CN110915007A - 使用pfs磷光体的低cct led设计 - Google Patents
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Abstract
一种LED组件包括具有第一光输出并且该第一光输出具有特征光谱的LED光源，以及黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合，第一光输出通过该组合，其中黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为将第一光输出转换为具有预定相关色温的第二光输出。
Description
技术领域
所公开的示例性实施方式一般涉及照明系统，更具体地涉及发光二极管(LED)照明系统。
背景技术
LED照明技术不断发展，从而提高了效率并降低了成本。LED光源可用于从小针尖光源到体育场灯光的照明应用。LED通常是半导体发光器，并且可以称为LED芯片。由LED芯片产生的光的颜色可取决于其制造中使用的半导体材料的类型。具有各种发光颜色的LED芯片可以由诸如氮化镓(GaN)的III-V族合金制成。可以将GaN基LED芯片化学调整为发射电磁谱中UV或蓝光范围内的光。用于将从LED芯片发射的光转换成白光的一种技术包括使用将UV或蓝光范围光谱中的一部分光转换成其他颜色的光的发光材料，所述其他颜色包括绿色、黄色和红色，所有这些颜色的光进一步混合，变成白光。示例性发光材料包括磷光体，其响应于UV或蓝光范围内的电磁辐射的激发而发射电磁谱的可见部分中的辐射。具有一种或多种发光材料的LED芯片可以称为LED组件。
至少一种类型的白光发射LED组件包括涂有磷光体或磷光体混合物的蓝光发射InGaN芯片,磷光体或磷光体混合物将一些蓝光辐射转换成互补色，例如黄绿光发射或黄-绿光和红光发射的组合。蓝光、黄绿光和红光辐射一起产生白光。白光LED组件也可以由UV发射芯片和磷光体混合物构成，该磷光体混合物包括红光、绿光和蓝光发射磷光体，其被设计成将UV 辐射转换成可见光。LED组件可以构造成使得光输出具有某些特性，例如特定的相关色温(CCT)，显色指数(CRI)和光照偏好指数(LPI)。LPI 是一种颜色度量，其能够通过定制光源的光谱功率分布来定量优化颜色偏好，如2014年9月9日提交并作为WO2015/035425公开的PCT/US2014/054868中所揭示的，该专利文献的全部内容通过引用结合于此。
由Mn4+激活的发红光的氟化物磷光体(例如美国专利第7,358,542号和美国第7,648,649号中描述的)可以与黄光或绿光磷光体(例如YAG:Ce或其他石榴石组合物)组合使用，以在与蓝光LED组合时实现暖白光(在黑体轨迹附近CCT<5000K)。这些红光磷光体材料吸收蓝光并有效地在约 610-635nm之间的窄范围内发射，在较长波长(>650nm)下几乎没有深红/ 近红外发射。因此，与具有宽发射光谱的红光磷光体相比，发光效率最大化，所述具有宽发射光谱的红光磷光体在眼睛灵敏度非常低的较深红色中具有显著的发射。通常，LED芯片封装的目标CCT越低，则需要越多的红光磷光体。然而，由于红光氟化物磷光体(例如K2SiF6:Mn)与其他替代红光磷光体相比相对较差的吸收性，实现期望的较低CCT(例如2700K)和特定LPI(例如大于110)所需的该红光氟化物磷光体的量明显增加，并可能受到LED芯片封装尺寸和成本的限制。因此，需要一种发光材料，其在当前和未来的封装尺寸和成本限制内提供所需的CCT和LPI。
因此，期望提供一种LED组件设计，其解决至少一些上述问题。
发明内容
如本文所述，示例性实施方式克服了本领域中已知的一个或多个上述或其他缺点。
所公开实施方式的方面涉及LED组件。在一个实施方式中，LED组件包括具有第一光输出并且该第一光输出具有特征光谱的LED光源，以及黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合，第一光输出通过该组合，其中黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为将第一光输出转换为具有预定相关色温的第二光输出。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以被配置为向第二光输出提供特定的光照偏好指数。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以被配置为向第二光输出提供至少110的光照偏好指数。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以被配置为向第二光输出提供至少120的光照偏好指数。
