CN108305929B - 具有高显色性的白光发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有高显色性的白光发光装置，并且所述白光发光装置为一种白光发光灯，包括：蓝色LED芯片，所述蓝色LED芯片具有440～460nm的激发波长；以及荧光体层，所述荧光体层覆盖所述蓝色LED芯片的发光表面，并且通过所述蓝色LED芯片的所述激发波长被激发以便发射光，其中，所述荧光体层包含：具有480～499nm的发射峰值波长的第一荧光体，具有500～560nm的发射峰值波长的第二荧光体，以及具有600～650nm的发射峰值波长的第三荧光体。根据本发明，能够提供一种具有高显色性的白色LED芯片，特别地，能够提供对诸如R9和R12的特定颜色具有高显色性的白光发光装置。

Description

具有高显色性的白光发光装置

本案是分案申请，其母案为于2014年8月18日(优先权日：2013年10月2日)提交的发明名称为“具有高显色性的白光发光装置”、申请号为201480066061.6的申请。

技术领域

本发明涉及一种用于照明的白色LED装置(white LED device)，并且更特别地，涉及一种使用具有高亮度的蓝色LED芯片作为激发光源(excitation light source)的具有高显色性的用于照明的白色LED装置。

背景技术

随着20世纪90年代后期蓝色LED的商业化，白色LED装置已经出现，其采用例如YAG(钇铝石榴石)的荧光体(phosphor)，使用蓝色LED芯片作为激发光源，通过吸收相应的波长处的激发光来发射黄色光。这种白色LED具有高亮度但仍存在问题，因为蓝色光和黄色光之间的波长间隔很宽，因此由于闪烁效应难以通过分色大量生产具有相同的色坐标的白色LED。此外，被认为在用于照明的光源中重要的色温(color temperature，CT)和显色指数(color rendering index，CRI)也很难进行调节。典型白色LED的CRI仅有75～80。

因此，通过在紫外LED芯片(UV LED chip)上应用R/G/B多层荧光材料以表现出优越的色稳定性和如同白炽灯泡中的宽的发射光谱，白色LED装置已经得到发展。这种白色LED的CT和CRI易于调节，并且因此白色LED作为用于照明的LED光源而受到了关注(日本专利申请公开NO.2002-171000)。然而，与使用蓝色LED芯片的白色LED装置相比，使用紫外LED芯片作为激发光源的白色LED装置具有低亮度，因此该专利仍存在问题。

此外，已经提出了通过结合例如R/G/B的多个LED芯片发射白光的方法，但仍有缺陷，例如，每个芯片的驱动电压不一致，并且芯片的功率也会根据周围温度而变化，从而产生不同的色坐标。

虽然已经提出各种方法来实现如上所述的白色LED，但是对由于蓝色LED的高亮度而将蓝色LED作为激发光源，使用绿色荧光体和红色荧光体替代黄色荧光体的白色LED的深入研究仍在进行(韩国专利申请公开NO.2008-0063709)。在这种情况下，可以在一定程度上增大色再现性，但仍然不足够。例如，包含绿色荧光体和红色荧光体的白色LED灯对诸如R9(红)或R12(蓝)的特定颜色具有低CRI。

此外，由于用于荧光体的材料的不稳定性，例如，由于外部能量等所导致的白色LED装置的红色荧光体或绿色荧光体的损害，可能会出现不可靠的产品。

发明内容

技术问题

因此，考虑到相关技术中遇到的问题而进行了本发明，并且本发明旨在提供一种使用蓝色LED芯片作为激发光源的高显色性白色LED芯片。

此外，本发明旨在提供一种白光发光装置，所述白光发光装置可以通过优化组成成分及各荧光体的混合比例达到高显色性和高发光亮度来发射与自然光相近的白光。

技术方案

本发明提供了一种白光发光装置，所述白光发光装置包括：蓝色LED芯片，所述蓝色LED芯片具有440～460nm的激发波长(excitation wavelength)；以及荧光体层，所述荧光体层通过所述蓝色LED芯片的所述激发波长被激发以发射光，其中，所述荧光体层包含：具有480～499nm的发射峰值波长(emission peak wavelength)的第一荧光体；具有500～560nm的发射峰值波长的第二荧光体；以及具有600～650nm的发射峰值波长的第三荧光体。

优选地，所述白光发光装置具有90％或更高的平均显色指数，以及90％或更高的R12。

更优选地，所述白光发光装置具有90％或更高的R9。

另外，所述白光发光装置可以具有在发射光谱(emission spectrum)中的485～504nm的范围内的峰值波长。

优选地，所述白光发光装置具有在所述发射光谱中的不同波长带(wavelengthband)中的三个或更多个峰值波长。

此外，本发明提供了一种白光发光装置，所述白光发光装置包括：蓝色LED芯片，所述蓝色LED芯片具有440～460nm的激发波长；以及荧光体层，所述荧光体层通过所述蓝色LED芯片的所述激发波长被激发以发射光，其中，所述荧光体层包含具有在480～650nm的范围内的发射峰值波长的至少三种荧光体，并且所述白光发光装置具有在发射光谱中的485～504nm的范围内的峰值波长。

