CN111095582B - 低折射率的掺杂氟化钕的聚酯碳酸 - Google Patents
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Abstract
一种设备，其包含被配置成生成可见光的至少一个发光二极管（LED）模块；以及包括化合物的至少一个组件，化合物包括氟化钕的元素和与氟化钕相比较降低该化合物的折射率的掺杂剂，化合物被配置有LED模块以通过过滤由LED模块生成的可见光而提供期望的光谱。
Description
技术领域
本发明一般涉及照明应用和有关技术。更特定但不排它地说，本发明涉及用于在例如LED或其它发光设备中给予期望的滤色效果的低折射率氟化钕化合物掺杂剂。
背景技术
钕离子（例如，Nd3+）已经在一些材料中被用来过滤白光以移除黄光部分，并且实现来自诸如发光二极管（LED）灯的光源的光的期望的色彩特性。在一些实例中，钕离子能够被用来增强例如光源的色彩饱和度、色彩对比度和色彩保真度的一项或多项，如专利申请US20150109758 A1中所描述的。用于提供钕离子的通常来源是经由掺杂钕的玻璃。
尽管掺杂钕的材料在一些实例中可提供一些期望的光特性，但如果掺杂钕的玻璃是被包含在聚碳酸酯中，则与透明玻璃或透明聚合物照明组件相比较，可产生显著的雾度。因而，存在对于为照明产品和应用提供高透明度（即低雾度）的经改进或备选材料的期望和需要。
发明内容
根据本公开的一方面，一种设备包含被配置成生成可见光的至少一个发光二极管（LED）模块；以及至少一个组件，包含包括元素钕、氟和掺杂剂金属元素的化合物。与氟化钕（NdF3）相比较，该掺杂剂金属元素降低了该化合物的折射率。化合物被配置有LED模块以通过过滤由LED模块生成的可见光而提供期望的光谱。在一些实施例中，期望的光谱可包括对于从LED模块穿过至少一个组件的光的可见光谱的黄色区域中的凹陷（或可见光谱的黄色区域中的凹口）。
在一些实施例中，该化合物包含钕离子和氟化物离子。在一些实施例中，该化合物进一步包含钇（Y）、镁（Mg）、钙（Ca）、钡（Ba）、锶（Sr）、钠（Na）、锂（Li）、铝（Al）和锰（Mn）中的至少一个作为掺杂剂金属元素。掺杂剂金属元素可通常以离子形式存在于该化合物中。
在一个实施例中，掺杂元素包括钇（Y），并且在该化合物中Y的浓度是在大约100百万分率（ppm）到大约50000 ppm的范围中。在一些特定实例中，在该化合物中Y的浓度是在大约900 ppm（wt％）到大约1100 ppm（wt％）的范围中。
一些实施例中，该化合物被掺杂到诸如聚碳酸酯材料的聚合材料中。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，将更好地理解本公开的这些和其它特征和方面，附图中类似的字符在附图中通篇表示类似的部分，其中：
图1是比较来自灯的光的可见光谱的吸收和在来自灯的光通过掺杂钕的聚碳酸酯材料分散的情况下的灯光的可见光谱的吸收的曲线图；
图2是图示了纯氟化钕和掺杂钇的氟化钕的XRD结果的曲线图；
图3是比较在来自灯的光通过氟化钕玻璃和掺杂钇的氟化钕聚碳酸酯钕材料分散的情况下的灯光的可见光谱的吸收的曲线图。
具体实施方式
本公开涉及钕（Nd）材料。Nd离子能够被用来调制可见光谱，诸如从LED发射的光。钕离子（Nd3+）能够吸收在大约（560-630）纳米（nm）范围中的可见光，如图1中所图示的。如图1的曲线图100中进一步所示出的，对可见光的Nd的峰值吸收在大约580 nm处达到峰值。掺杂Nd的聚碳酸酯材料将在可见光谱中展现类似的吸收特性，并且此类特性能够在照明装置、系统及应用中被利用。
下面的表1示出对裸露（LED）灯和具有掺杂氟化钕的聚碳酸酯透镜或滤光器的相同类型的灯的光度法测试结果
| 光度/lm | Lm降低 | ccx | ccy | CCT/K | CRI | R9 | |
| 裸灯 | 1045.00 | 0.4369 | 0.402 | 2984 | 82.8 | 12.6 | |