氟化钕吸收体可以被配置为使黄光发射衰减，从而向第二光输出提供特定的光照偏好指数。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以被配置为向第二光输出提供低于黑体轨迹的色度色坐标。
LED光源可以包括蓝光LED或紫光LED中的一种或多种。
黄绿光磷光体可包括石榴石磷光体。
石榴石磷光体可包括钇铝石榴石磷光体。
石榴石磷光体可包括由铈激活的钇铝石榴石磷光体。
红光磷光体可包括锰掺杂的氟硅酸钾磷光体。
钕氟吸收体可包括NdF3。
钕氟吸收体可包括NdF3和另一种钕化合物的组合。
钕氟吸收体可包括NdF3和NdOF的组合。
钕氟吸收体可包括NdF3和Nd2O3的组合。
钕氟吸收体可以配置为吸收约560-610nm范围内的黄光。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可包括靠近LED光源的黄绿光磷光体和红光磷光体部分以及与LED光源间隔开的钕氟吸收体部分。
所公开实施方式的另外方面涉及一种LED组件，其包括具有第一光输出并且该第一光输出具有特征光谱的LED光源，以及黄绿光磷光体和红光磷光体的组合，该黄绿光磷光体和红光磷光体的组合将第一光输出转换为具有第一相关色温和第一光照偏好指数的第二光输出，其中向黄绿光磷光体和红光磷光体的组合中添加钕氟吸收体产生具有第二相关色温和第二光照偏好指数的第三光输出，所述第二相关色温低于第一相关色温，并且所述第二光照偏好指数高于第一光照偏好指数。
第一相关色温可以是大约4000K，第一光照偏好指数可以是大约111，第二相关色温可以是大约3500K，第二光照偏好指数可以是大约128。
相关色温可以是大约3350K，第一光照偏好指数可以是大约107，第二相关色温可以是大约3000K，第二光照偏好指数可以是大约120。
第一相关色温是大约3050K，第一光照偏好指数是大约109，第二相关色温是大约2755K，第二光照偏好指数是大约120。
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以为第三光输出提供在CIE1931色空间色度图中低于黑体轨迹的色度色坐标。
黄绿光磷光体可包括0.3至0.7mg的由铈激活的钇铝石榴石磷光体。
红光磷光体可包括1.0至2.0mg的锰掺杂的氟硅酸钾磷光体。
钕氟吸收体组合可包括0.05至0.15mg的氟化钕。
所公开实施方式的另一些方面涉及一种LED组件，其包括具有第一光输出并且该第一光输出具有特征光谱的LED光源，以及黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合，第一光输出通过该组合，其中黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为将第一光输出转换为第二光输出，该第二光输出具有大于110的光照偏好指数和在4000K-2700K之间的相关色温。
根据结合附图考虑的以下详细描述，示例性实施方式的这些和其他方面和优点将变得显而易见。然而，应该理解，附图仅仅是为了说明的目的而设计的，而不是作为本发明的限制的定义，本发明的限制应该参考所附的权利要求。本发明的其它方面和优点将在以下描述中指出，并且根据该描述而部分地显而易见，或者可通过实践本发明而获知。此外，通过在所附权利要求中特别指出的手段和组合，可实现和获取本发明的方面和优点。附图简要说明
附图示出了本公开的当前优选实施方式，并且与上面给出的一般描述和下面给出的详细描述一起用于解释本公开的原理。如整个附图所示，相同的附图标记表示相同或相应的部件。
图1A示出了根据所公开实施方式的LED组件；
图1B示出了根据所公开实施方式的另一种LED组件；
图2A、2B、3A、3B、4A和4B示出了将钕氟吸收体添加到石榴石和红光磷光体的组合中以产生用于LED组件的期望的光谱功率分布(SPD)、CCT和LPI的作用。
实施方式详述
如本文所述，示例性实施方式克服了本领域中已知的一个或多个上述或其他缺点。
所公开实施方式的一些方面提供了一种LED灯组件，其通过使用黄光、绿光或黄绿光组合的磷光体、红光磷光体和包含钕和氟的化合物的新型组合物有利地提供了期望的CCT和光照偏好指数(LPI)，该新型组合物被配置为通过过滤由LED光源产生的光来提供期望的光谱。
图1A示出了根据所公开实施方式的示例性LED组件100。LED组件可以包括半导体UV或蓝光辐射源，例如发光二极管(LED)芯片105和电连接到LED芯片的引线110。引线110可以向LED芯片105提供电力，这可以使LED芯片105发射辐射。
LED组件100可以包括任何半导体蓝光或UV光源，当其发射的辐射被引导通过发光材料115时能够产生白光。在至少一个实施方式中，半导体光源可以包括掺杂各种杂质的蓝光发射LED芯片。例如，LED芯片105 可以具有至少一个包括GaN、ZnSe或SiC的半导体层。在一些实施方式中， LED芯片可以是UV或蓝光发射LED，其具有约400至约470nm的峰值发射波长。
