CN103154185B - 具有有机磷光体的发光装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了发光装置(100),其包括适于发射第一波长光的光源(105),以及波长转换元件(106),所述波长转换元件布置成接收所述第一波长光并适于将至少部分所述第一波长光转换为第二波长光,所述波长转换元件包括:i)包含聚酯骨架的载体聚合材料,所述聚酯骨架包含芳族基团,及ii)至少一种指定通式的波长转换材料。现已发现苝衍生的化合物在掺入所述载体材料时具有优异的稳定性。

Description

具有有机磷光体的发光装置
发明领域
本发明涉及包括远程波长转换元件的发光装置,该波长转换元件包含聚合载体和磷光体。
发明背景
基于发光二极管(LED)的照明装置正越来越多地用于各种各样的照明应用中。LED可提供优于传统光源,如白炽灯和荧光灯的益处,包括寿命长、光效高、工作电压低和快速调制的流明输出。
有效的高功率LED经常基于蓝色发光材料。为了产生具有期望颜色(例如白色)输出的LED基照明装置,可以使用合适的波长转换材料(通常被称为磷光体),其将部分由LED发出的光转换成更长波长的光,以便产生具有所期望的光谱特性的光组合。波长转换材料可以直接应用到LED装置上,或其可以以一定距离远离磷光体布置(所谓的远程构造)。
许多无机材料已被用作用于将由LED发出的蓝光转换为更长波长的光的磷光体材料。然而,无机磷光体具有其相对昂贵的缺点。此外,无机磷光体是光散射粒子,因此始终反射部分入射光,这导致设备的效率损失。此外,无机LED磷光体具有有限的量子效率和相对宽的发射光谱,特别对于发红色光LED磷光体,这导致额外的效率损失。
目前,正在考虑在LED中用有机磷光体材料替代无机磷光体,其中将蓝光转换为绿至红光是理想的,例如,用于实现白光输出。有机磷光体具有能够容易调节其发光光谱的位置和带宽的优点。有机磷光体材料经常也具有高度的透明度,这是有利的,因为相比于使用更吸光和/或更反射光的系统,提高了照明系统的效率。此外,有机磷光体比无机磷光体的便宜得多。然而,由于有机磷光体对LED的电致发光活动过程中所生成的热敏感,有机磷光体主要用在远程构造装置中。
阻碍有机磷光体材料在远程磷光体LED基照明系统中应用的主要缺点是其光化学稳定性差。已经观察到有机磷光体在空气存在下用蓝光照射时迅速降解。
US2007/0273274(Horiuchi等人)公开了包含发光装置并包含布置在气密腔内的有机磷光体的半透明叠层板。该气密腔用有机磷光体填充,并处于在真空或惰性气体的环境气氛的氧浓度保持在100ppm和优选在20ppm或更低的状态下,以避免磷光体的劣化。然而,在这样的低浓度的氧下执行此操作是困难和昂贵的。
因此,在本领域中仍然有改善采用有机磷光体材料的发光装置的需求。
发明概述
本发明的一个目的是克服这个问题,并提供采用了寿命增加的磷光体的发光装置。
根据本发明的第一方面,这个和其他的目的通过发光装置来实现,该发光装置包括适于发射第一波长光的光源(通常包括至少一个LED),及波长转换元件,该波长转换元件布置成接收所述第一波长光并适于将至少部分该第一波长光转换为第二波长光,所述波长转换元件包括:i)包含聚酯的载体聚合材料,所述聚酯包含引入到聚合物主链的芳族基团,及ii)至少一种具有如下通式I的波长转换材料:
其中
G1是直链或支链烷基或含氧烷基CnH2n+1Om,n为1至44的整数,且m<n/2,或Y;
A、B、C、J和Q各自独立地为氢、异丙基、叔丁基、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1至16的整数;
G2、G3、G4和G5各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数,或X;且D、E、I、L和M各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数。
本发明人惊奇地发现具有上述通式的波长转换材料在掺入所述聚酯基质时表现出优异的稳定性,并因此提高了寿命。具体地,现发现其中G1为Y的根据所述通式的波长转换化合物与所述聚酯基质结合是有利的。甚至更有利地的是G1为Y,A和C各自为异丙基,B、J和Q各自为氢,G2、G3、G4和G5各自为X且D、E、I、L和M各自为氢。
在本发明的实施方式中,聚合材料包括具有如下通式II的重复单元的聚酯均聚物:
其中A选自如下的基团:
且其中B是选自如下的两个基团:
