权利要求中，措词“包含”不排除存在其它要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举了某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。本发明的范围在下述权利要求及其等效表述中限定。此外，说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的本发明的范围。
Claims (6)
1.一种包括主光源和至少一个光散射和转换板（10）的照明系统，该光散射和转换板包括
a）第一层（12），其具有散射属性并且基本上不具有转换属性，其中该第一层基本上由选自包含下述的群组的材料制成：玻璃、Al2O3、Y3Al5O12、RE3Al5O12，RE=稀土金属、Y2O3、ZnS、AlON、AlPON、AlN、MgAl2O4、SiC、SiO2、Si3N4或者其混合物，以及
b）第二层（14），其具有转换属性并且位于该主光源和该第一层之间的光路内，其中该第二层基本上由选自包含下述的群组的材料制成：LubYcGddCeeAl5O12，其中b+c+d+e=3，0.09≤e≤0.24；Ca1-x-y-z-0.5uMxSi1+u-v-zAl1-u+v+zN3-vOv:Euy,Cez，其中0≤u<0.2，0<v<0.05，0≤x<1，0.001≤y≤0.01，0.002≤y≤0.04，并且M=Sr、Ba、Mg；或者其混合物，
其中该第一层的厚度A和该第二层的厚度B满足A≥3*B，
以及其中该第一层基本上由密度为理论密度的≥90%且≤100%的陶瓷材料制成，
该第二层的厚度B为≥5μm且≤80μm，并且
该第一层的厚度A为≥50μm且≤1000μm。
2.根据权利要求1所述的照明系统，其中该第二层基本上由陶瓷材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中该第一层A的散射系数为>0且≤1000cm-1。
4.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中该第一层和该第二层的折射率之间的折射率差异Δn为≥0.03且≤1。
5.根据权利要求1或2所述的照明系统，其中该板包括第三层，该第三层被提供在该第一层和该第二层之间并且基本上由粘合材料制成。
6.一种包根据权利要求1至5中任意一项所述的照明系统的系统，该系统在一种或多种下述应用中被使用：
- 办公室照明系统，
- 家庭应用系统，
- 商店照明系统，
- 家居照明系统，
- 重点照明系统，
- 聚光照明系统，
- 剧院照明系统，
- 光纤应用系统，
- 投影系统，
- 自点亮显示器系统，
- 像素化显示器系统，
- 分段显示器系统，
- 警告标志系统，
- 医疗照明应用系统，
- 指示标志系统，
- 装饰照明系统，
- 便携系统，
- 汽车应用，以及
- 温室照明系统。
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