CN104253196A - 户外照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供户外照明装置，其包括在420-480nm波长具有最大峰值的蓝色LED芯片和沿该LED芯片发光方向在其前方布置的磷光体层。该磷光体层包含具有组成式Lu3Al5O12:Ce3+和1mol％以下的相对于Lu的Ce活化率的磷光体。磷光体分散在树脂中。在暗光的和中间视觉条件中，该光源产生提供较亮照明、较高的视觉感知度和较宽面积的亮度的照明。
Description
技术领域
本发明涉及适于安装在夜晚昏暗或黑暗或少有灯的那些区域例如小路，车道，广场，居民区和隧道的户外照明装置。
背景技术
在现代都市中，即使在夜晚大部分地区被许多光源包括汽车前灯和商店照明照得明亮。另一方面，在郊区和地方区域的大部分地区在夜晚是黑暗的。因此如小路、车道，公园和隧道的这样的区域具有用于安全和防护目的的街灯和户外照明装置。
然而，当将高强度光源安装在郊区和地方区域并在夜晚打开以产生明亮的照明时，产生包括令邻居讨厌，过多的电力消耗和高安装成本的问题。具有能够实现安全、防护和预防犯罪的目的而不过多消耗电力的户外照明装置是合乎需要的。
当从维护和经济的观点考虑用于街灯和户外照明装置的光源时，LED灯颇为引人注目，因为相比于传统的白炽灯和荧光灯，LED灯在能量消耗和使用寿命上是有利的。LED灯带有宽的发光变化。其中，产生包括蓝色成分的光的蓝色LED灯可用作户外照明装置的光源，典型地为如今在广泛应用的蓝色街灯。LED灯的电能利用效率非常高。LED灯提供相同的照明度所需要的电力为低到白炽灯所消耗的电力的1/5以下。LED灯通常被认为具有几万个小时的使用寿命，带来维护服务的劳动和成本的节约。由于这些原因，LED灯适合于打算用于长期连续工作的街灯和户外照明装置。
用于一般照明应用的白色LED组件具有以下结构：将磷光体涂布在具有440-470nm发光波长的蓝色LED芯片的正面，或将磷光体层就近布置在蓝色LED芯片的发光方向的前方。通过该结构，蓝光从芯片照射到磷光体，该磷光体反过来发出具有约550nm的峰值波长的宽的发出光，其与未转换波长的蓝光组合产生白光。大多数光源的白色LED灯使用具有约550nm峰值波长的发出光，因为人眼对在555nm附近的波长的光具有高灵敏度。原则上，富含该波长成分的光提供高效光照。然而，众所周知，在夜晚街道的暗光视觉条件下或在日落不久的中间视觉条件下，人类视觉灵敏度的峰值波长从555nm移动到较短波长侧，如图7所示。这被称为普尔金耶效应(Purkinjeeffect)。
在暗光和中间的视觉条件下，在使用白色LED的户外照明装置中，优选发光峰已转移到比555nm短的波长的那些。对于夜间照明，具有高颜色温度的光源正在研究中(非专利文献1)。这些现有技术的夜间照明的照明装置不被认为符合基于普尔金耶效应的视觉灵敏度变化，因为光没有完全包含在暗光和中间的视觉水平下最高视觉灵敏度的波长成分。
引用文献列表
专利文献1：JP-A2008-135381(USP8267541，EP2088362)
专利文献2：JP-A2009-151967
专利文献3：JP-A2012-038504
专利文献4：JP-A2012-009434
非专利文献1：Shirokura et al.,
"Influence on spatial brightness of spectralcharacteristics of streetlights",Journal of theIlluminating Engineering Institute of Japan,Vol.96,No.5,259-271(2012)
发明内容
发明目的是提供户外照明装置，其在如郊区、地方区域、乡下地区和隧道中经常遇到的暗光和中间的视觉条件下，产生提供较亮照明、较高的视觉感知度和较宽面积的亮度的照明。
近来，街灯系统使用数量增加的蓝色街灯，其通过将荧光灯覆盖蓝色罩以产生冷色光而构造。即，将对人类心理产生某些宁静或镇静的冷色光如蓝光的效果用于安全光。目前在尝试设计LED街灯作为蓝色街灯。然而，这些街灯仅设计为增加蓝光的量，而不考虑在暗光和中间的视觉条件下的视觉灵敏度。
