CN106935696A - 用于光过滤的复合材料、发光设备和用于确定复合材料的掺杂浓度或厚度的方法 - Google Patents

用于光过滤的复合材料、发光设备和用于确定复合材料的掺杂浓度或厚度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于光过滤的复合材料，其包括：聚合物基体材料和掺杂在聚合物基体材料中的钕化合物颗粒。本发明还涉及一种包括所述复合材料的发光设备。本发明还涉及一种确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的方法和一种用于确定复合材料的厚度的方法。

Description

用于光过滤的复合材料、发光设备和用于确定复合材料的掺杂浓度或厚度的 方法
技术领域
本发明通常涉及发光系统和相关技术。更具体地讲，本发明涉及一种用于光过滤的复合材料、使用复合材料的发光设备和用于确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度或复合材料的厚度的方法。
背景技术
LED灯与传统的白炽灯和荧光灯相比具有多种优点，包括但不限于更长的预期寿命、很高的能效和无需预热时间就能达到的全亮度。如本领域所知，LED(这里也包括有机LED或OLED)是将电能转换为包括可见光(半波长大约为400至750nm)的电磁辐射的固态半导体装置。LED通常包括掺杂有杂质以产生PN结的半导材料芯片(裸片)。LED芯片电连接到通常安装于封装件中阳极和阴极上。因为与诸如白炽灯或荧光灯的其他的灯相比，LED以更窄的光束发射更具方向性的可见光，所以LED通常用在诸如汽车、显示器、安全/应急和定向区域发光的应用中。然而，LED技术中的优点使得基于LED的高效发光系统能够在采用其他传统类型的光源的发光应用(包括先前采用白炽灯和荧光灯的全向发光应用)中得到更广泛的使用。结果，LED正越来越多地用于住宅，商业和市政设施等区域照明中。
基于LED的光源通常为LED阵列，包括多个LED装置。因为LED装置发射波长段很窄(例如，绿、蓝、红等)的可见光，所以在LED灯中通常组合了不同的LED装置，以产生多种色彩的光(包括白光)。可选择地，可以通过将来自蓝色LED的光和将来自蓝色LED的蓝光中的至少一部分转换为一种不同颜色的荧光粉(YAG:Ce)进行组合来产生基本呈现白色的光；转换的光和蓝光的组合可以产生呈现白色或基本呈现白色的光。
然而，就来自蓝色LED的光和荧光粉的光组合产生的基本呈白色的光而言，光的白度和色彩饱和度指数仍不理想。
发明内容
提供了一种用于滤光的复合材料。该复合材料包括聚合物基体材料和掺杂在所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒，其中，所述复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为0.4％至8％。
提供了一种发光设备。该发光设备包括：白色LED封装件及包括如上所述的复合材料的光学组件。其中，由所述白色LED封装件产生的黄光的至少一部分经所述光学组件过滤。
提供了另一种发光设备。该发光设备包括：白色LED封装件及光学组件。所述白色LED封装件包括峰值波长小于435nm的蓝光源和荧光粉。其中，由所述白色LED封装件产生的黄光的至少一部分经所述光学组件过滤。
提供了一种用于确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的方法。该方法包括：预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的第一映射关系；基于所述第一映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度。
提供了一种用于确定复合材料的厚度的方法。该方法包括：预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料的厚度的第二映射关系；基于所述第二映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料的厚度。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1显示了根据本发明的一个实施例的包括光学组件的发光设备；
图2显示了根据本发明的另一实施例的包括光学组件的发光设备的部分截面图；
图3显示了根据本发明的一个实施例的用于确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的方法的示意性流程图；
图4显示了根据本发明的一个实施例的图3中的步骤31的示意性流程图；
图5显示了根据本发明的一个实施例的用于确定复合材料的厚度的方法的示意性流程图；
图6显示了根据本发明的一个实施例的图5中的步骤41的示意性流程图。
具体实施方式
以下将描述本发明的一个或者多个具体实施方式。首先要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。应当可以理解的是，在任意一种实施方式的实际实施过程中，正如在任意一个工程项目或者设计项目的过程中，为了实现开发者的具体目标，或者为了满足系统相关的或者商业相关的限制，常常会做出各种各样的具体决策，而这也会从一种实施方式到另一种实施方式之间发生改变。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本发明公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本公开揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本发明公开的内容不充分。
