CN103649269A - 波长转换元件 - Google Patents

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Abstract

一种波长转换元件(101、102、103、110)，包括聚合物载体材料，其包括适配于将第一波长的光转换为第二波长的光的第一波长转换材料，其中聚合物载体材料的氧扩散系数(D)在25℃为8×10-13cm2／s或更低。通过选择氧扩散系数(D)在25℃为8×10-13cm2／s或更低的聚合物载体材料，实现了波长转换材料延长的寿命。

Description

波长转换元件
技术领域
本发明涉及一种包括聚合物载体材料的波长转换元件，该聚合物载体材料包括荧光体，以及涉及包括这种光转换元件的发光设备。
背景技术
基于发光二极管(LED)的照明设备正越来越多地用于多种照明应用。LED提供了优于诸如白炽灯和荧光灯之类的传统光源的优势，包括寿命长、发光效率高、工作电压低和流明输出调制快。
高效高功率LED通常基于蓝色发光材料。为了生产基于LED的具有期望的颜色输出(例如白色)的照明设备，可以使用合适的波长转换材料(通常被称为荧光体)将由LED发射的光的部分转换为更长波长的光，以便产生具有期望的光谱特性的光的组合。波长转换材料可以直接应用在LED芯片上，或者可以布置在距离荧光体一定距离的位置(称作远程配置)。
许多无机材料已经作为荧光体材料用于将由LED发射的蓝色光转换为更长波长的光。然而，无机荧光体有一些缺点，它们相对昂贵。此外，无机荧光体是光散射的微粒，因此总是反射一部分入射光，这就导致在设备中的效率损失。此外，无机LED荧光体量子效率有限并且发射光谱相对宽(尤其对于发射红色光的LED荧光体)，这就导致额外的效率损失。
现今，当需要将LED发射的蓝色光转换为黄／橙色光，例如为了得到白色光输出时，正在考虑用有机荧光体材料替代LED中的无机荧光体材料。有机荧光体具有优点，它们的发光光谱易于根据位置和频带宽度调节。有机荧光体材料还经常具有高透明度，这是有益的，因为与使用更吸收光和／或反射光的荧光体材料的系统相比，改进了照明系统的效率。此外，有机荧光体的成本比无机荧光体低得多。然而，由于有机荧光体对LED在电致发光活动过程中产生的热敏感，有机荧光体主要用于远程配置设备。
阻碍有机荧光体材料在基于远程荧光体LED的照明系统中应用的主要障碍是它们的弱光化学稳定性。
US2007／0273274(Horiuchi等人)公开了一种半透明层压板，其包括发光设备并且包括有机荧光体，其被布置在氧气浓度低的气密腔体中从而减少荧光体的退化。然而，保持低氧气浓度是困难且昂贵的。
因此在本技术领域中仍然需要应用有机荧光体材料的发光设备。
发明内容
鉴于上述及其它现有技术的缺点，本发明的一个目的是提供包括寿命增加的荧光体的波长转换元件。
根据本发明的第一方面，通过一种波长转换元件实现这个及其它目的，该元件包括聚合物载体，该聚合物载体包括适于将第一波长的光转换为第二波长的光的第一有机波长转换材料，其中聚合物载体材料的氧扩散系数(D)在25℃为8×10-13cm2／s或更低。波长转换元件被包括在发光设备中，该发光设备进一步包括适于发射第一波长的光的光源，其中波长转换元件被布置为接收第一波长的光，并且适于将第一波长的光的至少部分转换为第二波长的光。
在本发明的实施例中，第一波长转换材料可以为包括二萘嵌苯衍生物的有机荧光体材料。
可以通过在聚合物材料中对其的合并改进有机荧光体材料的稳定性，并且这最近已经在非公开申请(EP10181066.1)中被进一步描述，由此通过引用合并入本文。
本发明人惊讶地发现，当波长转换材料被包含在惰性环境中时，波长转换材料的退化率与相应的在具有0.6％或更低的氧气浓度的环境中的退化率本质上相同，而对于高于0.6％的氧气浓度，如通常所预期的，波长转换材料的退化率随氧气浓度的增加而迅速增加。因此，本发明人已经发现，可以通过提供具有0.6％或更低的氧气浓度的环境，实现与在惰性环境中所实现相同的波长转换材料的稳定性和因此相同的寿命。由此，无需提供完全的惰性环境。
根据上述发现类推，本发明人已经发现，只要聚合物载体材料的氧扩散系数(D)在25℃为8×10-13cm2／s或更低，被包括在聚合物载体材料中的波长转换材料，诸如有机荧光体材料，展示出卓越的稳定性以及由此改进的寿命。本发明人已经示出，对于具有高于8×10-13cm2／s的氧扩散系数(D)的聚合物载体材料，波长转换材料的退化率随着氧扩散系数(D)的增加而迅速增加，从而如上所述大概相应于高于0.6％的氧气浓度。
有利地，聚合物载体材料的氧扩散系数(D)可以在25℃为4×10-13cm2／s或更低，诸如举例而言1×10-13cm2／s或更低。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，聚合物载体材料可以有利地包括半结晶聚合物材料。
