CN104583363B - 稳定化波长转换元件 - Google Patents

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Abstract

提供了一种包括波长转换层（103）的波长转换构件（102），该波长转换层（103）包括分布在包含非晶或半结晶芳香族聚酯的基体中的有机波长转换化合物（105），其中芳香族聚酯分子主导地处于随机定向状态，所述波长转换构件还包括至少一个支撑元件（104）。通过避免聚酯基体的单轴或双轴定向，很好地保护有机波长转换化合物（有机磷光体）以抵抗光化学降解。支撑元件确保在玻璃转变温度以上的温度处聚酯基体的尺寸稳定性。

Description

稳定化波长转换元件
技术领域
本发明涉及固态发光装置的领域，并且具体而言，涉及用于波长转换的有机磷光体元件，其中有机波长转换材料（磷光体）包含在聚合物基体中。
背景技术
基于发光二极管（LED）的照明器件被日益用于各种照明应用。LED提供优于诸如白炽灯和荧光灯之类的传统光源的优点，包括长寿命、高流明效率、低操作电压和流明输出的快速调制。
高效的高功率LED常常基于蓝光发射材料。为了产生具有期望颜色（例如，白色）输出的基于LED的照明器件，可以使用适合的波长转换材料（通常被称为磷光体），其将由LED发射的光的一部分转换为具有较长波长的光以便产生具有期望光谱特性的光的组合。许多无机材料已经被用作用于将由LED发射的蓝光转换为具有较长波长的光的磷光体材料。然而，目前，考虑有机磷光体材料以用于在许多LED中替换无机磷光体。有机磷光体具有其发光光谱可以关于位置和带宽容易地调节的优点。有机磷光体材料还常常具有高透明度，这是有利的，因为与使用更多光吸收和/或反射磷光体材料的系统相比较，照明系统的效率得以改进。而且，有机磷光体比无机磷光体成本低得多。
妨碍有机磷光体材料在基于远程磷光体LED的照明系统中的应用的主要缺点是其欠佳的光化学稳定性。已经观察到有机磷光体在氧气存在的情况下被蓝光照射时迅速地降解。已经做出努力来解决该问题。例如，先前已经查明，当将有机磷光体并入在芳香族聚酯薄膜中时，磷光体的寿命显著改进。然而，在非晶芳香族聚酯的玻璃转变温度附近的操作温度处，聚合物的降低的尺寸稳定性是问题，其有效地限制这样的基体中的有机磷光体到低强度光源应用的使用。为了产生具有足够的尺寸稳定性的磷光体薄膜，磷光体分子可以混合到芳香族聚酯基体中，其然后在压力下双轴定向（拉伸）并且结晶，因此形成在远高于聚合物的玻璃转变温度的温度处具有可接受的尺寸稳定性的结晶或部分结晶薄膜。然而，已经查明，当与原始非晶或半结晶聚合物基体相比较时，有机磷光体的光化学稳定性在双轴定向聚合物中降低。而且，双轴定向聚合物示出高光学透明度，并且因此散射颗粒的添加对于达到令人满意的光的出耦合而言是必要的。
因此，本领域中存在对于关于照明器件中的灵敏磷光体材料的并入的改进的需要。
发明内容
本发明的目标是克服该问题，并且提供一种适于在固态发光装置中使用的波长转换元件，其示出有机磷光体的高尺寸稳定性和高光化学稳定性。
根据本发明的第一方面，该目标和其它目标通过包括波长转换层的波长转换构件来达到，所述波长转换层包括分布在包含非晶或半结晶芳香族聚酯的基体中的有机波长转换化合物，其中芳香族聚酯分子主导地处于随机定向状态，所述波长转换构件还包括至少一个支撑元件。通过避免聚酯基体的单轴或双轴定向，很好地保护有机波长转换化合物（有机磷光体）以抵抗光化学降解。支撑元件在芳香族聚酯的玻璃转变温度附近或以上的温度处同样确保基体的尺寸稳定性。
在本发明的实施例中，支撑元件可以包括包含在所述波长转换层内的加强结构。使用这样的内部加强结构，波长转换构件可以由单个波长转换层形成。例如，支撑元件可以包括加强纤维。
在其它实施例中，支撑元件可以包括与所述波长转换层物理接触地布置的至少一个支撑层或结构。支撑层或结构可以是连续或不连续的。连续的支撑层可以整个覆盖波长转换层的一侧，并且可以制得相当薄。不连续的支撑层或结构典型地留下波长转换层的某些区域未覆盖，例如具有框、环或网格的形状，并且因此可以制得较厚且与光学性质较不相关地制造，至少在被适配于用在其中支撑未定位在出光路径中的发光装置中时如此。