发明人寻找能够将由于在暗光和中间的视觉条件下的视觉灵敏度(或发光度)波长的变化导致的视觉感知度降低减缓的LED照明。着眼于使用Lu3Al5O12:Ce3+磷光体(LuAG磷光体)与蓝色LED作为光源/磷光体组合，本发明人进行了提高基于蓝色LED与LuAG磷光体组合的LED照明的在暗光和中间的视觉条件下的亮度感知度和视觉感知度的研究。
已知，LuAG磷光体为浅黄绿色发光的磷光体，能够响应蓝光发出具有520-560nm峰值波长的发出光(luminescent light)。在具有与LuAG磷光体类似结构的Y3Al5O12:Ce3+(YAG磷光体)的情况下，部分Al被Ga代替以获得较短波长的发光，但牺牲了磷光体的量子效率。可预期由LuAG磷光体中的Ga代替部分Al。然而，该代替对于照明应用是不希望的，因为可预料到磷光体的量子效率降低。
既然LuAG磷光体的发光具有两个重叠的发光分布(emissionprofile)而不是单个发光分布的谱图，并且这两个发光分布归因于Ce3+离子的5d→2F5/2跃迁(在较短波长侧的发光峰)和5d→2F7/2跃迁(在较长波长侧的发光峰)，发明人推测如果控制发光分布，则可将较短波长的发光量增加，并因此可获得适用于在暗光和中间的视觉条件下的照明。
发明人已发现，对于LuAG磷光体，Ce3+离子的5d→2F5/2跃迁(在较短波长侧的发光峰)和5d→2F7/2跃迁(在较长波长侧的发光峰)的几率受Ce的浓度控制；通过控制Ce浓度，可使5d→2F5/2跃迁几率增加，由此可增加在暗光和中间的视觉条件下具有高视觉灵敏度的在510nm附近的发光量；并且通过将LuAG磷光体与蓝色LED组合，可获得适用于户外照明或夜晚照明的照明。
应当关注将Ce作为活化剂添加到LuAG磷光体。当Ce相对于Lu的百分比活化率等于或低于1mol％时，5d→2F5/2跃迁比例变高，并且因此在暗光和中间的视觉条件下有利的在510nm附近的光发射比例增加。当蓝色LED与具有相对于Lu的1mol％以下的Ce活化率的LuAG磷光体组合时，可获得在暗光和中间的视觉条件下比现有技术更有用的户外照明装置。
因此，本发明提供户外照明装置，其包括在420-480nm波长具有最大峰值的蓝色LED芯片和沿LED芯片发光方向在其前方布置的磷光体层。该磷光体层包含混合和分散在树脂中的磷光体，并且该磷光体具有组成式(1)和1mol％以下的相对于Lu的Ce活化率。
Lu3Al5O12:Ce3+ (1)
在一个优选的实施方案中，该树脂为有机硅树脂或环氧树脂。在另一个优选的实施方案中，该树脂为至少一种选自聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯和ABS树脂的热塑性树脂。
该照明装置提供具有在510nm波长的强度S1和在波长545nm下的强度S2的光，其中S1/S2的比率是至少0.95。
发明的有益效果
本发明的户外照明装置产生在暗光和中间的视觉条件下提供较亮照明、较高的视觉感知度和较宽面积的亮度的照明。
附图说明
图1为示出实施例1中的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体的X射线衍射(XRD)分布的图。
图2示出在实施例和对比例中制造的LED照明装置，(A)为部分剖开的平面图和(B)为透视图。
图3为示出来自实施例1的LED照明装置的发光谱分布的图。
图4为示出来自对比例1的LED照明装置的发光谱分布的图。
图5为示出对比例3中的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体响应波长450nm的激发光的发光谱分布的图。
图6为示出来自对比例3的LED照明装置的发光谱分布的图。
图7为示出一般白色LED的发光谱(虚线)，以及人眼灵敏度在亮室中的峰波长(555nm)和在暗室中的峰波长(507nm)的图。
具体实施方式
本发明的一个实施方案是户外照明装置(或照明设备)，其包括在420-480nm的波长范围具有最大峰值的蓝色LED芯片。该蓝色LED芯片可以为众所周知的蓝色LED组件，其中将蓝色LED芯片、配线等用封装剂密封。可使用任何已知的或市售可得的蓝色LED组件。那些在比上述限定的波长范围更短或更长波长具有最大峰值的蓝色LED芯片是不希望的，因为磷光体的激发效率大大降低。