除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中使用的“第一”或者“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“或者”包括所列举的项目中的任意一者或者全部。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。
本发明提供一种适用于发光设备来影响对可见光的滤色效果(尤其是黄光过滤效果)的复合材料。该复合材料包括聚合物基体材料和掺杂在聚合物基体材料中的钕化合物颗粒。
在一些实施例中，所述聚合物基体材料包括但不限于聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、硅树脂或它们的任意组合。
在一些实施例中，掺杂在聚合物基体材料中的钕化合物颗粒包括Nd3+离子。一种Nd3+离子源可为包括Nd-F化合物的材料。这里所使用的“Nd-F化合物”应被广泛地解释为包括含钕和氟化物及可选地含其他元素的化合物。这样的含钕和氟化物的化合物可以包括氟化钕、或氟氧化钕(例如，NdOxFy，其中2x+y＝3)、或含不定的水和/或氧的氟化钕、或氟氢氧化钕(例如，Nd(OH)aFb，其中a+b＝3)、或含钕和氟化物的多种其他的化合物。在一些应用中，Nd-F化合物可以具有相对低的折射率，诸如与选择的聚合物基体材料匹配的折射率以提供低雾度复合材料。一种可用的Nd3+离子源可为折射率约为1.6的氟化钕(NdF3)，其提供与特定聚合物基体材料匹配的合适的低折射率，以最小化散射损失。也可以采用其他的Nd3+离子源，例如，包含Nd-F的其他化合物，其非限制性的示例包括Nd–X–F化合物，其中，X为与钕形成化合物的至少一种元素(例如，氧、氮、硫、氯等)、或是与氟形成化合物的至少一种金属元素(除了Nd之外)(例如，诸如Na、K、Al、Mg、Li、Ca、Sr、Ba和Y的金属元素)、或是这些元素的组合。Nd–X–F化合物的具体的示例可以包括：钕的氟氧化物(Nd–O–F)化合物；Nd–X–F化合物，其中，X可以为Mg和Ca或可以为Mg、Ca和O；以及包含Nd-F的其他化合物。
复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为0.4％至8％。在一些实施例中，复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为2％至8％。在一些实施例中，复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为4％至6％。
下面的表1示出了由LED封装件产生的穿过具有不同的钕化合物颗粒掺杂浓度(重量百分比)的复合材料的光的色坐标(CCX和CCY)、CRI(显色指数)、R9(红光的CRI)和CSI(色饱和度指数)，其中，每个复合材料的厚度为1mm，每个复合材料的聚合物基体材料由硅树脂形成，钕化合物为NdF3，LED封装件的显色指数大约为80％，另外，当NdF3颗粒的掺杂浓度为0％时，没有显色浓度的相应数值。
表1
从表1可以看出，CRI、R9、CSI都随着NdF3颗粒的掺杂浓度的提高而变得更好。
下面的表2示出了由LED封装件产生的穿过具有不同的钕化合物颗粒掺杂浓度(重量百分比)的复合材料的光的色坐标(CCX和CCY)、CRI和R9，其中，每个复合材料的厚度都从材料的中心到边缘增加，中间的厚度是1.5mm，边缘的厚度是4.2mm，每个复合材料的聚合物基体材料是PC，钕化合物为NdFO，LED封装件的显色指数为约80％。
表2
NdF3颗粒的掺杂浓度(重量百分比) CCX CCY CRI R9
0％ 0.4593 0.4088 81.08 4.49
0.4％ 0.4566 0.4040 87.54 32.48
0.75％ 0.4561 0.4019 90.56 46.97
1.25％ 0.4511 0.3973 95.37 80.97
1.5％ 0.4511 0.3932 94.44 93.24
2％ 0.4511 0.3895 90.71 87.90
从表2可以看出，与不含NdF3颗粒的材料相比，含NdF3颗粒的复合材料可以通过使光穿过复合材料来改善光性能。
在一些实施例中，复合材料可以进一步包括掺杂在聚合物基体材料中的用于光散射的添加剂颗粒。在一些实施例中，掺杂在聚合物基体材料中的添加剂颗粒包括但不限于金红石二氧化钛(TiO2，折射率约2.74)，Al2O3、以及Nd-O化合物(诸如Nd2O3)或其他含钕金属氧化物(诸如含钕钙钛矿结构材料)。在这样的情况下，NdF3颗粒(或另一种Nd3+离子源)可成为影响滤色效果的重要或唯一因素，添加剂颗粒可成为影响显著程度的光学散射实现的重要或唯一因素。
在一些实施例中，在可见光区域中聚合物基体材料和钕化合物颗粒的折射率的差异小于0.1。通常，如果在可见光区域中聚合物基体材料和钕化合物颗粒的折射率的差异小于0.1，则这里实现了通常因最小化的程度的光学散射导致的低雾度(低扩散度)光学效果。如果钕化合物颗粒由NdF3形成且其聚合物基质材料为聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)，则NdF3的折射率(约1.60)和PC与PS的折射率(约1.586)使得在光穿过复合材料时出现最小程度的光学散射。折射率在0.1之内NdF3的聚合物的另一示例是氟掺杂的聚酯(折射率约1.607)。就此，基于折射率与钕化合物颗粒的折射率相似的基准来选择聚合物基质材料，以实现低雾度(低扩散度)光学效果。