在本发明的实施例中，例如支撑层或结构的支撑元件可以是透明的。
在本发明的实施例中，例如支撑层或结构的支撑元件可以是反射或散射的。
在本发明的实施例中，波长转换化合物是苝系衍生物。
在本发明的实施例中，非晶或半结晶芳香族聚酯可以包括聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。非晶或半结晶、非拉伸的PET已经被证实提供用于诸如苝系衍生物之类的有机磷光体的优异基体。
典型地，在本发明的实施例中使用的半结晶芳香族聚酯可以具有小于70%、优选地小于50%、更优选地小于30%（例如小于20%）的结晶度。这样的结晶度可以通过热退火来达到，并且不显著地降低磷光体的寿命。
在另一方面中，本发明提供一种发光装置，包括
- 固态光源，其被适配成发射具有第一波长范围的光；以及
- 如以上所描述的波长转换构件，其被布置成接收具有所述第一波长范围的光，波长转换化合物被适配成将具有所述第一波长范围的光的至少一部分转换为具有第二波长范围的光。光源可以是中或高功率（中或高强度）的固态光源，诸如发光二极管（LED）或激光二极管。如以上所描述的，波长转换元件在高强度LED的操作温度处同样是尺寸稳定的，其中操作温度可以超过芳香族聚酯的玻璃转变温度。
在本发明的实施例中，支撑元件可以包括与波长转换层接触地布置并且布置在从所述光源到所述波长转换层的光路径之外的支撑结构。在这样的实施例中，因此可以与光学性质较不相关地设计支撑元件。在其它实施例中，支撑元件可以包括与波长转换层物理和光学接触并且与固态光源光学接触地布置的连续的透明层，并且其中支撑元件用作光导。
在又一方面中，本发明分别提供包括如以上所描述的相应的波长转换构件或发光装置的灯或照明装置。例如，灯可以是白炽灯泡替换灯（“改型灯”）。
要指出，本发明涉及在权利要求中陈述的特征的所有可能组合。
附图说明
现在将参考示出本发明的（多个）实施例的附图更详细地描述本发明的该方面和其它方面。
图1示出了根据本发明的实施例的包括具有连续的支撑层的波长转换构件的发光装置的侧面剖视图。
图2示出了根据本发明的其它实施例的包括具有不连续的支撑层的波长转换构件的发光装置的侧面剖视图。
图3示出了根据本发明的实施例的包括内部支撑元件的波长转换构件的侧面剖视图。
图4是示出根据本发明的实施例的包括波长转换构件的白炽灯泡替换灯（“改型灯”）的侧面视图。
图5示出了根据本发明的另一实施例的包括具有波导功能的支撑元件的发光装置的侧面剖视图。
如图中所图示的，层和区的大小出于说明性目的而扩大并且因此被提供成图示本发明的实施例的一般结构。同样的参考数字自始至终是指同样的元件。
具体实施方式
现在将参考附图在下文中更充分地描述本发明，其中示出了本发明的当前优选的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来具体化并且不应解释为限于本文所阐述的实施例；而是，这些实施例是出于彻底性和完整性而提供的，并且将本发明的范围完全传达给技术人员。
本发明人已经查明，与包含在未单轴或双轴拉伸的非晶或半结晶芳香族聚酯内的有机磷光体的稳定性相比较，作为芳香族聚酯薄膜的单轴或双轴拉伸的结果，包含在该薄膜内的有机磷光体的光化学稳定性显著降低。这至少部分移除将诸如聚对苯二甲酸乙二酯之类的芳香族聚酯用作有机磷光体的基体的优点。例如，本发明人已经查明，与未拉伸的状态相比，对于双轴拉伸的PET薄膜，在要么黄光（0.1W/cm2）要么蓝光（5W/cm2）的照射下的PET基体中的发光分子F305（BASF）（0.002-0.015 wt%的重量含量）在60℃处以高于5倍的速率降解。
而且，现在已经查明，诸如聚对苯二甲酸乙二酯（PET）及其共聚物和聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）之类的其中芳香族聚酯分子主导地随机定向的非晶或半结晶芳香族聚酯薄膜可以使用支撑构件来稳定化，所述支撑构件可以是外部层或结构，或者是包含在聚酯基体内的内部加强结构，诸如加强纤维。因此，提供了具有良好的结构稳定性以及长磷光体寿命的波长转换构件。
