CN107580526B - Led系统 - Google Patents
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Abstract
包含活性组合物的非气密密封的LED系统，活性组合物的量为每cm2系统光学窗口面积0.06mg至2.5mg，活性组合物包含粉末形式的活性材料，其中至少75重量％的所述活性材料选自活性炭、银、铜、锌、铜氧化物、锌氧化物、钙氧化物、银氧化物中的一者或更多者。
Description
本发明涉及包含活性组合物的LED系统。活性组合物的目的是除去有害物质，例如硫或卤素(特别是氯)、基于硫和基于卤素的挥发性化合物。
已知LED是一种利用一些半导体材料的光学特性通过电子-空穴复合来产生光子的光电子器件。为了获得所谓的p-n结，将电子和空穴通过两个区域(一个包含用于电子的n型掺杂剂，另一个包含用于空穴的p型掺杂剂)注入复合区域中。
LED发光是由半导体材料和/或由一种或更多种发光材料(磷光体)确定并限定的，其各自在可见光谱的明确限定的区域中发光，不同颜色通过所述发光材料的适当组合来获得。例如，白光可以通过组合红色LED、绿色LED和蓝色LED来获得，或者可使用单一发射蓝色/UV LED来激发相邻的磷光体再发射更长波长的光，以此方式使得具有磷光体的单LED可以具有并显示适当的色谱，例如黄色或者黄色和红色，其与从LED发出的蓝色组合来产生白光。
基本上，LED包括在其上分布有磷光体的半导体材料薄片(通常被叫作并被称为“管芯”)，薄片与用于电源和散热的适当结构连接。然后通过聚合物封装材料保护管芯，并且该系统通常被称为LED封装件。
为了本发明的目的，术语LED系统既包括安装在传统基底上并且经标准有机硅或环氧树脂封装的简单LED封装件，又包括由LED封装件和另外的部件(例如散热器、反射器、扩散器、灯泡或外部包封)构成的照明装置。
相对于传统光源，LED系统显示增强的发光和更长的使用寿命，但是由于硫或卤素(例如氯)的存在，可能遭受性能衰减并使可靠性问题显现，硫或卤素可以从外面环境渗入(例如来自瓦楞纸板或有机橡胶包装的硫)，或者他们可以是从LED材料(例如焊膏、印刷电路板(PCB)和衬垫材料)释放的。更具体地，LED系统的高工作温度可以导致大量的氯释放，氯和硫一起可以在整个系统中扩散，与涂覆银的反射表面反应使他们变黑，或者与银接触件反应导致Ag2S和AgCl的形成，从而改变其光学和/或电学特性。
为了克服这些问题，LED制造商设法最大程度地避免硫和/或卤素释放材料的使用，但这导致对于生产而言可能相当昂贵的LED系统设计和制造上的限制，例如通过使用特别类型的PCB。此外，在LED的使用寿命期间，不可能完全避免这些物质的渗入和释放，因此甚至在其实际使用之前，即使库存在货架上时，其也会遭遇逐渐衰减。
如已经概述的，LED系统的主要劣化原因之一与硫或卤素(特别是氯)的渗入有关，并且存在于大气中的并且甚至以低浓度存在的他们的化合物也可以引起上述光学特性和电学特性衰减。特别是在一些受污染的区域，空气中S-化合物或Cl-化合物的水平可以比平均值显著更高(例如在一些靠近高速公路的区域或在隧道中，H2S浓度可以高于10ppb)，并且通过非气密密封的LED系统的扩散可以导致加速劣化问题。硫化氢(H2S)结果成为可以影响LED系统性能的最有害的污染物之一，因此在下文中本发明的描述主要涉及污染物H2S，但是当然其也涉及所有与其他S-化合物或卤素-化合物相关的影响。
本发明的目的是提供能够克服这些问题的LED系统，并且在其第一个方面中，其包括一种LED系统，所述LED系统具有光学窗口和非气密密封的内部体积，意味着当H2S外部体积浓度为10ppb时所述内部体积中的H2S进入量为5.5*10-4微克/天至1.9*10-1微克/天，并且在所述内部体积中包含活性组合物，所述活性组合物的量为每cm2系统光学窗口面积0.06mg至2.5mg，所述活性组合物包含粉末形式的活性材料，其中至少75重量％的所述活性材料选自活性炭、银、铜、锌、铜氧化物、锌氧化物、钙氧化物、银氧化物中的一者或更多者。
优选地，一种活性材料粉末或更多种活性材料粉末(在使用活性材料混合物的情况下)的平均尺寸为0.1μm至20μm。对于非球形粉末，尺寸是指最大的颗粒尺寸。