LED芯片105可以封装在壳体120内，壳体120包围LED芯片。壳体 120可以由例如玻璃或塑料材料制成，并且相对于由LED芯片105和发光材料115产生的光的波长可以是透明的或基本上光学可透的。LED芯片105 和壳体120可以安装在基板125上。
根据一些公开的实施方式，发光材料115可以包括黄光、绿光或黄绿光组合的磷光体。出于所公开实施方式的目的，黄光、绿光或黄绿光组合的磷光体可称为黄绿光磷光体。出于所公开实施方式的目的，石榴石磷光体也可以被认为是黄绿光磷光体。发光材料还可包括红光磷光体和氟化钕 (NdF3)。出人意料地发现，将含有钕和氟的化合物[例如NdF3或NdF3和任何钕化合物(例如NdOF或Nd2O3)的组合]添加到各种黄绿光磷光体和红光磷光体的组合中可以导致光输出偏向较低的CCT、较高的色度x坐标(CCx) 和较高的LPI。通常，诸如NdF3、NdOF或Nd2O3的钕化合物可以引起LPI 的增加，而NdF3可以特别地导致偏向较低的CCT。在一个方面，包括钕和氟的化合物(也称为钕氟化合物)用作吸收体以使色谱的黄光部分衰减，从而提高LPI。用作吸收体的钕氟化合物可称为钕氟吸收体。在一些实施方式中，添加钕氟吸收体可以使得实现较低CCT和较高LPI值所需的红光磷光体的量减少。
图1B示出了根据所公开实施方式的另一种示例性LED组件130。可以包括半导体UV或蓝光辐射源，例如发光二极管(LED)芯片135，可以通过电连接的引线140向LED芯片供电，使得LED芯片135发射辐射。
类似于图1A中所示的实施方式，LED组件130可以包括任何半导体蓝光或UV光源，当其发射的辐射被引导通过发光材料145时能够产生白光。根据至少一些公开的实施方式，发光材料145可以包括靠近LED芯片 135的第一部分150和与LED芯片135间隔开的第二部分155，例如，第二部分155位于或沉积在包围LED芯片135的壳体160上。在至少一个实施方式中，第一部分150可以包括黄绿光磷光体和红光磷光体，而第二部分155可以包括钕氟吸收体。应当理解，在一些实施方式中，第一和第二部分可以位于任何合适的位置，只要来自LED芯片135的光通过第一部分 150，然后通过第二部分155即可。在公开的实施方式中，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合是指如图1A中实施的发光材料115以及如图1B中实施的发光材料145。
壳体160可以由例如玻璃或塑料材料制成，并且相对于由LED芯片135 和发光材料150的第一部分产生的光的波长可以是透明的或基本上光学可透的。基板165可以支承LED芯片135和壳体160。
图2A、2B、3A、3B、4A和4B中所示的以下实例说明了将钕氟吸收体添加到黄绿光磷光体和红光磷光体的组合中以产生发光材料115的作用。以下说明性实例使用由铈激活的钇铝石榴石磷光体(YAG:Ce)和锰掺杂的氟硅酸钾(K2SiF6:Mn4+或“PFS”)磷光体，然而，应该理解，所公开的实施方式可以使用其他合适的石榴石磷光体或任何合适的黄光、绿光或黄绿光磷光体，并且可以使用任何合适的红光磷光体。
图2A示出了光谱图210，其示出了分别没有添加和添加钕氟吸收体的的两个光谱215，220之间的比较。光谱215表示具有YAG和PFS的组合的LED组件的输出，其实现4000K的CCT，0.000Duv(在黑体轨迹上)， 90的显色指数(CRI)，并且LPI为111。光谱220表示向相同的YAG PFS 组合中添加了钕氟吸收体的LED组件的输出。向YAG和PFS的组合中添加钕氟吸收体导致在560-600nm范围内的衰减。
图2B示出了色度图230，其示出了由于添加钕氟吸收体而引起的变化。色点235和240显示向YAG和PFS的组合中添加钕氟吸收体导致CCT从 4000K偏移到3500K，并且从0.000Duv偏移到-0.004Duv。PFS、YAG和钕氟吸收体的组合导致在CIE 1931色空间色度图中低于黑体轨迹的色度色点 240。来自光谱图210和色度图230的数据可用于确定添加钕氟吸收体还导致CRI为81，并且LPI从111增加到128，但是代价是额外的24％的流明损失。
图3A示出了光谱图310，其示出了分别没有添加和添加钕氟吸收体的的两个光谱315，320之间的比较。光谱315表示具有YAG PFS组合的LED 组件的输出，其实现3350K的CCT，+0.004Duv(在黑体轨迹上方)，90 的显色指数(CRI)，并且LPI为107。光谱320表示向该YAG PFS组合中添加了钕氟吸收体的LED组件的输出。如上所述，向YAG和PFS的组合中添加钕氟吸收体导致在560-600nm范围内的衰减。