在一些实施例中，在可见光区域中聚合物基体材料和钕化合物颗粒的折射率的差异大于0.1。例如，聚合物基体材料为聚碳酸酯，其折射率为1.586，钕化合物为NdFO，其折射率为1.7。
本发明还提供了一种包括白色LED封装件的发光设备和包括前述复合材料的光学组件，其中，由白色LED封装件产生的黄光的至少一部分可以经光学组件过滤。
在一些实施例中，包括所述复合材料的光学组件可以为灯盖或灯罩。例如，图1示出了一种的发光设备10，其包括盖或罩11、爱迪生型螺纹基座连接器12、在盖或罩11和连接器12之间的壳体或基体13、和可选的散热鳍14，其中，盖或罩11由所述复合材料形成。作为另一示例，图2示出了包括用于光学地包封安装在印刷电路板(PCB)23上的LED芯片22的穹顶盖或罩21；其中，穹顶盖或罩21由所述复合材料形成。在一些实施例中，包括所述复合材料的光学组件可以为位于灯盖或罩内部或外部的其他组件。
在一些实施例中，白色LED封装件包括荧光粉和峰值波长段在440nm至460nm的范围，特别地，为450nm的蓝光源，在这些实施例中，用于形成光学组件的复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为0.4％至8％。
在一些实施例中，白色LED封装件荧光粉和峰值波长段小于435nm(例如，峰值波长小于430nm、在420nm至430nm的范围内、或为大约425nm)的蓝光源。在这些实施例中，用于形成光学组件的复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比可以不受限制或也可以为0.4％至8％。此外，在这些实施例中，由于峰值波长小于430nm，不再需要添加到发光设备以实现更好的可视效果的额外的UV光，这有助于保护眼睛。
下面的表3示出了包括由具有不同厚度的复合材料形成的光学组件的发光设备的光的色坐标(CCX和CCY)、CRI、R9和净CSI，其中，在每个发光设备中，聚合物基体材料为PC，钕化合物为NdF3，NdF3的掺杂浓度(重量百分比)为4.5％，白色LED封装件的显色指数大约是80，白色LED封装件包括具有荧光粉且峰值波长为大约450nm的蓝光源。
表3
厚度 CRI R9 净CSI CCX CCY
0mm 81.1 13.7 -2 0.4595 0.4113
1mm 86.5 30.7 2 0.4693 0.4053
2mm 89.1 39.1 9 0.4709 0.4014
从表3可以看出，CRI、R9和净CSI都随着掺杂了4.5％浓度的NdF3颗粒的光学组件的厚度的增加而变得更好。当厚度是2mm时光的性能是好的。
下面的表4示出了包括由具有不同厚度的复合材料形成的光学组件的发光设备的光的色坐标(CCX和CCY)、CRI、R9和净CSI，其中，在每个发光设备中，聚合物基体材料为聚碳酸酯，钕化合物为NdF3，NdF3的掺杂浓度(重量百分比)为1％，白色LED封装件的显色指数大约是80。
表4
厚度 CRI R9 净CSI CCX CCY
0mm 81.1 13.7 -2 0.4595 0.4113
2mm 83 20 0 0.4644 0.4083
4.5mm 86.5 30.7 2 0.4693 0.4053
9mm 89.1 39.1 9 0.4791 0.3993
14mm 92 45 15 0.4899 0.3926
从表4可以看出，和不含NdF3颗粒的光学组件相比，含NdF3颗粒的光学组件可通过使光通过复合材料的方法提高光的性能。
图3示出了确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的方法30的示意性流程图。方法30包括步骤31和步骤32。
步骤31包括预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数(colorimetry property)和复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的第一映射关系。
色度学参数表明穿过复合材料的可见光的色彩。色度学参数包括但不限于色坐标、CRI、R9和CSI。
在一些实施例中，如图4中所示，步骤31包括：使由白光源产生的光穿过第一复合材料以得到第一色度学参数的步骤311；使由白光源产生的光穿过第二复合材料以得到第二色度学参数的步骤312；以及基于第一色度学参数和第二色度学参数确定第一映射关系的步骤313，其中，第一复合材料和第二复合材料厚度相同且钕化合物颗粒的掺杂浓度不同。
通过使由相同的白光源产生的光穿过除了钕化合物颗粒的掺杂浓度之外几乎相同的第一复合材料和第二复合材料，可以得到穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的第一映射关系。
在一些实施例中，第一映射关系可以通过使由白光源产生的光穿过除了钕化合物颗粒的掺杂浓度之外几乎相同的多个(例如，超过两个)复合材料来得到。
步骤32包括基于第一映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度。
因为得到了第一映射关系，所以容易根据期望的色度学参数来确定钕化合物颗粒的掺杂浓度。
图5示出了根据本发明的实施例的确定复合材料的厚度的方法40的示意性流程图。方法40包括步骤41和步骤42。
步骤41包括预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料的厚度的第二映射关系。
