CN102468414B - 脉冲led白光发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲LED白光发光装置,属于白光LED制造技术领域。本发明LED白光发光装置,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5-20ms),所述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白光发光单元采用的驱动频率优选为50-150赫兹。本发明由于使用特定寿命的发光材料,当电流周期变化时,发光并不随着激发光源的消失而消失,而会持续到下个周期开始,从而弥补了由于脉冲电流关断时导致的LED芯片的发光频闪的影响,使白光发光装置在脉冲周期的光输出保持稳定,从而消除了脉冲频闪发光对人眼的伤害。

Description

脉冲LED白光发光装置
技术领域
本发明涉及一种脉冲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脉冲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。目前LED发光器件都采用恒流电流驱动,在这种模式下,LED芯片一直处在工作状态下,会产生大量的热量,会导致整个装置的光衰和封装材料老化等一系列问题。实际上,LED发光装置,特别是大功率装置的发光的散热问题是目前LED应用中的一个瓶颈。
美国专利US 7,489,086B2“AC LIGHT EITTING DIODE AND AC LED DRIVEMETHODS AND APPARATUS”提供了一种非恒流驱动的交流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。由于LED芯片并非一直工作,所以产生的热量较少,有利于散热。然而,虽然人眼无法区别100赫兹以上的发光频闪,但是发光的波动是现实存在的,会使眼睛疲劳,造成伤害。同时,集成封装的LED芯片在狭小的基片空间上集成还存在工艺复杂、难度大的问题。
交流电流是大小和方向随时间做周期性变化的电流。脉冲电流是方向不变,大小随时间周期性改变的电流。即按照一定的时间规律,通电一段时间,然后又断电一段时间,又通电一段时间,然后又断电一段时间,如此反复。
由于通、断电造成的发光频闪问题对眼睛的伤害,目前为止,未见实用性的脉冲电流驱动的LED白光发光装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种脉冲电流驱动的LED白光发光装置。该LED白光发光装置具有光衰小和发光波动小的优点。
本发明的技术方案:本发明脉冲电流驱动芯片的LED白光发光装置使用特定寿命的发光材料。
具体地,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5-20ms),所述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白光发光单元采用的驱动频率优选为50-150赫兹,当频率过高时,会对半导体芯片产生一定的损害。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,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。
发光材料所述发光材料为无机发光材料、有机发光材料或它们的混合。可以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+,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):Sb,Mn;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。
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白光发光装置以发光寿命极短的YAG:Ce作为发光材料,在脉冲周期变化会导致发光频闪现象,虽然人眼无法辨别在大于100赫兹的发光的频闪,但实际上这种频闪会造成视觉疲劳,对眼睛产生伤害。本发明由于采用具有特定发光时间的发光材料,在激发光源消失时能维持发光,这样,在基于本发明方案的脉冲LED白光发光装置中,当电流周期变化时,发光并不随着激发光源的消失而消失,而会持续到下个周期开始,从而弥补了由于脉冲电流关断时导致的LED芯片的发光频闪的影响,使白光发光装置在脉冲周期的光输出保持稳定,从而消除了脉冲频闪发光对人眼的伤害。而且,本发明脉冲LED白光发光装置可使用普通的单一PN结的LED芯片,不需要由于脉冲电流驱动而制备特殊芯片。另外,本发明由于在脉冲周期内LED芯片有一段时间不工作,使得其热效应下降,这样有助于克服现有恒流驱动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2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。
图3为交流电经过整流后得到的周期性脉冲波形。
图4为方波构成的周期性脉冲波形。
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。
具体实施方式
实施例1-8采用表1的发光材料和市售单一PN结LED芯片,采用通用封装技术得到的方波脉冲LED白光发光装置,脉冲频率为50赫兹,也就是脉冲周期为20ms。脉冲周期内电流接通时间为12.5ms,关断时间为7.5ms。以下实施例采用图3所述的脉冲驱动电流驱动。
本发明驱动电流不限于图3或图4所述的脉冲驱动电流。本发明适用于方向不变,大小随时间周期性改变的电流。即按照一定的时间规律,通电一段时间,然后又断电一段时间,又通电一段时间,然后又断电一段时间,如此反复。
实施例1-8
表1
试验例1本发明脉冲LED白光发光装置发光特性
表2给出了实施例1-8所给出的脉冲LED白光发光装置用每秒拍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的同一方式组成的脉冲驱动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:Eu2+,Dy3+和Y2O2S:Eu,Mg,Ti(发光寿命大于1秒)按实施例1-8的同一方式组成的脉冲电流驱动LED白光发光装置。表2中亮度数据为相对亮度,无量纲。
表2
从表2可以看出,本发明在脉冲电流周期中的发光较为稳定,电流关断时间内发光仍较好。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发光材料的脉冲LED白光发光装置获得的发光不稳定,电流关断时间内发光为零。
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脉冲LED白光发光装置的发光亮度在脉冲周期内波动也较小,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3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3CIE色坐标和色温
  色坐标   CIEx   CIEy   相关色温
  实施例1   0.3076   0.3907   4348K
  实施例2   0.3310   0.3214   5548K
  实施例3   0.3154   0.4024   6111K
  实施例4   0.3095   0.3332   6654K
  实施例5   0.3280   0.3566   5694K
  实施例6   0.3367   0.4002   5402K
  实施例7   0.3100   0.3096   6828K
  实施例8   0.3544   0.3323   4519K
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3。
试验例2本发明脉冲LED白光发光装置的光衰
表4给出了实施例1-8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:将实施例所述脉冲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,结果如表4所示。表4中数据为美能达CS-100亮度计测试的相对亮度,以最初数据归一化。
表4
从表4的数据可以看出本发明的脉冲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 (4)

1.脉冲LED白光发光单元,包括采用脉冲电流驱动的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:LED芯片发出的光与发光材料发出的光的混合色为白色;所述脉冲电流为通断式脉冲电流,所述脉冲电流的频率为50赫兹,所述LED芯片是只包含一个发光PN结的LED芯片,所述LED芯片发出的光是紫外或可见光,
并且其中,
所述LED芯片是254纳米的紫外LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为30ms的40wt%Sr2P2O7:Eu2+,Y3++60wt%Zn3(PO4)2:Mn2+,Ga3+、发光寿命为20ms的CdSiO3:Dy3+;或者
所述LED芯片是310纳米的紫外LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为55ms的15wt%Zn2P2O7:Tm3++25wt%Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,B3++40wt%CaS:Eu2++20wt%Ca4O(PO4)2:Eu2+;或者
所述LED芯片是365纳米的紫外LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为16ms的15wt%Ca2P2O7:Eu2+,Y3++25wt%Sr4Al14O25:Eu2+,Dy3+,B3++60wt%Y2O2S:Eu3+;或者
所述LED芯片是400纳米的紫外LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为5ms的50wt%SrMg2(PO4)2:Eu2+,Gd3++50wt%CaTiO3:Pr3+;或者
所述LED芯片是450纳米的蓝光LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为100ms的40wt%SrAl2O4:Eu2+,B3++60wt%Y2O2S:Sm3+;或者
所述LED芯片是460纳米的蓝光LED芯片,并且所述发光材料为发光寿命为48ms的40wt%SrAl2O4:Eu2++60wt%Y2O2S:Mg2+,Ti3+
2.脉冲LED白光发光装置,其特征在于:包括脉冲驱动电路和至少一个权利要求1所述的脉冲LED白光发光单元。
3.根据权利要求2所述的脉冲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。
4.根据权利要求3所述的脉冲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。
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