图3B示出了色度图330，其示出了由于添加钕氟吸收体而引起的变化。色点335和340显示向YAG和PFS的组合中添加钕氟吸收体导致CCT从 3350K偏移到3000K，并且从+0.004Duv偏移到0.000Duv。PFS、YAG和钕氟吸收体的组合降低了色度色点340的y值，使得色度色点340可以落在黑体轨迹上或刚好低于黑体轨迹。来自光谱图310和色度图330的数据可用于确定添加钕氟吸收体还导致CRI为80，并且LPI增加到120，以及可接受的20％的流明损失。
图4A示出了另一个光谱图410，其示出了分别没有添加和添加钕氟吸收体的的两个光谱415，420之间的比较。光谱415表示具有YAG PFS组合的LED组件的输出，其实现3050K的CCT，0.000Duv(在黑体轨迹上)， 90的显色指数(CRI)，并且LPI为109。光谱420表示向YAGPFS组合中添加了钕氟吸收体的LED组件的输出，并且与其他实例一样，向YAG 和PFS组合中添加钕氟吸收体导致560-600nm范围内的衰减。
图4B示出了色度图430，其示出了由于添加了钕氟吸收体而导致的示例性LED组件的输出的变化。色点435和440显示向YAG和PFS的组合中添加钕氟吸收体导致CCT从3050K偏移到2755K，并且从0.000Duv偏移到-0.003Duv。在该实施方式中，PFS、YAG和钕氟吸收体的组合导致低于黑体轨迹的色度色点440。来自光谱图410和色度图430的数据可用于确定添加钕氟吸收体还导致CRI为84，并且LPI从109增加到120，以及可接受的20％的流明损失。
每种磷光体和钕氟吸收体的用量可以根据LED芯片的光谱特性，每种磷光体的确切化学组成和特性，尤其是在激发波长下的量子效率和吸收率的特性以及所需的光输出特性而变化。可以调节各种实施方式中的磷光体和钕氟吸收体的相对比例，使得当在LED组件中使用时，产生在CIE色度图上具有预定x和y值并且LPI至少约120的可见光。在一些实施方式中，可以改变每种磷光体的量和组成以及钕氟吸收体的量以实现特定的CCT和 LPI。例如，石榴石磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合可以导致光照偏好指数大于110，并且优选地大于120，CCT在4000K-2700K之间，并且在CIE 1931色空间色度图中色度色坐标低于黑体轨迹。
表1示出了用于实现特定CCT值的磷光体和钕氟吸收体的量的各种示例性范围，其中红光磷光体是PFS，石榴石磷光体是YAG:Ce，钕氟吸收体是NdF3。
| CCT | PFS(mg) | YAG:Ce(mg) | NdF<sub>3</sub>(mg) |
| 3500K | 1.5-2 | 0.5-0.7 | 0.05-0.15 |
| 4000K | 1-1.5 | 0.3-0.5 | 0.05-0.1 |
| 5000K | 0.5-1 | 0.1-0.4 | 0.02-0.07 |
表1
磷光体和NdF3可以以任何合适的形式使用，例如以粉末形式使用，并且可以组合并沉积到LED芯片135上，或者可以使用任何合适的方法选择性地沉积到LED芯片135和壳体160上。
鉴于前述描述，在结合所附附图阅读时，各种变型和修改对于本领域技术人员而言可以是显而易见的。然而，所公开的实施方式的教导的所有这样的和类似的修改将仍然落在所公开的实施方式的范围内。
这里描述的不同实施方式的各种特征可以彼此互换。可以混合和匹配各种描述的特征以及任何已知的等同物，以根据本公开的原理构建另外的实施方式和技术。
此外，示例性实施方式的一些特征可以被有利地使用而不需要相应地使用其他特征。这样，前面的描述应该被认为仅仅是对所公开的实施方式的原理的说明，而不是对其的限制。
Claims (26)
1.一种LED组件，其包含：
具有第一光输出的LED光源，所述第一光输出具有特征光谱；和
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合，所述第一光输出通过所述组合，其中黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为将第一光输出转换为具有预定相关色温的第二光输出。
2.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为向第二光输出提供特定的光照偏好指数。
3.如权利要求2所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为向第二光输出提供至少110的光照偏好指数。
4.如权利要求2所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为向第二光输出提供至少120的光照偏好指数。