户外照明装置还包括沿蓝色LED芯片发光方向在其前方布置的磷光体层。磷光体层具有混合和分散在树脂中的磷光体，该磷光体具有组成式(1)以及1mol％以下、优选至少0.1mol％的相对于Lu的Ce活化率(即基于Lu和Ce之和的Ce比例)。
Lu3Al5O12:Ce3+ (1)
该磷光体常被称为“LuAG磷光体”。优选该磷光体层包含至少0.1％重量和50％重量以下的式(1)的LuAG磷光体。
如果相对于Lu的Ce活化率超过1mol％，5d→2F7/2跃迁比例变得高于5d→2F5/2跃迁比例，发光谱的峰位置移向较长波长侧，并且发光波长大大偏离在暗光的或中间视觉下的视觉灵敏度，导致在暗光的或中间视觉下具有差的亮度的照明。如果相对于Lu的Ce活化率小于0.1mol％，磷光体本身具有差的吸收率，具有在暗光的或中间视觉下产生亮度感知度的波长510nm附近的光可能变短的风险。
本发明中使用的LuAG磷光体为颗粒形式。从发光效率的方面出发，磷光体颗粒优选具有1.5-50微米(μm)的平均粒径。如果该平均粒径小于1.5μm，磷光体的发光效率可能降低，照明效率降低。如果平均粒径超过50μm，这不产生照明特性的问题，但必须使用较大量的磷光体来增加颗粒的数目，导致不希望地增加成本。磷光体颗粒的粒度可通过例如在气体或水流中分散磷光体颗粒和利用激光衍射散射法测量它们的尺寸来测定。
本发明中使用的LuAG磷光体可通过公知方法制备。例如，可将粉末形式的氧化镥、氧化铈和氧化铝以一定的量混合以满足所希望的组合物。将氟化钡作为助熔剂添加到其中。将粉末混合物在空气、非活性气氛(例如氮)或还原性气氛(如由氢部分地替代氩)中在高温下加热以形成复合氧化物，将其在球磨机等中粉碎到合适的尺寸。
在磷光体层中，除了式(1)的LuAG磷光体以外的磷光体可用于改进户外照明装置的色调和显色性(color rendering)，只要不损害发明的目的。
磷光体层的树脂可以是透明或半透明的。例如，可使用有机硅树脂和环氧树脂。可通过将磷光体颗粒混合和分散在未固化的树脂组合物中，将树脂组合物施涂到蓝色LED芯片或组件的表面并固化树脂组合物来形成磷光体层。或者，可将负载磷光体的树脂组合物成型和固化以形成磷光体层，沿蓝色LED芯片或组件的发光方向在其前方布置布置该磷光体层。
在另一个优选的实施方案中，磷光体层的树脂为热塑性树脂，其选自聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯和ABS树脂的一种，或两种以上的混合物。使用热塑性树脂时，磷光体层可通过将磷光体颗粒与热塑性树脂粉混炼由此将磷光体分散在树脂中、并模制树脂形成，并且沿蓝色LED芯片或组件的发光方向在其前方布置该磷光体层。
为了成型磷光体层，可使用任何公知的成型方法如压缩成型，挤出成型和注射成型。可将材料成型为任何希望的形状如膜和薄板以及任何希望的尺寸。可根据磷光体层的应用形式选择磷光体层的合适的形状和尺寸。典型地，磷光体层的厚度在约0.5-3mm的范围，尽管不特别限制。
除了磷光体和树脂，还可在磷光体层中使用添加剂，只要不损害发明的目的。合适的添加剂包括用于改善耐候性或防止UV引发的降解的助剂，如自由基清除剂和抗氧剂，以及用于促进光散射的光散射剂如二氧化硅和滑石。这样的添加剂的含量典型地为磷光体层的10％重量以下，优选0.01-5％重量。
优选户外照明装置采取远磷光体型的形式，其中磷光体层，尤其是基于热塑性树脂的磷光体层经由气体或真空层与蓝色LED组件隔开。因为该远磷光体型的照明装置具有不同于一般LED灯的发光强度分布特性，典型为表面发光和大的照射角度，其尤其适合作为用于在大面积提供照明的照明装置。
在优选的实施方案中，户外照明装置产生具有在波长510nm下的强度S1和在波长545nm下的强度S2的光，其中S1/S2的比率是至少0.95、更优选至少1。该照明装置能够符合基于普尔金耶效应的视觉灵敏度的改变，因为光全是在暗光的和中间视觉水平产生高视觉灵敏度的波长。
本发明的照明装置适于安装在夜晚具有不足亮度或附近几乎没有光的那些区域例如小路，车道，广场，居民区和隧道中。其适用于户外用途，典型地为街灯。如果室内区域为类似的黑暗环境，其也可用于室内，因为其适用于暗光的和中间视觉条件。