| 带有NdF3 PC的灯 | 830.20 | 79.44% | 0.4446 | 0.3946 | 2797 | 88.8 | 32.8 |
表1
如表1中所示出的，对比具有NdF3聚碳酸酯（PC）透镜/滤光器的灯的值830.20，从裸灯的1045.00，流明有显著减小。也就是说，在表1中，透镜/滤光器包括聚碳酸酯，其包含纯NdF3，纯NdF3不含有其它掺杂元素。从NdF3 PC灯的流明仅是裸灯的流明的大约79.44％。色度坐标（ccx和ccy）和相关色温（cct）的值也在表1中示出以供参考。也为每个测试的灯提供了CRI（显色指数）和R9（红色的显色指数）值。尽管CRI和R9值可指示由NdF3灯的改进的光度性能的一些方面，但展示的流明降低在某些照明产品和应用中可能是显著的。
在一些方面，关于在表1的示例中使用的NdF3灯的流明的降低可归因于NdF3 PC材料的散射损耗。因此，掺杂纯NdF3的PC可具有大的雾度，并且未展现良好的透明度。一些照明产品和应用可需要具有透明PC透镜的装置、系统或设备（例如，具有透明透镜的定向LED灯、使用透明光导的一些室内LED灯具等)。
高透明度、低雾度照明组件（例如，透镜、光导等）一般在像聚碳酸酯的基质材料与其中的掺杂剂之间具有相当接近的折射率匹配。下面的表2包含纯NdF3物质和聚碳酸酯材料各自的折射率（RI）的列表。纯NdF3粉末具有大约1.62到大约1.63的RI，并且PC材料具有大约1.58的RI，其中RI是在656nm确定的
| 物质 | RI@656nm |
| 纯NdF3 | 1.62~1.63 |
| 聚碳酸酯 | ～1.58 |
表2
尽管在表1的示例中物质的折射率失配（即，差别）比较小，但它足以使得掺杂有纯NdF3的PC具有高雾度。RI失配导致在掺杂材料内的散射损耗。下面的表3包含掺杂NdF3的PC化合物的测试结果，其中看到的是，雾度值是30
| 项目 | 基质PC | 掺杂浓度 | 总透射率 | 雾度 |
| 结果 | Teijin LV2225Y | 5重量% | 76 | 30 |
表3
本文中的一些方面和实施例包含装置、系统和设备，其包含被配置成生成诸如白光的可见光的灯（LED）模块或装置；以及诸如光学组件的至少一个组件，包括包含元素钕、氟和掺杂剂元素的化合物，其中与仅单独的NdF3相比较，掺杂剂元素用以降低该化合物的折射率。氟一般以氟离子形式存在于该化合物中。
下面的表4包含对于裸露定向灯（即，GE MR16）和带有NdF3 PC板（PC表示聚碳酸酯）的相同类型的灯的测试结果。表4中的测试结果值指示来自带有NdF3 PC板的灯的流明是来自裸灯的流明的82.4％（即，减小几乎20％）。然而，带有NdF3 PC板的灯的MBCP（最大光束坎德拉功率）仅是裸灯的MBCP值的59.6％（即，减小超过40％）。流明改变和MBCP改变彼此不一致，并且这是由于掺杂NdF3的PC材料的大雾度
| 灯# | 灯瓦特 | 流明 | 光束角度 | MBCP | 流明% | MBCP% |
| 裸灯-GE MR16 | 7.7 | 595.70 | 21.6 | 2579.0 | ||
| 带有NdF3 PC板的灯 | 7.7 | 491.08 | 22.9 | 1538.0 | 82.4% | 59.6% |
表4
在一些方面，流明的某些减小和MBCP性能的对应减小可能是可接受的。然而，MBCP的不当减小对于一个或多个照明产品和应用可能是不可接受的。
在一些方面，减小诸如表4示例中的掺杂NdF3的PC的材料的雾度可导致材料在其流明和MBCP方面具有类似改变。
本文中的一些方面和实施例包含可解决上面讨论的MBCP减小问题的低RI NdF3材料。
在一些方面，在考虑到以下关系时，可降低NdF3粉末的RI：
参照等式（1），μ是磁导率，ε表示介电常数，α是离子极化，以及该介电常数与该离子极化成比例。相应地，带有更低离子极化的材料将具有更低RI。