5.如权利要求2所述的LED组件，其特征在于，氟化钕吸收体被配置为使黄光发射衰减，从而向第二光输出提供特定的光照偏好指数。
6.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为向第二光输出提供低于黑体轨迹的色度色坐标。
7.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，LED光源包括蓝光LED或紫光LED中的一种或多种。
8.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体包括石榴石磷光体。
9.如权利要求8所述的LED组件，其特征在于，石榴石磷光体包括钇铝石榴石磷光体。
10.如权利要求8所述的LED组件，其特征在于，石榴石磷光体包括由铈激活的钇铝石榴石磷光体。
11.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，红光磷光体包括锰掺杂的氟硅酸钾磷光体。
12.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体包括NdF3。
13.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体包括NdF3和其他钕化合物的组合。
14.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体包括NdF3和NdOF的组合。
15.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体包括NdF3和Nd2O3的组合。
16.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体被配置为吸收约560-610nm范围内的黄光。
17.如权利要求1所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合包括靠近LED光源的黄绿光磷光体和红光磷光体部分以及与LED光源间隔开的钕氟吸收体部分。
18.一种LED组件，其包含：
具有第一光输出的LED光源，所述第一光输出具有特征光谱；和
黄绿光磷光体和红光磷光体的组合，其将第一光输出转换为具有第一相关色温和第一光照偏好指数的第二光输出，
其中向黄绿光磷光体和红光磷光体的组合中添加钕氟吸收体产生具有第二相关色温和第二光照偏好指数的第三光输出，所述第二相关色温低于第一相关色温，并且所述第二光照偏好指数高于第一光照偏好指数。
19.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，第一相关色温是大约4000K，第一光照偏好指数是大约111，第二相关色温是大约3500K，第二光照偏好指数是大约128。
20.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，第一相关色温是大约3350K，第一光照偏好指数是大约107，第二相关色温是大约3000K，第二光照偏好指数是大约120。
21.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，第一相关色温是大约3050K，第一光照偏好指数是大约109，第二相关色温是大约2755K，第二光照偏好指数是大约120。
22.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合为第三光输出提供在CIE 1931色空间色度图中低于黑体轨迹的色度色坐标。
23.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，黄绿光磷光体包括0.3至0.7mg的由铈激活的钇铝石榴石磷光体。
24.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，红光磷光体包括1.0至2.0mg的锰掺杂的氟硅酸钾磷光体。
25.如权利要求18所述的LED组件，其特征在于，钕氟吸收体组合包括0.05至0.15mg的氟化钕。
26.一种LED组件，其包含：
具有第一光输出的LED光源，所述第一光输出具有特征光谱；和
黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合，所述第一光输出通过所述组合，其中黄绿光磷光体、红光磷光体和钕氟吸收体的组合被配置为将第一光输出转换为第二光输出，所述第二光输出具有大于110的光照偏好指数和在4000K-2700K之间的相关色温。
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