CN103227255A - 一种生成白光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及绿色照明技术，公开了一种生成白光的方法，采用紫外光源激发至少两类ZnO基量子点，辐射出至少一种峰值波长在470～500nm范围内的光和至少一种峰值波长在550～760nm范围内的光，混合这些辐射的光生成白光。本发明所生成的白光为具有较高显示指数的连续宽谱白光；白光色温宽范围可调；避免了光色畸变现象，白光光色稳定，色坐标和色域易于调控。所生成的白光的色坐标落在包围着黑体轨迹的一个半月牙状的白光光色区间内，该区间囊括了几乎所有的白光光色。另外，紫外光被完全消耗，转换成波长大于470nm的长波长的光，有助于减轻蓝光危害。
Description
技术领域
本发明涉及照明技术领域，尤其是涉及一种绿色照明技术，更具体地是涉及一种生成白光的方法。
背景技术
目前，在LED绿色照明领域，获得照明白光最主要的方法是采用蓝光LED芯片激发黄色荧光粉。
尽管这样的照明白光有着较高的发光效率，但由于其是一种断续光谱，在某些可见光波段存在明显的光谱缺失现象:黄色荧光粉普遍存在红色光谱部分缺失。
而且蓝光LED芯片的蓝光光谱狭窄，导致所得白光的显示指数较低，一般在80以下，无法满足高显色性照明场合的要求。
此外，由于这种方式合成的白光是由荧光粉的黄色荧光与LED芯片射出的蓝光混合而成，因此器件所发白光的颜色会随驱动电压和荧光粉体涂层厚度的变化而变化，白光光色稳定性差，而且白光光色空间分布不均匀。
同时，由于蓝光LED芯片与黄色荧光粉的发光效率衰减速率不一致，也导致器件在有效使用期内容易出现光色畸变。
此外，早前有媒体报道了孩子在浴霸下洗澡导致眼睛被严重灼伤一事，专家分析称，元凶是浴霸发出的蓝光。近日，蓝光又再遭抨击：浙江山蒲照明电器有限公司董事长、政协委员江涛在该省"两会"上对时髦的LED灯表示质疑，缘由仍是该灯中含有大量的蓝光。
为了解决上述“蓝光LED结合黄色荧光粉生成白光”技术中白光显色指数低、白光稳定性差、光色畸变等问题，人们尝试采用紫外-近紫外LED激发红绿蓝三基色荧光粉输出不同的辐射光，这些不同的辐射光自然混合生成白光。
但其缺点是：混合荧光粉中不同粉体的吸收/激发/发射谱、热稳定性、化学稳定性、老化衰减速率等不一致，导致配比调控困难、色坐标和色域不易调控；而且不同荧光粉体之间光颜色存在再吸收，使得荧光效率偏低。
基于上述问题，采用紫外-近紫外光源源激发单基质荧光材料生成白光，是一种很好的改进方法。因为人眼对紫外-近紫外光源不敏感，所以，生成的白光颜色只由单基质荧光材料决定。而单基质荧光材料的吸收/激发/发射谱、热稳定性、光衰速率等参数是统一的，因此生成的白光光色稳定性非常好，也可大大改善白光光色在空间分布上的均匀性，而且不存在混合荧光材料间光颜色再吸收问题，荧光效率也有所提高。
白光量子点是目前热门研究的单基质荧光材料之一。白光量子点的荧光辐射峰显著增宽，且可表现为白色荧光。其原理与量子点表面晶格结构缺陷有关，不同的表面缺陷态可充当电子跃迁过程中的中间态，从基态被激发到激发态上的电子在跃迁回基态时经由这些不同的中间态，从而出射出不同能量的可见光，这些不同能量的可见光在发射光谱上叠加即表现为宽光谱型。此外，量子点的发光特性具有量子尺寸效应，故可通过改变量子点的粒径使其发光光谱发生移动，从而实现单基质量子点全色发光。
采用单基质的量子点生成白光，突破了传统白光生成方法上局限于荧光粉光转换的困境。量子点较之于荧光粉材料，制备工艺简单，价格成本低。而且，颗粒细小均匀，能很好的分散在器件封装用的树脂、玻璃、塑料等材料中。目前研究得较多的是可发射白光荧光的CdSe(硒化镉)量子点，但是由于其对人体有害，而且镉元素属于重金属元素，存在环境污染危害，所以无法满足绿色照明环保安全的要求。
综上所述，现有的生成白光的技术具有一定的局限性，并且存在相关的难以解决的问题和缺陷，技术有待创新改进。
发明内容
本发明为克服上述现有技术中的至少一种不足，提供一种能够满足绿色照明要求的生成白光的方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的。
一种生成白光的方法，采用紫外光源激发至少两类ZnO基量子点，辐射出至少一种峰值波长在470～500nm范围内的光和至少一种峰值波长在550～760nm范围内的光，混合这些辐射的光生成白光。
通过本方案中的方法生成的白光为具有较高显示指数的连续宽谱白光；白光色温宽范围可调；所得的白光不存在由于不同发光物质的热稳定性不一致或光效率衰减速率不一致而导致的光色畸变现象，白光光色稳定，色坐标和色域易于调控；所得白光光色空间分布均匀；所得的混合ZnO基量子点的光辐射生成的白光，其色坐标落在包围着黑体轨迹的一个半月牙状的白光光色区间内，该区间囊括了几乎所有的白光光色。紫外光被完全消耗，转换成长波长的光（大于470nm），有助于减轻蓝光危害。