优选地，每cm2光学窗口面积的所述活性组合物的量为0.1mg至1mg。
用于户外应用的LED系统可以是气密密封的、开放的或非气密密封的。
气密密封的系统可能遭遇水蒸汽在LED系统内的光学部件上冷凝的问题：尽管系统是密封的，但是知晓水分可以缓慢渗透过系统零件，并且因此可能出现与H2O积聚和光学不透明相关的问题；因此气密密封的系统不得不考虑水分渗透并且需要特定的设计以避免水蒸汽冷凝，增加了复杂性和成本。
开放系统目的在于借助空气与外部环境的交换的容易的LED热管理，例如在最近CREE industries对所谓的4Flow灯丝冷却对流技术的开发上；气体交换的水平还使有害物质在灯内的停留时间最小化，但那些可能仍然影响LED工作。
最后，我们具有非气密系统，即仍然具有有限的与外部环境的气体交换的封闭系统；在现有技术中，例如在美国专利申请2013/092969中，气体交换被认为是对提供气密密封的障碍的折衷，并且吸收剂被描述为用于处理由于非气密密封而产生的涉及与外部环境的有限的气体交换相关的水分和/或氧的手段。
本发明人已经确定了具有受控制的气体渗透范围的非气密密封系统的渗透与用于硫/卤素有害化合物去除的活性组合物的量之间合适的平衡，允许与外部环境进行气体交换，这确保了水蒸汽蒸发并迁移至外部环境和活性化合物的最大效率。尽管因为气体交换比开放系统配置下的更低而使得气体交换不足以在热管理方面上产生任何优点，但是在正常LED系统工作期间通过加热促进了气体交换。
因此，本发明相对于美国专利申请2014/168526中所公开的而言存在改进，描述了有用地插入LED系统中的活性组合物量的更宽的范围。
气体交换还避免挥发性有机化合物(VOC)(其可能由系统部件排出的)的冷凝和由此随后的不透明。
本发明人已经确定了同时考虑水分冷凝问题和含硫污染物(即H2S和更一般的硫挥发性化合物)存在下的合适的平衡，因为根据本发明的LED系统落入非气密密封类型的装置中，即允许与外部环境有限的气体交换的装置，并且能够避免与上述污染物相关的有害影响，同时确保适当的水分交换并克服水蒸汽冷凝问题。
因此，根据本发明的LED系统不一定需要水分吸收剂的存在。因此，该方案与美国专利申请2013/092969中所公开的不同，其专注于在具有非常低的氧和水分渗透的密封LED装置，描述了处理(cure)不完美气密密封缺陷的氧和/或水分吸收剂。特别地，根据本发明的系统以这样的方式设计成具有有限的但有意义的气体交换，确保水蒸汽足够的流入和流出，并且与美国专利申请2013/092969不同，这样的气体交换(因此包括作为期望效果而非有害现象的水分交换)是系统的正确工作所需要的。在根据本发明的非气密性水平的情况下，一般水分吸收剂的存在可充当集中器，导致在LED导通期间大量气体释放和随后由于起雾导致的发光劣化。事实上，一般的水分/氧吸收剂与环境达到平衡压力，但由于LED工作和随后加热的影响，温度的升高将导致新的更高的平衡压力，伴随固有的气体释放。例如，在70℃下，从吸收剂释放少量的水(对应于每cm3内部系统自由体积约0.2mg)应该就足以产生饱和水蒸汽并开始水冷凝。
重要的是强调H2S向LED系统的内部体积中的进入量会与外面H2S浓度成比例，例如在加速测试的情况下，外部环境可以在10ppm的条件下，即相对于给定的参照浓度的1000倍高的浓度，并且因此H2S的渗透量相应地增加到5.5*10-1至1.9*102微克/天的范围。LED系统的内部气氛与外部环境之间的这种水平的相互作用可以通过各种手段来实现，例如使用外部可渗透容器或可渗透壁，或者通过几乎不可渗透的但具有一些小开口/小孔的容器或者使用可渗透衬垫(例如有机硅类的衬垫)。
根据本发明的LED系统的主要优点是确保可渗入并影响其性能的气体有害物质的有效去除，防止由颜色变化和反射表面的劣化以及由银接触件的电学特性的改变(如果存在/当存在时)造成的照明性能衰减。
根据本发明的LED系统的另一个相关优点是由选择所采用的材料的自由所赋予的，而不需要考虑可能产生的硫和卤素(主要是但不仅仅是氯)，因此系统是更加可靠的，更简易的并且同时制造起来较不昂贵。
包含于在根据本发明的LED系统中存在的活性组合物中的活性材料优选以具有高比表面积(高于70m2/g)的粉末形式使用。