图1图示了发光装置100，其包括固态光源101和被布置成接收由光源发射的光的波长转换构件102。波长转换构件包括分散在非晶或半结晶芳香族聚酯（例如聚对苯二甲酸乙二酯）的基体中的有机波长转换化合物105（被称为有机磷光体），从而形成波长转换层103。典型地，有机波长转换材料可以分子地溶解在芳香族聚酯中。波长转换构件102还包括向聚合物层提供结构稳定性的支撑层104。因此，包括非晶或半结晶芳香族聚酯的波长转换构件在玻璃转变温度（其对于PET为大约75℃）以上的温度处具有足够的尺寸稳定性以允许同样在高强度发光装置中使用波长转换构件，其中波长转换构件的温度在操作期间可以在70℃以上。因此，在本发明的实施例中，光源可以是中到高强度的固态光源，例如递送超过500流明的LED灯或模块，其中波长转换构件的表面上的光强度具有0.1W/cm2的量级。
在提及聚合物时，通过“半结晶”来指聚合物包括结晶区，即其不是100%非晶的。根据本发明的实施例的半结晶薄膜典型地具有小于70%的结晶度（按体积计），这意指聚合物薄膜的结晶相构成的体积小于薄膜的体积的70%。
例如，根据本发明的实施例的芳香族聚酯基体可以具有小于50%、优选地小于30%（例如小于20%）的结晶度，诸如大约10%的结晶度。聚合物的结晶度可以通过在文献中很好地描述的以下技术或其中的多个来确定：密度测量、量热法、X射线衍射、IR光谱学、核磁共振光谱学。
根据本发明的实施例，所使用的非晶或半结晶聚合物尚未经受拉伸并且因此不具有或仅具有非常小程度的单轴或双轴定向。典型地，基体的芳香族聚酯分子的定向主要是随机的。
在本发明的实施例中，支撑层104可以是至少部分透明或半透明的。
支撑层104可以由在光源的操作温度处具有足够的尺寸稳定性的任何适合材料制成。例如，支撑层可以是聚合物层，其包括诸如结晶PET（CPET）或热稳定化双轴定向PET（BOPET）之类的聚合物。聚合物的其它示例包括但不限于，聚碳酸酯（PC）、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、尼龙以及其共聚物。其它示例是诸如环氧树脂或丙烯酸酯之类的交联聚合物系统。可替换地，支撑层可以是玻璃板或半透明的陶瓷板。当在所谓的反射模式中操作时，支撑层可以是反射聚合物、金属或陶瓷板。
支撑层104可以被提供为波长转换层应用到其上的衬底，或者可替换地，支撑层104可以被提供为波长转换层103上的涂层。可以通过丝网印刷、刮刀涂敷、叶片涂敷或者本领域中已知的任何其它适合的涂敷技术来应用这样的涂层。可以层压波长转换层103和支撑层104。
如图1中所图示的，波长转换构件102和光源101典型地互相隔开布置，即所谓的远程磷光体配置。然而，设想到波长转换构件可以非常靠近光源布置（所谓的邻近配置）或与光源直接接触布置。额外地，波长转换构件可以布置在所谓的反射模式中，在所述反射模式中，远程或邻近磷光体被提供于在光输出方向上反射经转换的光的反射元件上。在本发明的实施例中，支撑层104可以是反射模式配置中的反射支撑层。光源典型地是固态光源，诸如发光二极管（LED）或激光二极管。
波长转换构件可以具有任何适合的尺寸，这取决于预期的应用。然而，作为示例，波长转换层可以具有在从0.05 mm至0.4 mm的范围内的厚度，诸如从0.05至0.3 mm，例如0.2 mm。类似地，支撑层可以具有在从0.05 mm至0.4 mm的范围内的厚度，诸如从0.1至0.3mm，例如0.2 mm。
波长转换构件可以具有平坦形状，或者可替换地具有另一形状，例如为弯曲的。例如，波长转换构件可以弯曲以适合一个或多个光源周围的保护圆顶或透明管的内表面。
在本发明的实施例中，支撑层可以是反射的，在该情况中，波长转换构件典型地以波长转换层面向光源来定位，使得由光源发射的光首先由波长转换层接收，其中其至少部分被转换，并且随后由反射支撑层反射。这样的布置通常被称为“反射模式”。
在图2中图示的本发明的又一实施例中，发光装置200包括光源201以及包含波长转换层203和不连续的支撑结构204的波长转换构件202。例如，支撑结构204可以是网格结构，或者跟随波长转换层的周缘的结构。在这样的实施例中，可以对波长转换构件和光源进行定位，使得支撑结构204在从光源到波长转换层的光路径之外，如图中所示。