优选地，所述白光发光装置具有在所述发射光谱中的不同波长带中的三个或更多个峰值波长。

同样地，所述白光发光装置可以具有90％或更高的平均显色指数，以及90％或更高的显色指数R12，此外，可以具有90％或更高的显色指数R9。

有益效果

根据本发明，能够提供一种使用蓝色LED芯片作为激发光源的高显色性白色LED芯片。所述白色LED芯片能够对诸如R9和R12的特定颜色表现出高显色性。

另外，使用蓝色LED芯片作为激发光源，单独的荧光体的波长带和混合比例能够适当地调整，从而实现包含90％或更高的R9和R12的高显色性，使得能够提供一种用于发射与太阳光相近的光的LED装置。

附图说明

图1示出了根据本发明的优选的实施例的白色LED装置；

图2示出了根据本发明的白色LED装置的实例1至12；

图3示出了用于与本发明对比的白色LED装置的比较例1至12；

图4示出了根据本发明的实例1至12的显色性的评价结果；

图5示出了比较例1至12的显色性的评价结果；

图6示出了比较例1和根据本发明的实例1的发射光谱；

图7示出了比较例3和根据本发明的实例3的发射光谱；

图8示出了比较例5和根据本发明的实例5的发射光谱；

图9示出了比较例7和根据本发明的实例7的发射光谱；

图10示出了比较例9和根据本发明的实例9的发射光谱；

图11示出了比较例11和根据本发明的实例11的发射光谱；

图12示出了图6至图11的全部发射光谱。

具体实施方式

为了充分地理解本发明、本发明的操作中的优点以及通过本发明的实施实现的目标，需要对本发明的示例性实施例进行参考。

在本发明的以下描述中，当并入本文的已知的结构和功能可能使本发明的主题不清楚时，将省略其详细描述。

图1示出了根据本发明的优选的实施例的白色LED装置。

如图1所示，LED装置100包括基板110和安装在其上的LED芯片130。LED装置100使用表面安装技术(surface mount technology，SMT)通过球栅阵列(ball grid array)210结合到金属基板(金属PCB)200上，从而形成LED封装(LED package)。这一封装结构示出了采用根据本发明的LED装置的示例性实施例，并且本发明可以应用于其他封装方法。

具有预定形状(例如，圆柱形)的框架170设置在LED装置100的基板110上，并且所述框架的内表面设置有反射器(reflector)，所述反射器用于有效地反射从LED芯片130发射的光。尽管未示出，LED芯片130的一个电极可以通过焊线(bonding wire)与框架170电连接。另外，LED芯片130的另一个电极可以与基板上的金属线(metal wire)电连接。

所述LED芯片130包括具有440～460nm的峰值波长的发光二极管。例如，所述发光二极管可以包括InGaN基或GaN基(InGaN-or GaN-based)发光二极管。替代所述LED芯片，例如激光二极管的其他发光装置可以用于本发明，这对本领域的技术人员是显而易见的。

所述LED芯片130覆盖有荧光体层150。所述荧光体层150包含具有不同发射峰值波长的至少三种荧光体152、153、154，其通过所述LED芯片130的发射波长被激发以发射预定波长的光。在本发明中，所述荧光体优选地以粉末的形式提供。为此，荧光体层150可以包含透明树脂，所述透明树脂用于分散和固定所述荧光体，并且密封所述LED芯片130。

在本发明中，所述透明树脂可以包括典型的硅树脂或环氧树脂。

在本发明中，荧光体152、153、154具有不同的荧光材料成分，并且因此表现出不同的发射峰值波长。优选地，所述荧光体152、153、154包括具有在480～650nm的范围内的不同的发射波长的至少三种荧光材料。在本发明的实施例中，所述荧光体152、153、154包括在通过从LED芯片发射的光激发之后，用于发射蓝光的第一荧光体B，用于发射绿光的第二荧光体G和用于发射红光的第三荧光体R。在本发明中，第一荧光体、第二荧光体和第三荧光体优选地由氧化物或氮化物组成。

在本发明中，第一荧光体通过从LED芯片130发射的光被激发，从而发射具有在480～499nm的范围内的峰值波长的光。第一荧光体的发射峰值波长大于从LED芯片130发射的光的峰值波长。

在本发明中，用于发射蓝光的第一荧光体B优选地包括由以下化学式1表示的荧光材料。

(化学式1)