此外，本发明人已经发现在LED系统内使用活性碳、银、铜、锌、铜氧化物、锌氧化物、钙氧化物、银氧化物作为包含于活性组合物中的活性材料的主要成分不仅确保在从室温至高达100℃下硫和卤素的去除，而且甚至在130℃(即最大LED工作温度)下他们不会释放这样的污染物。
这是相对于硫吸附剂(例如通常广泛使用的硅胶)另外的特性，硫吸附剂仅在较低的温度下确保良好的吸附能力而在已经低于100℃时具有可逆的释放，如1993年东京大学的M.Suzuki创作的“Fundamentals of adsorption”的书第294页中所证明的。此外，发现向主要活性材料中添加较少量(累积百分比为总活性材料量的1重量％至25重量％)的铈氧化物、铁氧化物、锰氧化物、钯氧化物、锡氧化物或其组合物提高了对所述污染物的去除作用。
活性材料通常以距管芯或管芯阵列等于或小于2cm的距离设置在LED系统内，这确保了对LED系统的更敏感部件(即，银反射涂层和银接触件(所述银接触件如果存在/当存在时))的保护作用并使其最大化。
活性材料的合适的配置是以粉末形式原样在容器内。这样的配置的实例是本领域技术人员公知的，可以在例如均在申请人名下的欧洲专利1851783和2408942中找到，并且其教导通过引用并入本文中。
或者，活性组合物可以以压缩粉末的形式使用。在这种情况下，优选的形状为丸和片，另外在这种情况下的另外的细节可在欧洲专利2408942中找到。
活性组合物的另一种优选配置(在该情况下还优选直接原样靠近LED管芯(或LED管芯阵列)布置)为分散在合适的聚合物基体中的粉末形式，优选高比表面积的粉末(≥70m2/g)。优选的基体选自有机硅类树脂、或者有机硅-环氧类树脂、或者有机硅-丙烯酸类树脂。或者，活性组合物可以施加在合适的支承物或带上，优选金属带。在一个优选实施方案中，将活性组合物分散在聚合物基体中(例如且优选地在有机硅类树脂中)，沉积并粘合在支承物上，如申请人名下的欧洲专利1595930所述的。
在另一个优选的配置中，活性材料为分散在设置在管芯上的封装聚合物树脂中的高比表面积的活性粉末的形式，其中粉末尺寸和浓度是以不显著改变树脂透明度的方式选择的。例如，高比表面积的活性粉末可以以0.1重量％至12重量％，优选1.5重量％至8重量％的浓度分散在树脂中。在该具体实施方案中，优选的树脂为有机硅。
一般来说，本发明涵盖如下情形：原样使用粉末，但也可以借助合适的化学剂(粘合剂)或借助合适的固结处理(例如，热处理如烧结)有利地使用适当分散和结合的粉末。
将借助于以下非限制性实施例进一步说明本发明。
实施例1a：样品制备
在不锈钢基底上施加银层或银涂层制备了数个样品，各个基底的表面为12.5cm2。施加的银层或涂层的平均厚度为5μm并且覆盖范围是整体。测量的报告值是对多个采样点的平均。沉积的银的重量计算为沉积并固结之前和之后的基底间的重量差，校正基体残留。
比较样品C1由胶粘在不锈钢基底上的银箔组成；样品上银的单位负载量为5.2mg/cm2，这代表以上参考的美国专利申请2014/168526中描述的方案，这样的量对应于在一半基底表面上10微米厚度的银层。
其他样品如下制备：使用由小的Ag颗粒、粘合剂和分散剂的组合组成的银糊剂，通过刮涂沉积成约5μm的厚度并在空气中在250℃下固结90分钟；通过改变这些组分的相对量，制造了银的最终平均单位负载量不同的样品，更具体地，2.9mg/cm2的比较样品C2和2.0mg/cm2的样品S1。
另外的样品使用更低的银含量通过以下过程制备，通过刮涂沉积混合了气体可渗透的有机硅类树脂和挥发性溶剂的银粉末的糊剂并在空气中在250℃下使其固结90分钟；通过改变这些组分的相对量，制造了银的最终平均单位负载量不同的样品，更具体地，0.8mg/cm2的样品S2、0.5mg/cm2的样品S3、0.08mg/cm2的样品S4和0.005mg/cm2的最后样品C3。
实施例1b：样品表征
已经就作为单位Ag负载量(specific Ag load)的函数的关于对硫的吸附能力的相对性能方面评价了制备的样品。在包含所有样品的约1升的室中借助浓度4ppm、流量220cc/分钟的氮气载气中的H2S的流动输送硫。所有样品在相同条件下暴露相同时间15个小时。
获得的结果示于表1中，报告了样品ID、平均银负载量和通过校准后的能量-色散X射线(EDX)探针在样品上测量的S原子相对于Ag原子的相对量，因此表示不同的样品效率。
表1