在本发明的实施例中，波长转换构件可以包括分布在聚合物基体中的附加元件，例如附加的有机磷光体、一个或多个无机磷光体、和/或诸如TiO2、Al2O3或BaSO4的颗粒之类的散射元件。在本发明的实施例中，支撑层可以包括这样的散射颗粒和/或（多个）一个或多个无机磷光体或量子点。
在图3中示出的波长转换构件300的又一实施例中，可以以包括在波长转换层302内的内部加强结构303的形式来提供支撑构件。波长转换层还包括波长转换化合物301。例如，内部加强结构303可以是纤维，例如玻璃或定向聚合物的纤维，诸如超高分子量聚乙烯（UHMWPE）或聚酰胺。可替换地，内部加强结构可以是网格，例如金属网格。
根据本发明的实施例的波长转换构件和发光装置可以应用在各种照明解决方案中。例如，图4图示了旨在用于替换白炽灯泡的所谓的改型灯。灯400是基于LED的灯，其提供有被适配用于常规灯泡插座的底座401以及灯泡形或圆顶形透明盖构件402。一个或多个光源布置在底座的平坦上表面上并且因此由盖构件覆盖。根据本发明的实施例的波长转换构件可以定位在由盖围封的空间内的任何适合的位置处，例如在盖构件的内侧上。
在另一实施例中，根据本发明的实施例的波长转换构件和发光装置可以在TL（荧光管）替换灯中使用，该替换灯典型地包括在支撑带上成行布置并且由至少部分透明的管围封的多个LED。根据本发明的实施例的波长转换构件可以定位在管内的任何适合的位置处，例如在透明管的内侧的一部分上。
根据本发明的实施例的波长转换构件和发光装置的其它用途包括LED模块，其可以应用在许多照明应用中，包括照明装置，诸如用于家庭或专业环境的照明的悬挂式照明装置。
在根据本发明的发光装置的又一实施例中，支撑层也可以具有光导的功能。在图5中示出了这样的实施例的示例。发光装置500包括以所谓的侧光式配置布置的光源501和波长转换构件502。波长转换构件包括经由其上表面与波长转换层503光学接触并且经由侧表面与光源光学接触地布置的连续的透明支撑层504。透明支撑层504可以通过全内反射引导由光源发射的光直到出耦合和透射到波长转换层503中。
在本发明的实施例中，波长转换层102、202、302、502包括至少一个有机磷光体。适合的有机磷光体的示例有基于苝系衍生物的有机发光材料，例如在BASF的名称Lumogen®下销售的化合物。适合的化合物的示例包括但不限于，Lumogen® Red F305、Lumogen® OrangeF240、Lumogen® Yellow F083和Lumogen® F170。
可以与波长转换构件中的（多个）有机磷光体组合使用的无机波长转换材料的示例包括量子点或量子杆。量子点是通常具有仅数个纳米的宽度或直径的半导体材料的小晶体。当由入射光激发时，量子点发射具有由晶体的大小和材料确定的颜色的光。具有特定颜色的光因此可以通过适配点的大小来产生。具有可见光范围内的发射的大部分已知量子点是基于具有诸如硫化镉（CdS）和硫化锌（ZnS）之类的外壳的硒化镉（CdSe）的。也可以使用无镉量子点，诸如磷化铟（InP）和硫化铜铟（CuInS2）和/或硫化银铟（AgInS2）。量子点示出非常窄的发射带并且因此其示出饱和的颜色。而且，发射颜色可以通过适配量子点的大小来容易地调谐。在本发明中可以使用本领域中已知的任何类型的量子点。然而，出于环境安全和顾虑的原因，可以优选的是使用无镉量子点或至少具有非常低镉含量的量子点。
可替换地，在本发明中使用的无机波长转换化合物可以是常规的无机磷光体。无机磷光体材料的示例包括但不限于铈（Ce）掺杂的YAG（Y3Al5O12）或LuAG（Lu3Al5O12）。Ce掺杂的YAG发射泛黄色的光，而Ce掺杂的LuAG发射泛黄绿色的光。发射红光的其它无机磷光体材料的示例可以包括但不限于ECAS和BSSN；ECAS是Ca1-xAlSiN3:Eux，其中0＜x≤1，优选地0＜x≤0.2；并且BSSN是Ba2-x-zMxSi5-yAlyN8-yOy:Euz，其中M表示Sr或Ca，0≤x≤1，0≤y≤4，并且0.0005≤z≤0.05，并且优选地0≤x≤0.2。