有利地，第一波长转换材料包括有机波长转换材料。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，第一波长转换材料可以包括二萘嵌苯衍生物。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，聚合物载体材料的玻璃转化温度可以为60℃或更高，例如100℃或更高，诸如140℃或更高。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，聚合物载体材料有利地对第一波长和第二波长的光是透明的。
在根据本发明的波长转换元件中，聚合物载体材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和／或其共聚物和／或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和／或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纤维素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一个。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，第一波长转换材料可以散布于聚合物载体材料中，其中第一波长转换材料在波长转换构件中的重量含量可以是1％或更低。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，聚合物材料可以为薄膜形式，薄膜的厚度范围是从30微米至2毫米。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，波长转换元件可以包括第二波长转换材料，该材料适于将第一波长的光转换为第三波长的光。因此，使用多于一个波长转换材料，可以更方便地按期望修改其光学特性。第二波长转换材料可以是无机或有机的。
在根据本发明的发光设备的实施例中，光源和波长转换元件可以被布置为相互隔开。在所谓的远程配置中即是如此，其中波长转换元件被较少地暴露于LED的高工作温度下，由此减小荧光体材料的退化率。
一种用于制造使用在波长转换元件中的聚合物材料的方法，包括确定聚合物载体材料在25℃具有8×10-13cm2／s或更低的氧扩散系数(D)的步骤。
注意到，本发明涉及在权利要求中所述的特征的所有可能组合。
附图说明
现将参照示出本发明(多个)示范性实施例的附图，更详细地描述本发明的这个和其它方面，其中：
图1a-1d示出了根据本发明的发光设备的实施例的截面侧视图；
图2示出了来自包括荧光体材料的聚合物材料层的发光以时间为函数的绘图；
图3示出了在不同氧气浓度下，包括在聚合物材料中的荧光体材料的衰减率以温度的倒数为函数的绘图；
图4示出了包括在聚合物材料中的荧光体材料(在120℃下测量)的衰减率以(在N2中的)氧气浓度为函数在对数尺度的绘图；以及
图5示出了包括在不同聚合物材料中的荧光体材料(在60℃下测量)的衰减率以不同聚合物材料的氧气扩散常数(D)为函数的绘图。
具体实施方式
在下列描述中，将参照一种波长转换元件和包括这样的波长转换元件的一种发光设备描述本发明，该波长转换元件包括具有波长转换材料的聚合物载体材料，该波长转换材料散布或分子溶解在聚合物载体材料中。
本发明人惊讶地发现，通过选择在25℃具有8×10-13cm2／s或更小的氧扩散系数(D)的聚合物载体材料，可以改进波长转换材料的稳定性并且因此延长其使用寿命。优选地，聚合物载体材料的氧扩散系数(D)在25℃可以为4×10-13cm2／s或更小，诸如举例而言在25℃为1×10-13cm2／s或更小。
聚合物载体材料可以有利地包括半结晶聚合物。
此外，聚合物载体材料可以有利地具有相对高的玻璃转化温度，例如60℃或以上，优选地为100℃或以上，诸如140℃或以上。这是因为聚合物的氧扩散系数通常在高于其玻璃转化温度的温度会相对地高。从而，具有相对高的玻璃转化温度的聚合物载体材料，即使是在更高的温度(例如LED的高工作温度)也保持低氧扩散系数。
在根据本发明的波长转换元件中，聚合物载体材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和／或其共聚物和／或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和／或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纤维素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一个。
图1a-1d示出了根据本发明的发光设备104、105、106、107的示范性实施例的截面侧视图，包括多个LED100，以及至少一个波长转换元件101、102、103、110，该波长转换元件以所谓的远程配置与LED一段距离的位置布置，以便接收从LED100发射的第一波长的光，并且适于将第一波长的光的至少部分转换为第二波长的光。聚合物载体材料通常是透明的，从而由在波长转换元件101、102、103、110中包含的波长转换材料所转换的和／或由LED发射的光可以通过其透射。