| 样品ID | 平均Ag负载量(mg/cm<sup>2</sup>) | S原子/Ag原子(％) |
| C1 | 5.2 | 0.1 |
| C2 | 2.9 | 0.8 |
| S1 | 2.0 | 1.2 |
| S2 | 0.8 | 9.4 |
| S3 | 0.5 | 2.2 |
| S4 | 0.08 | 1.1 |
| C3 | 0.005 | <0.1 |
可以观察到，只有根据本发明的样品，才使得效率高于1％，对于最佳样品(S2)，几乎比根据美国专利申请2014/168526制造的样品C1达到的效率高两个数量级。根据效率确定了下限：1％S/Ag原子比被认为是合适的值，还鉴于对光学窗口面积的特定限制，其确保了所采用的方案不仅能够去除一定量的S而且还具有可接受的动力学，如通过在15小时的实验持续时间后所获得并测量的S负载量所证明的。
实施例2a：样品制备
该实施例比较了根据本发明的两个实施方案；特别地，以与S2相同的方法制备样品S5，但是使用包含钙氧化物(90重量％)和铁氧化物(10重量％)的粉末混合物而不是Ag粉末的糊剂。样品S5的活性组合物负载量为0.3mg/cm2并且涂层厚度为5μm。
实施例2b：样品表征
与实施例1b类似，已经就关于对硫的吸附能力(其表示为S原子相对于活性组合物的原子(对于S2，Ag原子；对于S5，Ca+Fe原子)的相对量)的相对性能方面评价了制备的样品。结果报告在表2中。
表2
如表2所示，样品S2和S5二者都具有远高于1％(S原子)/(活性组合物原子)比的能力；尽管S5具有更低的活性组合物负载量，但是这样的样品甚至能够获得更高的效率，所以该特定方案(钙氧化物和铁氧化物组合)是根据本发明的一个优选实施方案。
Claims (14)
1.一种LED系统，所述LED系统具有光学窗口和非气密密封的内部体积，使得当H2S外部体积浓度为10ppb时所述内部体积中的H2S进入量为5.5*10-4微克/天至1.9*10-1微克/天，以及在所述内部体积中包含活性组合物，所述活性组合物的量为每cm2所述系统光学窗口面积0.06mg至2.5mg，所述活性组合物包含粉末形式的活性材料，其中至少75重量％的所述活性材料选自活性炭、银、铜、锌、铜氧化物、锌氧化物、钙氧化物、银氧化物中的一者或更多者。
2.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性材料粉末的平均尺寸为0.1μm至20μm。
3.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性组合物以1重量％至25重量％的量包含至少一种选自铈氧化物、钯氧化物、锡氧化物、铁氧化物、锰氧化物中的另外的活性材料。
4.根据权利要求1所述的LED系统，其中每cm2所述光学窗口面积的所述活性组合物量为0.1mg至1mg。
5.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性材料是比表面积≥70m2/g的粉末形式。
6.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性材料粉末保持在适当的容器中。
7.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性材料粉末被压缩成独立的丸或片的形式。
8.根据权利要求1所述的LED系统，其中所述活性材料粉末分散在聚合物基体中。
9.根据权利要求8所述的LED系统，其中所述聚合物基体基于有机硅类树脂、或者有机硅-环氧类树脂、或者有机硅-丙烯酸类树脂。
10.根据权利要求8所述的LED系统，其中包含所述活性材料粉末的所述聚合物基体沉积在支承带上。
11.根据权利要求8所述的LED系统，其中包含所述活性材料粉末的所述聚合物基体沉积在金属带上。
12.根据权利要求8所述的LED系统，其中所述活性组合物中的所述活性材料粉末浓度为0.1重量％至12重量％。
13.根据权利要求8所述的LED系统，其中所述活性组合物中的所述活性材料粉末浓度为1.5重量％至8重量％。
14.根据权利要求12所述的LED系统，其中所述活性组合物设置在LED管芯上以用于所述LED管芯的封装。
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