在根据本发明的实施例的发光装置、灯和照明装置中使用的光源可以是LED、UVLED或激光二极管，但是其它光源同样是可想到的。例如，LED可以是平坦表面LED半导体芯片、RGB LED、直接磷光体转换的LED、或蓝色LED、紫色LED、或与远程磷光体技术组合的UVLED。发光表面可以是未涂层的、涂层的等等。
本领域的技术人员应认识到，本发明决不限于以上描述的优选实施例。相反，许多修改和变型在随附权利要求的范围内是可能的。例如，本文所描述的包括支撑结构的波长转换构件可以在除发光装置之外的光学和光电子器件中使用。例如，波长转换构件可以在发光太阳能聚光器中使用。
额外地，从附图、公开内容和随附权利要求的学习，实践所要求保护的本发明的本领域技术人员可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能有利地使用。

Claims (19)

1.一种波长转换构件（102,202,300,502），包括波长转换层（103,203,302,503），所述波长转换层包括分布在包含半结晶芳香族聚酯的基体中的有机波长转换化合物（105,205,301,505），其中芳香族聚酯分子主导地处于随机定向状态，所述波长转换构件还包括至少一个支撑元件（104,204,303,504）。
2.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述支撑元件包括包含在所述波长转换层内的加强结构（303）。
3.根据权利要求2的波长转换构件，所述支撑元件包括加强纤维。
4.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述支撑元件包括与所述波长转换层物理接触地布置的至少一个支撑层或结构（104,204）。
5.根据权利要求4的波长转换构件，其中所述支撑层或结构是连续的层。
6.根据权利要求4的波长转换构件，其中所述支撑层或结构是不连续的层。
7.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述支撑元件是透明的。
8.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述支撑元件是反射或散射的。
9.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述波长转换化合物是苝系衍生物。
10.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述半结晶芳香族聚酯包括半结晶聚对苯二甲酸乙二酯。
11.根据权利要求1的波长转换构件，其中所述半结晶芳香族聚酯具有小于70%的结晶度。
12.根据权利要求11的波长转换构件，其中所述结晶度小于50%。
13.根据权利要求11的波长转换构件，其中所述结晶度小于30%。
14.根据权利要求11的波长转换构件，其中所述结晶度小于20%。
15.一种发光装置（100,500），包括
- 被适配成发射具有第一波长范围的光的固态光源（101,501）；以及
- 根据权利要求1的波长转换构件（102,502），所述波长转换构件被布置成接收具有所述第一波长范围的光，其中所述波长转换化合物被适配成将具有所述第一波长范围的光的至少一部分转换为具有第二波长范围的光。
16.根据权利要求15的发光装置，其中所述支撑元件（104）包括与所述波长转换层接触地布置并且布置在从所述光源到所述波长转换层（103）的光路径之外的支撑结构。
17.根据权利要求15的发光装置，其中所述支撑元件（504）包括与所述波长转换层（503）物理和光学接触并且与所述固态光源（501）光学接触地布置的连续的透明层，并且其中所述支撑元件用作光导。
18.一种照明装置，包括根据权利要求1的波长转换构件或根据权利要求15的发光装置。
19.根据权利要求18的照明装置，其中所述照明装置为灯（400）。
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