实施例
以下通过示例性而非限制性的方式给出实施例和对比例。
实施例1
通过将99.9％纯度的具有1.0μm平均粒径的氧化镥(Lu2O3)粉末、99.0％纯度的具有0.5μm平均粒径的氧化铝(Al2O3)粉末和99.9％纯度的具有0.2μm平均粒径的二氧化铈(CeO2)粉末以2.97:5.0:0.03的Lu：Al：Ce摩尔比混合，获得1000g的粉末混合物。将作为助熔剂的200g氟化钡添加到粉末混合物，将其充分混合。将混合物置于氧化铝坩锅中并在氩气中在1400℃热处理10小时。将烧成的产物在球磨机上破碎，用约0.5mol/L盐酸和接着用去离子水洗涤。接下来的固/液分离和干燥生成具有20μm平均粒径的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒(相对于Lu的Ce活化率为1mol％)。
磷光体颗粒的XRD分析结果示出在图1中。磷光体颗粒的衍射图的主相与镥铝石榴石相的衍射峰一致，表明得到含石榴石相作为主相的Lu3Al5O12:Ce3+。
将Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒分散在透明的环氧树脂(由Marumoto Struers K.K.制造的SpeciFix-40kit)中以形成具有20wt％的磷光体浓度的浆料。将该浆料逐滴添加到蓝色LED组件(由NichiaCorp.制造的NS6b083T)的发光表面并在50℃下固化3小时，完成具有包含混合和分散在环氧树脂中的磷光体颗粒的磷光体层的LED组件。
将由此制造的七个LED组件在39mm宽，220mm长和30mm深(内部尺寸)的长方形铝盘中串联设置。作为保护性覆盖层的2mm厚的透明消光的丙烯酸系树脂板贴附在距LED组件的发光表面间隔25mm的位置。如图2所示制造LED照明装置，其中示出了LED组件1，铝盘2，保护性覆盖层3，电源终端4，和电力开关5。
LED照明装置的照射光谱通过照度分光光度计CL-500(KonicaMinolta,Inc.)测定。结果示出在图3中。在光谱中，测量在波长510nm下的强度S1和在波长545nm下的强度S2，由其计算S1/S2的比率为1.076。
实施例2
通过将99.9％纯度的具有1.0μm平均粒径的氧化钇(Y2O3)粉末，99.0％纯度的具有0.5μm平均粒径的氧化铝(Al2O3)粉末和99.9％纯度的具有0.2μm平均粒径的二氧化铈(CeO2)粉末以Y:Al:Ce为2.94:5.0:0.06的摩尔比混合，获得1000g粉末混合物。将作为助熔剂的200g氟化钡添加到粉末混合物，将其充分混合。将混合物置于氧化铝坩锅中并在氩气中在1400℃热处理10小时。将烧成的产物在球磨机上破碎，用约0.5mol/L盐酸和接着用去离子水洗涤。接下来的固/液分离和干燥生成具有20μm平均粒径的Y3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒。
除了将实施例1中的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒和在实施例2中的Y3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒各自以15wt％和5wt％的量分散在透明的环氧树脂中以外，如实施例1中那样制造具有磷光体层的LED组件。使用该组件，同样地制造LED照明装置。
如实施例1中那样测量LED照明装置的照射光谱。强度比S1/S2为0.983。
实施例3
将七个蓝色LED组件(XLamp LX-E Royal Blue，由Cree Inc.制造)如实施例1中那样在铝盘中串联设置。将在实施例1中的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒在聚碳酸酯中以5wt％的磷光体浓度捏和，并且将所得到的PC配混物成型为2mm厚的PC板，将该PC板作为磷光体层贴附在距蓝色LED组件的发光表面间隔25mm的位置。如图2所示制造远磷光体型LED照明装置，其中保护性覆盖层3还用作磷光体层。
如实施例1中那样测量LED照明装置的照射光谱。强度比S1/S2为1.067。