在一些实施例中，步骤41包括：使由白光源产生的光穿过第三复合材料以得到第三色度学参数的步骤411；使由白光源产生的光穿过第四复合材料以得到第四色度学参数的步骤412；以及基于第三色度学参数和第四色度学参数确定第二映射关系的步骤413，其中，第三复合材料和第四复合材料的厚度不相同且钕化合物颗粒的掺杂浓度相同。
通过使由相同的白光源产生的光穿过除了厚度之外几乎相同的第三复合材料和第四复合材料，可以得到穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料的厚度的第二映射关系。
在一些实施例中，第二色度学参数可以通过使由白光源产生的光穿过除了厚度之外几乎相同的多个(例如，超过两个)复合材料来得到。
步骤42包括基于第二映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料的厚度。
因为得到了第二映射关系，所以容易根据期望的色度学参数来确定复合材料的厚度。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (22)

1.一种用于光过滤的复合材料，其包括聚合物基体材料和掺杂在所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒，其中，该复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为0.4％至8％。
2.如权利要求1所述的复合材料，其中，所述复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为2％至8％。
3.如权利要求2所述的复合材料，其中，所述复合材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为4％至6％。
4.如权利要求1所述的复合材料，其包括：掺杂在所述聚合物基体材料中的用于光散射的添加剂颗粒。
5.如权利要求1所述的复合材料，其中，在可见光区域中所述聚合物基体材料和所述钕化合物颗粒的折射率的差异小于0.1。
6.一种发光设备，包括：
白色LED封装件；及
光学组件，包括如权利要求1至权利要求5中任意一项所述的复合材料；
其中，由白色LED封装件产生的黄光的至少一部分经所述光学组件过滤。
7.如权利要求6所述的发光设备，其中，所述光学组件的厚度在1mm至14mm的范围。
8.如权利要求7所述的发光设备，其中，所述光学组件的厚度在1mm至9mm的范围。
9.一种发光设备，包括：
白色LED封装件，包括峰值波长小于435nm的蓝光源和荧光粉；
光学组件，其中，由白色LED封装件产生的黄光的至少一部分经所述光学组件过滤。
10.如权利要求9所述的发光设备，其中，所述蓝光源的峰值波长小于430nm。
11.如权利要求10所述的发光设备，其中，所述蓝光源的峰值波长在420nm至430nm的范围。
12.如权利要求9所述的发光设备，其中，所述光学组件包括复合材料，该复合材料具有聚合物基体材料和掺杂在所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒，且所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为0.4％至8％。
13.如权利要求12所述的发光设备，其中，所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为2％至8％。
14.如权利要求13所述的发光设备，其中，所述聚合物基体材料中的钕化合物颗粒的重量百分比为4％至6％。
15.如权利要求12所述的发光设备，其中，所述光学组件的厚度在1mm至14mm的范围。
16.如权利要求15所述的发光设备，其中，所述光学组件的厚度在1mm至9mm的范围。
17.如权利要求12所述的发光设备，其中，所述复合材料包括：掺杂在聚合物基体材料中的用于光散射的添加剂颗粒。
18.如权利要求12所述的发光设备，其中，在可见光区域中所述聚合物基体材料和所述钕化合物颗粒的折射率的差异小于0.1。
19.一种用于确定复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的方法，包括：
预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度的第一映射关系；及
基于所述第一映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料中的钕化合物颗粒的掺杂浓度。
20.如权利要求19所述的方法，其中，预先确定关系包括：
使由白光源产生的光穿过第一复合材料以得到第一色度学参数；
使由白光源产生的光穿过第二复合材料以得到第二色度学参数，其中，所述第一复合材料和所述第二复合材料具有相同的厚度且具有不同的钕化合物颗粒掺杂浓度；及
基于所述第一色度学参数和所述第二色度学参数确定所述第一映射关系。
21.一种用于确定复合材料的厚度的方法，包括：
预先确定穿过复合材料的可见光的色度学参数和复合材料的厚度的第二映射关系；
基于所述第二映射关系确定与期望的色度学参数对应的复合材料的厚度。
22.如权利要求21所述的方法，其中，预先确定关系包括：
使由白光源产生的光穿过第三复合材料以得到第三色度学参数；
使由白光源产生的光穿过第四复合材料以得到第四色度学参数，其中，所述第三复合材料和所述第四复合材料具有不相同的厚度且具有相同的钕化合物颗粒掺杂浓度；
基于所述第三色度学参数和所述第四色度学参数确定所述第二映射关系。
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