或者,聚合材料可以包含这样的聚酯共聚物,所述聚酯共聚物包含在位置A和B的所述基团的任意组合的多种重复单元。具体地,这种聚酯共聚物可以包含在位置A和B的所述基团的任意组合的第一重复单元,并包含在位置A和B的所述基团的另一种组合的第二重复单元。即,该共聚物可以包含第一重复单元,其中A为上述A基团之一,且B是所述两个B基团之一。第二重复单元可以在A位置或在B位置或其二者与第一重复单元不同。
在本发明的实施方式中,聚合材料可以由一种或多种芳族二羧酸来制备,并可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或其共聚物和/或聚萘二甲酸乙二醇酯和/或其共聚物。具体地,该聚合材料可以包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN),或其源自1,4-环己烷二甲醇的共聚物。
在本发明的实施方式中,波长转换材料分散在载体聚合材料中。聚合材料可以形成膜,其可以含有分散于其中的波长转换材料。所述波长转换材料在波长转换元件中的含量可以是1重量%或更少,例如0.1重量%或更少,如0.01重量%或更少。
在本发明的实施方式中,波长转换元件包括适于将光源发出的光转换为第三波长光的第二波长转换材料。因此,通过使用多种波长转换材料可以按所需更便利地调节输出光的光谱组成。第二波长转换材料可以是无机或有机的。
在本发明的实施方式中,光源和波长转换元件空间上彼此分开布置,即以所谓的远程构造。因此,磷光体较少地暴露于LED的高工作温度,及相比于磷光体布置更靠近或直接邻近于光源的情形,降低磷光体材料的降解速度。
在本发明的实施方式中,波长转换元件被包含在发光装置的密封腔内,所述密封腔的氧浓度基于密封腔内的总体积为3%或更少,优选0.6%或更少,且更优选0.1%或更少。本发明人发现,本发明的包含上述的聚合材料和波长转换材料的波长转换元件当保持在低氧含量的气氛下显示出特别好的稳定性。
任选地,密封腔可以进一步包括适于从所述腔内的气氛中去除氧的吸气剂。因此,无需在低氧的气氛中密封该腔即可以在该腔内得到同样低的氧含量,或在密封腔内由密封腔内的组分或材料释放氧气是可以接受的。在本发明的实施方式中,具体地在该腔也含有吸气剂时,该腔通过非不透气密封(即,气体如氧可渗透的)的封条来密封。
应当注意,本发明涉及在权利要求中所记载的特征的所有可能的组合。
附图简要说明
现在,将参考显示本发明实施方式的附图来详细地描述本发明的这个和其他的方面。
图1显示了本发明的示例性实施方式的侧视图。
发明详述
本发明人发现,某些苝衍生物在暴露于导致其他的有机磷光体化合物的快速降解的条件下出乎意料地具有长寿。特别地,本发明人发现,当苝衍生物被包含在PET基质,如膜中时,蓝色光照射下该磷光体令人惊讶地在空气中和半缺氧条件下中均表现出良好的稳定性。
此外,现发现,在远程应用磷光体而不是与LED元件一起集成时,尤其由于较低的温度,磷光体材料降解较慢。
图1显示了根据本发明的实施方式的LED基发光装置。以改型(retrofit)灯100提供这种实施方式的发光装置。术语“改型灯”是本领域技术人员熟知的,并且是指外观为老式灯的没有LED的LED基灯。灯100包括基部102,其配置有传统的灯座102(如爱迪生螺纹灯座或卡口灯座)来提供。进一步,灯100具有包围腔104的球形光出口元件103。将多个LED105布置在腔104内的基部102上。波长转换元件106布置在光出口元件103的内侧,即光出口元件面向腔104的一侧。
波长转换元件可以作为涂层应用在光出口元件上。还考虑波长转换元件可以是自支撑层,如无需光出口元件支撑且具有任何合适的形状的膜或片材。或者,它可以成形为以一定距离远离LED和光出口元件的覆盖LED的罩元件。
波长转换元件包括用于波长转换材料的基质或载体。基质或载体材料由聚合材料形成,并且通常为透光的,使得由LED发出的光和/或由波长转换材料转换的光可以透射通过基质材料到达光出口元件。
基质或载体聚合物材料包括含有重复单元的聚酯,至少一些所述重复单元可以是源自一种或多种芳族二酸。通常,芳族基团形成部分聚合物骨架。
例如,聚合基质可以包括的聚合物具有含有如下通式II的n个重复单元的骨架的聚合物:
其中对于聚合物骨架的至少一些重复单元,A是选自如下的芳族基团:
一个或多个上述重复单元的基团B可以包括环状烃基团,如环己烷基团。例如,聚合物骨架的上述重复单元的-(CH2)2-基可以用环状烃基团(如1,4-二亚甲基环己烷基)取代。具体地,B可以选自如下两个基团:
具体地,聚合物材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET),其中式(II)的A位置对应于1,4-亚苯基且式(II)的B位置对应于亚乙基;聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)(其中,式(II)的A位置对应于亚萘基且式(II)的B位置对应于亚乙基),和它们的共聚物。PET可以由乙二醇和对苯二甲酸之间的酯化反应来生成。
因此,基质材料可包括一种或多种选自如下的聚合物:由乙二醇和至少一种芳族二酸制备的聚酯,由乙二醇和1,4-环己烷二甲醇的混合物和芳族二元酸制备的共聚酯,由乙二醇和芳族二酸的混合物制备的共聚酯,以及由乙二醇和1,4-环己烷二甲醇的混合物和芳族二元酸的混合物制备的共聚酯。
本发明的波长转换材料可以分散在基质材料中。本发明的波长转换材料包括选自包括如下I的化合物的组的至少一种化合物:
其中
G1是直链或支链烷基或含氧烷基CnH2n+1Om,n为1至44的整数,且m<n/2,或Y;
A、B、C、J和Q各自独立地为氢、异丙基、叔丁基、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1至16的整数;
G2、G3、G4和G5各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数,或X;且D、E、I、L和M各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数。
通常,G2、G3、G4和G5可以是氢或X,和D、E、I、L和M的至少一个可以是氢。例如,D、E、I、L和M的至少两个是氢。
现已发现这些波长转换化合物在PET基质中具有特别好的稳定性。通常,J和Q的至少一个可以是氢。
通常,波长转换材料分散在基质材料中。基于基质材料和波长转换材料的总重量,波长转换材料的浓度可以为1%或更小,优选为0.1%或更小,并且更优选为0.01%或更小。
在载体聚合材料为具有分散于其中的波长转换材料的膜的形式时,该膜的厚度可以为10微米至2mm。也可能为注模的形式。
除了上述波长转换材料,波长转换元件可以任选地包含适于将第一波长光转换为第三波长光的第二波长转换材料。第二波长转换材料可以是无机磷光体材料或有机磷光体材料,例如苝衍生物。第二波长转换材料也可以包括具有如第一波长转换化合物相同通式但在G1、G2、G3、G4、G5、A、B、C、D、E、I、M、L、J和Q位置的一个或多个上具有不同取代基的化合物。
腔104内的气氛可以是空气,或其可以受控以便具有一定的组成。例如,腔104可以由惰性气体如氮气或稀有气体(例如氩气)填充。在本发明的实施方式中,腔104内的氧浓度可以保持在低水平,如以密封腔的总体积计为20%或更低,为15%或更低,为10%或更低,为5%或更低,为3%或更低,为1%或更低,为0.6%或更低,并且优选为0.1%或更低。
在本发明的实施方式中,可以密封光出口元件103以便与外界气密地密封含波长转换元件106的腔104。可以提供不透气的封条107以密封该腔。可以使用降低腔内降解气体如氧的含量的方法和条件来进行该腔的密封。这样的方法和条件对本领域技术人员是已知的,包括真空泵气并用惰性气体填充该腔;用惰性气体冲洗该腔;或在无氧环境如手套箱中密封该腔。因此,相比于正常的空气,腔104内的气氛可以具有降低的氧含量。
或者,在本发明的实施方式中,腔104不是气密地进行密封。例如,封条107可以为可渗透的,如允许气体(例如氧)低速渗透进入腔104中。可渗透的封条通常为有机粘合剂,如环氧粘合剂。
此外,在本发明的实施方式中,腔104可以任选地含有吸气剂108,该吸气剂适于从腔104内的气氛中去除气体,特别是氧。有利地,通过使用吸气剂,可以控制腔104内的氧含量而无需使用气密封条,而是使用气体可渗透的封条。然而,结合使用吸气剂与不透气的封条可以是有利的。一个益处是密封没有必要在无氧条件下来实现,因为之后吸气剂将吸收至少一些残存在腔104内的氧。
实验中已经证实了根据本发明的磷光体化合物的益处。
实施例1
在不同条件下测试不同有机磷光体化合物的稳定性(寿命)。所用的化合物如下:
化合物IV以染料F-300或F-305得自BASF,并且对应于如下的通式I:其中G1为Y,且G2、G3、G4和G5各自为X,且A和C各自为异丙基,B、J和Q各自为氢,且D、E、I、L和M各自为氢。
每种化合物掺入两种不同的聚合基质中,形成层,并置于空气或在氮中含0.1%的氧的受控气氛中。用450nm的蓝光在4.1W/cm2的光通量密度和60℃温度下照射含有磷光体材料的基质,并且测试发光强度随照射时间的变化。选择磷光体的浓度和层厚度使得蓝光的传输率在t=0秒时为90%。磷光体的寿命定义为发光强度降低10%时。所得的寿命示于表1中。