对比例1
除了使用的磷光体仅为实施例2中的Y3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒之外，如实施例1中那样制造具有磷光体层的LED组件。使用该组件，同样地制造LED照明装置。
LED照明装置的照射光谱通过分光光度计CL-500测量，结果如图4所示。在光谱中，测量在波长510nm下的强度S1和在波长545nm下的强度S2，由其计算比率S1/S2为0.668。
对比例2
将七个白色LED组件(XLamp LX-E Cool White，由Cree Inc.制造)如实施例1中那样在铝盘中串联设置。将作为保护性覆盖层的2mm厚透明消光的丙烯酸系树脂板贴附在距LED组件的发光表面间隔25mm的位置。如图2所示制造LED照明装置。
如实施例1中那样测量LED照明装置的照射光谱。强度比S1/S2为0.657。
对比例3
通过将99.9％纯度的具有1.0μm平均粒径的氧化镥(Lu2O3)粉末、99.0％纯度的具有0.5μm平均粒径的氧化铝(Al2O3)粉末和99.9％纯度的具有0.2μm平均粒径的二氧化铈(CeO2)粉末以Lu:Al:Ce为2.94:5.0:0.06的摩尔比混合，获得1000g粉末混合物。将作为助熔剂的200g氟化钡添加到粉末混合物，将其充分混合。将混合物置于氧化铝坩锅中并在氩气中在1400℃热处理10小时。将烧成的产物在球磨机上破碎，用约0.5mol/L盐酸和接着用去离子水洗涤。接下来的固/液分离和干燥生成具有20μm平均粒径的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒(相对于Lu的Ce活化率为2mol％)。
通过XRD分析磷光体颗粒。磷光体颗粒的主相衍射图与镥铝石榴石相的衍射峰一致，表明得到含石榴石作为主相的Lu3Al5O12:Ce3+。
该磷光体响应波长450nm激发光的发光光谱通过分光光度计CL-500测量，结果如图5所示。该磷光体的在波长510nm附近的发光峰比在波长545nm低。
除了使用的磷光体为对比例3中的Lu3Al5O12:Ce3+磷光体颗粒(相对于Lu的Ce活化率为2mol％)外，如实施例1中那样制造具有磷光体层的LED组件。使用该组件，同样地制造LED照明装置。
LED照明装置的照射光谱通过分光光度计CL-500测量，结果如图6所示。在光谱中，测量在波长510nm下的强度S1和在波长545nm下的强度S2，由其计算比率S1/S2为0.939。
将实施例1-3和对比例1-3的LED照明装置沿沥青路以3m高度安装在灯柱的顶部，并在夜晚通过施加24V的电压使其发光。视觉观察到路面和邻近物体。实施例的LED照明装置优于对比例的LED照明装置，在于空间看起来明亮，阴影少，并且清晰地看到邻近物体。
已经证明实施例的LED照明装置是优异的户外照明装置，在于它们产生有效的照明，该照明提供在较宽空间的改善的视觉感知度，包括全部空间的明亮度和在邻近区域的明亮度。在实施例3中的远磷光体型LED照明装置提供表面发光，并且由于相应地扩宽的照射，可获得几乎没有阴影的不刺眼的光。由于本发明的照明装置在暗光的和中间视觉条件下产生能够符合基于普尔金耶效应的视觉灵敏度变化的照明。其最适用于户外照明装置。
Claims (4)
1.户外照明装置，其包括在420-480nm波长具有最大峰值的蓝色LED芯片和沿该LED芯片发光方向在其前方布置的磷光体层，所述磷光体层包含混合和分散在树脂中的磷光体，该磷光体具有组成式(1)和1mol％以下的相对于Lu的Ce活化率，
Lu3Al5O12:Ce3+ (1)。
2.权利要求1的照明装置，其中该树脂为有机硅树脂或环氧树脂。
3.权利要求1的照明装置，其中该树脂为至少一种选自聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚碳酸酯，聚苯乙烯和ABS树脂的热塑性树脂。
4.权利要求1的照明装置，提供具有在510nm波长下的强度S1和在波长545nm下的强度S2的光，其中S1/S2的比率为至少0.95。
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