(Ba,Eu)Si_x(O,Cl)_xN_x(1<x<5)

在本发明中，第二荧光体通过从LED芯片130发射的光被激发，从而发射具有在500～560nm的范围内的峰值波长的光。用于发射绿光的第二荧光体可以包括由以下化学式2至4表示的荧光材料，所述荧光材料可以单独使用或组合使用。

(化学式2)

(Sr,Ba,Ca)_xSiO_2x:Eu(1<x<5)

(化学式3)

Si_6-yAl_yO_yN_8-y:Eu(0.1<y<0.5)

(化学式4)

Al_8-zLu_zO₁₂:Ce⁺⁺(1<z<5)

在本发明中，第三荧光体通过从LED芯片130发射的光被激发，从而发射具有在600～650nm的范围内的峰值波长的光。第三荧光体可以包括由以下化学式5和6表示的荧光材料，所述荧光材料可以单独使用或组合使用。

(化学式5)

(Sr,Ca)AlSiN_x:Eu(1<x<5)

(化学式6)

CaAlSiN_y:Eu(1<y<5)

下面是根据本发明的高显色性白光发光装置的实例和比较例的描述及其显色性的评价结果。

<实例1至12>

在根据本发明的实例1至12中，制备了包含具有480～499nm的发射峰值波长及15±3μm的D50的(Ba,Eu)Si₂(O,Cl)₂N₂的第一荧光体，包含具有500～560nm的发射峰值波长及12±3μm的D50的Al₅Lu₃O₁₂:Ce⁺⁺的第二荧光体，以及包含具有600～650nm的发射峰值波长及11±3μm的D50的(Sr,Ca)AlSiN₃:Eu的第三荧光体。

第一荧光体、第二荧光体、第三荧光体和硅树脂以图2所示的混合比例进行混合，从而获得泥状物(sludge)，所述泥状物然后被涂覆到蓝色LED芯片上，并且在150～180℃下热处理以固化所述硅树脂，由此制造如图1所示的白色LED装置。在实例1、3、5、7、9和11中，使用了具有440～450nm的发射峰值波长的LED芯片，并且在实例2、4、6、8、10和12中，采用了具有450～460nm的发射峰值波长的LED芯片。

<比较例1至12>

在比较例1至12中，制备了包含具有430～470nm的发射峰值波长的(Ba,Eu)Si₂(O,Cl)₂N₂的第一荧光体，并且制备了具有与实例1至12相同的发射峰值波长和成分的第二和第三荧光体。

第一荧光体、第二荧光体、第三荧光体和硅树脂以图3所示的混合比例进行混合，从而获得泥状物，所述泥状物然后被涂覆到蓝色LED芯片上，并且在150～180℃下热处理以固化所述硅树脂，由此制造如图1所示的白色LED装置。在比较例1、3、5、7、9和11中，使用了具有440～450nm的发射峰值波长的LED芯片，并且在比较例2、4、6、8、10和12中，使用了具有450～460nm的发射峰值波长的LED芯片。

测量实例1至12以及比较例1至12的白光发光装置的显色性。

图4示出了实例1至12的白光发光装置的显色性的评价结果，并且图5示出了比较例1至12的白光发光装置的显色性的评价结果。

在图4和5中，根据日本工业标准(JIS Z 8726-1990)采用Instrument制造的CAS140分光仪和Otsuka Denshi制造的MCPD系统，在65mA的电流施加到每个装置的情况下测量白色LED装置样本的相关色温(correlated color temperature，CCT)、亮度和CRI。

基于图4的测量结果，实例1至12在3000K至6500K的色温范围内表现出96％或更高的显色指数Ra，并且从R1至R15的所有显色指数均为90％或更高，因此体现了稳定且一致的高显色性。对于特定的颜色，R9在90％至98％的范围内，并且R12落入90％至97％的范围内。

另一方面，基于图5的测量结果，比较例1至12具有90～94％的相对稳定的Ra，实例1至12中的Ra比比较例1至12中的Ra增加了5％或更多。另外，在比较例1至12中，R1至R15的一些显色指数降至约60％的水平。对于特定的颜色，R9仅在60～70％的范围内，R12接近80％。因此，实例1至12中的R9和R12更高。

关于上述实例和比较例的发射光谱，图6至11示出了实例1、3、5、7、9和11以及比较例1、3、5、7、9和11的发射光谱。在各个附图中，(a)示出了比较例的发射光谱，(b)示出了实例的发射光谱，并且(c)示出了实例及比较例的发射光谱。

如图6所示，与比较例1相比，实例1在3000K的色温下在480～510nm的波长带内显示出了更高的数值。

如图7和图8所示，实例3和5中的在3500K和4000K的色温下对应特定显色指数(R9～R15)的发射波长带的数值远大于比较例3和5。此外，如图9至图11所示，实例7、9和11中的在5000K至6500K的色温范围内的对应特定显色指数(R9～R15)的发射波长带的数值显著高于比较例7、9和11。