表1
如表1中所见,化合物在含于PET薄膜时在正常空气和在具有低氧含量的气氛二者中都显示了非常长的寿命。所测试的其他有机磷光体无论在空气还是在降低氧的气氛中都没有显示如此高的稳定性。
有机磷光体的降解速率尤其取决于光通量密度,这进而又取决于设备的构造。值得注意的是,本实施例中的4.2W/cm2的光通量密度高于通常在包含有机磷光体化合物的LED基照明装置中所使用的。因此,本实施例使用了加速条件,可以设想,在PET基质中的基于化合物IV的波长转换材料在商用LED基发光装置中将具有远大于3200h的寿命。
本领域技术人员可以认识到,本发明决不限于上述优选实施方式。相反,在所附权利要求的范围内的许多修改和变化是可能的。例如,没有必要提供如示于图1的实施方式所公开的密封腔。可以考虑使波长转换元件含于这样的腔,而光源并不含于同一个腔,而是在另一个腔,或者,根本不在这样的腔内。也可提供没有腔104的发光装置。在这种实施方式中,波长转换元件可以布置为直接或间接与光源接触,例如通过导光装置与光源分离。

Claims (17)

1.发光装置(100),其包括适于发射第一波长光的光源(105),以及波长转换元件(106),所述波长转换元件布置成接收所述第一波长光并适于将至少部分所述第一波长光转换为第二波长光,所述波长转换元件包括:i)包含聚酯的载体聚合材料,所述聚酯包含引入到聚合物主链的芳族基团,及ii)至少一种具有如下通式I的波长转换材料:
其中
G1是直链或支链烷基,或Y;
A、B、C、J和Q各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1至16的整数;
G2、G3、G4和G5各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数,或X;且D、E、I、L和M各自独立地为氢、氟、甲氧基、或未取代的饱和烷基CnH2n+1,n为1到16的整数;
其中所述波长转换元件被包含在密封腔(104)内,所述密封腔的氧浓度基于密封腔内的总体积计为3%或更少。
2.根据权利要求1的发光装置,其中G1为Y。
3.根据权利要求2的发光装置,其中G2、G3、G4和G5各自为X,A和C各自为异丙基,并且B、J、Q、D、E、I、L和M各自为氢。
4.根据权利要求1的发光装置,其中所述聚合材料包含源自含如下通式(II)的重复单元的至少一种芳族二酸的聚酯均聚物:
其中A是选自如下的基团:
且其中B是选自如下的基团:
5.根据权利要求4的发光装置,其中所述聚合材料包含聚酯共聚物,所述聚酯共聚物包含第一重复单元和第二重复单元,所述第一重复单元包含在位置A和B的所述基团的任意组合,所述第二重复单元包含在位置A和B的所述基团的另一种组合。
6.根据权利要求1的发光装置,其中所述聚合材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或其共聚物和/或聚萘二甲酸乙二醇酯和/或其共聚物。
7.根据权利要求1的发光装置,其中所述聚合材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN),或其部分或完全源自1,4-环己烷二甲醇的共聚物。
8.根据权利要求1的发光装置,其中所述波长转换化合物分散在所述聚合材料中。
9.根据权利要求8的发光装置,其中所述聚合材料为薄膜形式。
10.根据权利要求8的发光装置,其中所述波长转换材料在所述波长转换元件中的含量为1重量%或更少。
11.根据权利要求1的发光装置,其中所述波长转换元件包括适于将光源发出的光转换为第三波长光的第二波长转换材料。
12.根据权利要求11的发光装置,其中所述第二波长转换材料为无机磷光体材料。
13.根据权利要求11的发光装置,其中所述第二波长转换材料为有机磷光体材料。
14.根据权利要求1的发光装置,其中所述光源和所述波长转换元件(106)空间上彼此分开布置。
15.根据权利要求1的发光装置,其中所述密封腔的氧浓度基于密封腔内的总体积计为0.6%或更少。
16.根据权利要求1-15任一项的发光装置,其中G1是含氧烷基CnH2n+1Om,n为1至44的整数,且m<n/2。
17.根据权利要求1-15任一项的发光装置,其中A、B、C、J和Q各自独立地为氢、异丙基、叔丁基、氟、或甲氧基。
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