所得白光的色温调节可通过简单调节具有不同辐射谱的ZnO基量子点的混合比例实现。再者，根据量子尺寸效应，在制备过程中控制ZnO基量子点的尺寸，可方便地调节其发光光谱使之适当地蓝移或红移，从而实现光色域的精确调节。
ZnO量子点制备成本低，工艺简单，无毒环保，能很好地满足绿色照明的要求。
本方案所生成的白光的色坐标落在包围着黑体轨迹的半月牙状的白光光色区间内。
作为一种优选的方案，采用紫外光源只激发两类ZnO基量子点，其中第一类ZnO基量子点辐射出峰值波长在470～500nm范围内的蓝光，第二类ZnO基量子点辐射出峰值波长在550～760nm范围内的绿光，混合两类ZnO基量子点辐射的光生成白光。且所生成的白光中的蓝光波长较长，减轻了蓝光危害。
作为一种具体的方案，上述的其中一类ZnO基量子点为掺锂氧化锌量子点，以辐射出蓝光；另一类为掺钠氧化锌量子点、或掺钾氧化锌量子点，以辐射出绿光。
紫外光UVA波段的波长为320～420nm，又称为长波黑斑效应紫外线，它有很强的穿透力，可以穿透大部分透明的玻璃以及塑料。本方案优选采用能发出波长小于400nm紫外光的紫外光源。紫外光源一般采用紫外发光二极管或紫外灯管，这些光源成本低廉，适合于批量生产。
优选地，上述的ZnO基量子点是采用水热法制备的水溶性量子点或采用溶胶-凝胶法制备的油溶性量子点。
优选地，上述的ZnO基量子点采用PEG或PVP进行表面改性处理，或者采用SiO2进行表面包覆。以减少量子点的表面缺陷、增强量子点的抗氧化能力、提高化学或热力学稳定性等。
优选地，上述的ZnO基量子点混合于硅胶、玻璃或PMMA中制备成纳米复合材料，再封装到照明设备里，但不限于硅胶、玻璃或PMMA。紫外光源激发所述的纳米复合材料中的ZnO基量子点。
作为更加优选的方案，上述的第一类ZnO基量子点辐射出峰值波长为480±10 nm的光，第二类ZnO基量子点辐射出峰值波长为620±10 nm的光，混合这两种光可以生成具有较高显色指数的白光。
上述方案中，通过调节上述的ZnO基量子点的粒径来改变上述辐射的光的峰值波长。通过调节量子点的尺寸分布来调节发射谱的半高宽，从而实现宽带发射。通过适当改变ZnO基量子点粒径，使蓝光辐射谱峰值波长在483nm附近，而使绿光辐射谱适当红移，还可实现高显色指数的白光。
本发明与现有技术相比主要具有如下有益效果：突破了传统采用蓝光LED芯片结合黄色荧光粉生成白光的技术局限，创新地采用紫外光源激发ZnO基量子点以获得高显色指数的白光。
本发明不似传统技术那样采用LED芯片与荧光粉两种发光材料结合来获得具有断续光谱的白光，而是由单基质的ZnO基量子点唯一地提供可见白光，主要具有好处：一），所得白光为具有较高显色指数的连续宽谱白光；二），所得白光不再存在由于不同发光物质的热稳定性不一致或光效率衰减速率不一致而出现的光色畸变现象，白光光色稳定，色坐标和色域易于调控；三），所得白光光色空间分布均匀；四），白光中的蓝光波长较长，减轻了蓝光危害。
附图说明
图1为实施例中光谱可调的ZnO量子点蓝/绿光辐射谱示意图。
图2为实施例中生成的白光的CIE 1931色度图示意图。
图3为实施例中生成的白光的光谱示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
其中附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
为了更好的说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸。
此外，对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1：
实验研究表明，不同I族元素掺杂的ZnO量子点具有不同的发光特性。例如，高浓度掺锂氧化锌量子点[ZnO:Li QDs]可发射峰值波长在480nm附近的蓝光辐射；而低浓度掺锂氧化锌量子点[ZnO:Li QDs]，或者掺钠氧化锌量子点[ZnO:Na QDs]，或者掺钾氧化锌量子点[ZnO:K QDs]则具有峰值波长在560nm左右的绿光辐射。
本实例中，采用溶胶-凝胶法分别制备了具有蓝光辐射特性的[ZnO:Li QDs]和具有绿光辐射特性的[ZnO:Na QDs]，并通过调节反应物之间的摩尔质量比改变制备的氧化锌量子点粒径，从而使氧化锌量子点的发光光谱发生移动。
实验过程：将醋酸锌的酒精溶液分别与不同浓度的氢氧化锂和氢氧化钠的酒精溶液在冰浴条件下混合反应，其中[Zn+]：[LiOH]的摩尔质量比分别为1：6，1：4和1：2，[Zn+]：[NaOH]的摩尔质量比分别为1：1、1：2和1：4，接着分别往混合溶液中加入正己烷以沉积析出ZnO量子点，并离心分离，然后再重复用无水酒精和正己烷将未反应的残余物质洗除。最后将离心分离所得的ZnO量子点混入硅胶中，制备成ZnO量子点-硅胶纳米复合材料。