图12示出了图6至图11的发射光谱的全部结果，其中，(a)示出了比较例的发射光谱，并且(b)示出了实例的发射光谱。

如图12(b)所示，在根据本发明的实例的发射光谱中，峰值波长形成在485～504nm的范围内，然而，在如图12(a)所示的比较例的发射光谱中，在485～504nm的范围内没有峰值波长。

如图12(b)所示，在根据本发明的实例中形成了具有在整个光谱内的不同波长带的三个或更多个峰值波长，但是在图12(a)的比较例的整个光谱内只有两个具有不同波长带的峰值波长。

基于上述发射光谱结果，形成了在根据本发明的发射光谱中的在485～504nm的范围内的峰值波长，并且因此R12可以增加到90％或更高。此外，由于485～504nm的范围内的峰值波长的形成，R9可以大大增加。因此，特定显色指数R9至R15可以一致地提升。

因此，当应用包含具有480～499nm的峰值波长带的第一荧光体的荧光体，并使用具有440～460nm的激发波长的蓝色LED芯片时，CRI可以在3000K至6500K的色温范围内变得一致。特别地，R9和R12可以大幅提升。

尽管已经公开本发明的优选的实施例用于说明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离所附权利要求中公开的本发明的范围和精神的情况下，可以进行各种修改、增加和替换。因此，本发明的实施例不限制本发明的精神，而是用于对其进行解释。此外，应当了解的是，本发明的保护范围由所附权利要求阐述，并且在其等同范围内的所有技术理念均在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种白光发光装置，包括：蓝色LED芯片，所述蓝色LED芯片具有440～460nm的激发波长；以及荧光体层，所述荧光体层通过所述蓝色LED芯片的所述激发波长被激发以发射光，所述荧光体层包括荧光体粉末的混合物，

其中，所述荧光体粉末包括：

第一荧光体粉末，所述第一荧光体粉末具有480～499nm的发射峰值波长，并包括由化学式(Ba,Eu)Si_x(O,Cl)_xN_x表示的荧光材料，其中，1<x<5；

第二荧光体粉末，所述第二荧光体粉末具有500～560nm的发射峰值波长，并包括选自由(Sr,Ba,Ca)_xSiO_2x:Eu、Si_6-yAl_yO_yN_8-y:Eu和Al_8-zLu_zO₁₂:Ce⁺⁺组成的组中的至少一种荧光材料，其中，1<x<5，0.1<y<0.5，1<z<5；以及

第三荧光体粉末，所述第三荧光体粉末具有600～650nm的发射峰值波长，并包括选自由(Sr,Ca)AlSiN_x:Eu和CaAlSiN_y:Eu组成的组中的至少一种荧光材料，其中，1<x<5，1<y<5，

其中，所述白光发光装置具有90％或更高的平均显色指数以及90％或更高的显色指数R9。

2.根据权利要求1所述的白光发光装置，其中，所述白光发光装置具有在发射光谱中的485～504nm的范围内的峰值波长。

3.根据权利要求1所述的白光发光装置，其中，所述白光发光装置具有90％或更高的显色指数R12。

4.一种白光发光装置，包括：蓝色LED芯片，所述蓝色LED芯片具有440～460nm的激发波长；以及荧光体层，所述荧光体层通过所述蓝色LED芯片的所述激发波长被激发以发射光，所述荧光体层包括荧光体粉末的混合物，其中，所述荧光体粉末包括：

第一荧光体粉末，所述第一荧光体粉末具有480～499nm的发射峰值波长，并包括由化学式(Ba,Eu)Si_x(O,Cl)_xN_x表示的荧光材料，其中，1<x<5；

第二荧光体粉末，所述第二荧光体粉末具有500～560nm的发射峰值波长，并包括选自由(Sr,Ba,Ca)_xSiO_2x:Eu、Si_6-yAl_yO_yN_8-y:Eu和Al_8-zLu_zO₁₂:Ce⁺⁺组成的组中的至少一种荧光材料，其中，1<x<5，0.1<y<0.5，1<z<5；以及

第三荧光体粉末，所述第三荧光体粉末具有600～650nm的发射峰值波长，并包括选自由(Sr,Ca)AlSiN_x:Eu和CaAlSiN_y:Eu组成的组中的至少一种荧光材料，其中，1<x<5，1<y<5，

其中，所述白光发光装置具有90％或更高的平均显色指数以及90％或更高的显色指数R12。

5.根据权利要求4所述的白光发光装置，其中，所述白光发光装置具有在发射光谱中的485～504nm的范围内的峰值波长。

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