如图1a所示，发光设备104可以包括多个波长转换元件101，其中每一个被布置以从单个LED100接收光，或者如图1b-1d所示，发光设备105、106、107包括单个波长转换元件102、103、110，其被布置以从所有的LED100接收光。此外，如图1c-1d所示，波长转换元件103、110的可以被成形为半球或灯泡。波长转换元件还可以是薄膜的形式，该薄膜可以被弯曲，并且安装在玻璃管中或者缠绕玻璃管，并且这种管可以设置有发光二极管以作为改型荧光灯工作。当聚合物载体材料为具有散布于其中的波长转换材料的薄膜的形式时，薄膜的厚度范围可以为从30微米到2毫米。
图1d示出了根据本发明的发光设备的实施例，此处该设备被设置为改型灯107，包括设置有传统灯头108的基底部分108。图1d中的光转换元件110的形式是灯泡形的，以便适合于相应的光出口构件109的形式。
此外，如本领域技术人员将理解的，本发明的方法并不涉及使用任何特定的有机荧光体化合物，并且因此，波长转换材料可以包括任何具有所希望的特性的有机荧光体化合物，该希望的特性用于波长转换元件的给定应用。然而二萘嵌苯衍生化合物诸如二萘嵌苯双酰胺和二萘嵌苯单酰胺(例如可以从BASF可商业获得的染料“F170”、“F240”、“F083”、“F300”或“F305”中的任一个)可以有利地作为这些荧光体化合物使用，显示出比其它材料更高的稳定性以及良好的光学特性。
进一步的示例包括氟硼吡咯(BODIPY)荧光染料、芴衍生物、香豆素染料、氧杂蒽染料、吡咯甲川-BF2(P-BF2)复合物、二苯乙烯衍生物、罗丹明染料、诸如聚对苯乙烯撑(PPV)聚苯衍生物、荧光金属复合物之类的发光聚合物。
在本发明的一个实施例中，第一波长转换材料可以包括诸如所谓的量子点的纳米荧光体，其包括例如硒化镉和磷化铟。
在根据本发明的波长转换元件的实施例中，波长转换元件可以包括第二波长转换材料，其适于将第一波长的光转换为第三波长的光。第二波长转换材料可以是无机或有机的荧光体材料。因此，由于使用多于一个波长转换材料，可以更方便地按期望修改输出光的光谱组成。
无机荧光体材料的示例可以包括，但不限于，Ce掺杂的YAG(Y3Al5O12)或Ce掺杂的LuAG(Lu3Al5O12)。Ce掺杂的YAG发射浅黄色光，并且Ce掺杂的LuAG发射黄绿色光。其它发射红色光的荧光体材料的示例可以包括，但不限于，ECAS(ECAS，其为Ca1-xAlSiN3：Eux；其中0<x≤1；特别地x≤0.2)和BSSN(BSSNE，其为Ba2-x-zMxSis-yAlyN8-yOy：Euz(M=Sr，Ca；0≤x≤1，特别地x≤0.2；0≤y≤4，0.0005≤z≤0.05)。
在本发明中，光源有利地是固态光源，诸如举例而言LED或激光器，优选地发射在光谱的蓝紫或紫外部分中的光。
此外，本公开的实施例的其它变化可以被实施本发明的本领域技术人员通过对附图、说明书和权利要求书的研究而理解和实现。例如，图1a-1d仅仅是发光设备的示范性实施例，其中可以使用本发明的波长转换元件，应理解，波长转换元件可以被修改，并且被用于需要将光从一个波长转化为另一个波长的几乎任何类型的发光设备。此外，波长转换元件可以被应用作为在任何发光设备上的覆盖物。还可以设想，波长转换构件可以是自支撑的层，诸如具有任何适当形状的不由发光设备支撑即可稳固的薄膜或薄片。
已经通过实验证明了根据本发明的方法的优点。
示例
在一个实验中，在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基体中使用了0.1％的红色F305染料(其是一种可商业获得的有机荧光体)。图2示出了来自30微米厚的制备好的包括荧光体材料的PMMA基体的层以时间为函数的发光，该荧光体材料被450nm的蓝色光在4.2W／cm2光通量下照射。在层中的初始吸收是10％，因此强度与染料浓度直接相关。如可以看出的，由于光化学反应，强度随时间以有衰减率k的时间的指数函数而不可逆地下降。
用450nm的蓝色光在4.2W／cm2光通量密度下照射制备好的包括荧光体材料的聚合物材料，并且在各种温度下在各种氧气浓度下测量荧光体材料的衰减率。在图3中，衰减率图示为温度的倒数的函数，该衰减率是对寿命的测量。如图3所示，对应于给定的氧气浓度的平行线随着氧气浓度的升高，向上移动向更高的退化率。
图4中在120℃下测量的荧光体材料的退化率被图示为(在氮气中)氧气浓度的对数尺度的函数。可以看出，能够确定两个不同的状态。向上直到0.1％氧气浓度的测量点，浓度对退化率只有微小的影响。因此，本发明人可以通过绘制如图4所示的直线，限定两个状态。这些线在0.6％氧气浓度处交叉。本发明人限定两个状态：在向上到约0.6％氧气浓度的范围内，退化保持在第一状态中，并且氧气浓度对退化率只有微小的影响。在更高氧气浓度的范围内，退化率随着氧气浓度的增加而十分迅速地增加。