量子点混到硅胶当中来封装，可以先各自混到硅胶里，然后再均匀相混或者分层混合封装；也可以同时混到同一硅胶，然后搅拌、均匀混合，这与多种荧光粉封装类似。然后采用一紫外光源进行照射。
如图1所示，为波长为266nm的紫外光源激发下，ZnO：Li量子点-硅胶纳米复合材料的蓝光辐射谱和ZnO：Na量子点-硅胶纳米复合材料的绿光辐射谱。由图可见，ZnO量子点的蓝或绿光辐射谱光谱的峰值波长产生位移。当[Zn+]与[LiOH] 的摩尔质量比依次为1：6、1：4和1：2时，蓝光辐射谱的峰值波长依次位于466nm、474nm和483nm附近；当[Zn+]与[NaOH]的摩尔质量比依次为1：1、1：2和1：4时，绿光辐射谱的峰值波长依次位于561nm、573nm和601nm附近；为便于查看，列出下表所示的对比表。从表中可以看出，通过改变反应物的摩尔质量比可以使蓝或绿光辐射谱的峰值波长产生有规律的位移，即实现蓝或绿光辐射谱的峰值波长可调。
这些光谱在如图2所示的CIE1931色度图中对应的色度坐标点，依次为P1（0.194，0.227）、P2（0.198，0.251）、P3（0.212，0.281）、P4（0.373，0.459）、P5（0.400，0.469）和P6（0.453，0.464）。 
理论上通过量子点成长使颗粒粒径增大，还能够把蓝光辐射谱向绿光辐射谱方向移动；而绿光辐射谱则可继续红移到中心波长接近620nm附近，在图2中表示出来，即从P6移动到P7。因此，通过选定具有适当的ZnO基量子点进行混合发光，可实现图2中半月牙形状区域内任意的白光光色。而这一区域几乎囊括了所有的白光光色。
本实例中选取P1点对应的ZnO量子点和P6点对应的ZnO量子点，通过适当调整上述两种ZnO量子点的混合比例，使其蓝光辐射的辐射通量与绿光辐射的辐射通量的比例为1：1，生成了色温为5580K，显示指数达90.2的白光光色。该白光光色的色度坐标点为图2中的Q点，该白光光色的光谱图如图3所示。
另外，通过蓝光辐射的辐射通量与绿光辐射的辐射通量比例的改变，可实现不同色温的白光光色。而要实现更高显示指数的白光光色，只需使生成的白光的色坐标点尽量接近黑体轨迹。
需要说明的是，氧化锌量子点的发光是其在紫外光源激发下的光致发光，优选出射UVA光波段的紫外光源，但并不限定紫外光源的类型，也可以是紫外LED，还可以是其他类型的紫外光管。
以上实施例或描述附图中位置关系的文字仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种生成白光的方法，其特征在于，采用紫外光源激发至少两类ZnO基量子点，辐射出至少一种峰值波长在470～500nm范围内的光和至少一种峰值波长在550～760nm范围内的光，混合这些辐射的光生成白光。
2.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，采用紫外光源激发两类ZnO基量子点，其中第一类ZnO基量子点辐射出峰值波长在470～500nm范围内的蓝光，第二类ZnO基量子点辐射出峰值波长在550～760nm范围内的绿光，混合两类ZnO基量子点辐射的光生成白光。
3.根据权利要求2所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的其中一类ZnO基量子点为掺锂氧化锌量子点，另一类为掺钠氧化锌量子点、或掺钾氧化锌量子点。
4.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的紫外光源发出的紫外光的波长小于400nm。
5.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的ZnO基量子点是采用水热法制备的水溶性量子点或采用溶胶-凝胶法制备的油溶性量子点。
6.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的ZnO基量子点采用PEG或PVP进行表面改性处理，或者采用SiO2进行表面包覆。
7.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的ZnO基量子点混合于硅胶、玻璃或PMMA中制备成纳米复合材料，紫外光源激发所述的纳米复合材料中的ZnO基量子点。
8.根据权利要求2所述的生成白光的方法，其特征在于，所述的第一类ZnO基量子点辐射出峰值波长为480±10 nm的光，第二类ZnO基量子点辐射出峰值波长为620±10nm的光。
9.根据权利要求1所述的生成白光的方法，其特征在于，通过调节所述的ZnO基量子点的粒径来改变所述辐射的光的峰值波长。
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