以相同的方式，本发明人使用具有不同氧气扩散常数的各种聚合物，并且在60℃测量该聚合物中包括的二萘嵌苯红色染料F305材料的退化率。结果示出于表1中，并且绘制于图5中，其中所测量的荧光体材料的退化率以聚合物的氧扩散系数为函数绘制。如图5所示，对于具有高于8×10-13cm2／s的氧气扩散常数(D)的聚合物，荧光体的退化率相对恒定，而当D在8×10-13cm2／s附近或更低时，荧光体退化率显著降低。
表1
Figure BPA0000183103920000081
在另一个实验中，在PMMA基体中使用0.01％的黄98溶剂(一种非二萘嵌苯衍生化合物)，并且与在PET基体中的一个相似的实验比较。实验条件与上文相同。如表2所示，在PET中观察到更低的退化率，该PET是一种与PMMA中的氧扩散系数相比氧扩散系数相对低的聚合物(参见表2)，该PMMA是一种氧扩散系数相对高的聚合物(参见表2)。
表2
聚合物            氧扩散系数(cm2／s)    退化率(s-1)
聚甲基丙烯酸甲酯        8.09E-13        5E-05
聚对苯二甲酸乙二醇酯    1.40E-13        8E-07
此处观察到的趋势是使用厚度范围在0.03到2mm的层得到的，该范围被用于各种发光设备。所进行的实验是加速测试，利用很高的蓝光密度，以导致合理的实验次数。在额定发光条件下，蓝光强度低得多，导致低得多的衰减，从而可以在一定条件下满足LED灯的寿命要求(通常50000h)。
在权利要求中，词语“包括”不排斥其它元件或步骤，并且不定冠词“一”(a)或“一个”(an)不排除复数。单个处理器或其它单元可以实现在权利要求中所述的多个项目的功能。某些方法被引用于彼此不同的从属权利要求并不表示不能使用这些方法的组合以获益。

Claims (10)

1.一种发光设备(104、105、106、107)，包括：适配于发射第一波长的光的固态光源(100)，以及波长转换元件(101、102、103、110)，其中所述波长转换元件被布置成接收所述第一波长的光，并且适配于将所述第一波长的光的至少部分转换为第二波长的光，所述波长转换元件(101、102、103、110)包括聚合物载体材料，所述聚合物载体材料对所述第一波长和所述第二波长的光是透明的，所述聚合物载体材料包括适配于将第一波长的光转换为第二波长的光的第一有机波长转换材料，其中所述聚合物载体材料的氧扩散系数(D)在25℃为8×10-13cm2／s或更低，其中所述聚合物载体材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和／或其共聚物和／或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和／或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纤维素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料的所述氧扩散系数(D)在25℃为4×10-13cm2／s或更低。
3.根据权利要求1所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料的所述氧扩散系数(D)在25℃为1×10-13cm2／s或更低。
4.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料包括半结晶聚合物材料。
5.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述第一波长转换材料包括二萘嵌苯衍生物。
6.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料具有60℃或更高的玻璃转化温度。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料具有100℃或更高的玻璃转化温度。
8.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述聚合物载体材料包括第二波长转换材料，所述第二波长转换材料适配于将第一波长和／或第二波长的光转换为第三波长的光。
9.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备，其中所述第一波长转换材料在所述波长转换构件中的重量含量为1％或更低。
10.根据上述权利要求中任一项所述的发光设备(104、105、106、107)，其中所述光源(100)和所述波长转换元件(101、102、103、110)被布置为相互隔开。
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