在一些方面，通过具有比基底材料更小的离子极化的掺杂剂来掺杂该基底材料可导致包含该掺杂基底材料的化合物的RI的降低。例如，钇（Y），且特定地说钇离子（Y3+）具有比钕离子（Nd3+）更小的离子极化，并且具有与Nd3+相同的价。将Y3+掺杂到NdF3中可具有降低基底NdF3材料的RI的效果。
下面的表5包含纯NdF3粉末和与不同浓度的Y3+离子组合的NdF3的测量RI测试结果的列表。如表5中所示出的，纯NdF3粉末的RI是大约1.62到大约1.63，而包含掺杂有Y3+离子的NdF3的化合物的RI随着Y3+离子的浓度增大而减小。也就是说，在掺杂浓度被增大时，材料的RI减小。RI对于341 ppm（百万分率）Y（按重量计）是1.624，RI对于622 ppm Y（按重量计）是1.603，并且对于941ppm Y（按重量计）是1.585。在本文中使用时，1 ppm等于0.0001 wt%
| 测量的RI | 1.62~1.63 | 1.585 | 1.603 | 1.624 |
| NdF3中的Y掺杂剂ppm | 0 | 941 | 622 | 341 |
表5
再参照表3，注意到主题纯聚碳酸酯的RI是大约1.58。在一些示例实施例中，通过941 ppm浓度Y（按重量计）掺杂NdF3将导致此类材料具有大约1.585的RI，如表5中所指示的。相应地，本文中的一些实施例包含掺杂有包含NdF3和大约941 ppm Y（按重量计）的化合物的PC基底材料。
在一些实施例中，掺杂元素可包含钇（Y）、镁（Mg）、钙（Ca）、钡（Ba）、锶（Sr）、钠（Na）、锂（Li）、铝（Al）和锰（Mn）中的至少一个。
图2是纯NdF3粉末和掺杂有两种不同浓度的Y的NdF3粉末的X射线衍射（XRD）结果的示例代表性曲线图200。一般以205示出的迹线指纯NdF3粉末的XRD结果，而210指包含NdF3和大约744 ppm Y（按重量计）的化合物，以及215指包含NdF3和大约941 ppm Y（按重量计）的化合物。如在图2中所看到的，掺杂Y的NdF3材料的折射峰与纯NdF3粉末有稍微移位，但在其它方面与纯NdF3粉末是一致的。峰的此小移位可归因于Y离子比NdF3离子具有稍微更小的直径。除属于NdF3的那些外在XRD图案中缺少第二（二次）相峰表明Y离子被很好地融入（即，在原子级化学均匀地混合）到NdF3粉末的结晶结构中以形成固溶体，并且测试结果中的一致性是其证据。
在一些方面，图2图示了通过利用Y掺杂NdF3粉末实现的RI改变不会更改NdF3材料的其它特性。
图3是纯NdF3和掺杂有Y离子的NdF3的吸收光谱的示例曲线图300，如本文中的一些实施例中所讨论的。曲线图305指纯NdF3，并且线条310涉及掺杂Y的NdF3材料。如所看到的，掺杂Y的NdF3的所有吸收峰与纯NdF3的吸收峰对齐。因此，掺杂Y的NdF3材料的色彩性能与纯NdF3的色彩性能一致，尽管与纯NdF3相比较，掺杂Y的NdF3具有更低RI。
表6包含纯NdF3和掺杂有不同浓度的Y的NdF3的性能测试结果，其中Y离子的浓度在该表中被详细列举。注意，纯NdF3的雾度值是30，并且随着掺杂材料中的Y浓度增大而稳定减小。332 ppm Y（按重量计）和622 ppm Y（按重量计）的雾度值是13，但对于941 ppm Y（按重量计），雾度值被减小到6
| 纯NdF 3 | Y重量% 941ppm | Y重量% 622ppm | Y重量% 332ppm | |
| PC中的负载浓度 | 5.00% | 5.00% | 5.00% | 5.00% |
| τl | 76 | 82 | 79 | 79 |
| τd | 23 | 5 | 10 | 10 |
| 雾度 | 30 | 6 | 13 | 13 |
| 分散度 | <1 | <1 | <1 | <1 |
表6
下面的表7包含对于包含裸灯的低雾度PC材料和在灯附近（例如，与其相邻、在其上或在其中）的具有板（例如，透镜或滤光器）以过滤来自灯的通过该板的光的相同类型的灯的测试结果。在表7的示例中测试了包含四种不同板的灯。样本（I）灯包含具有NdF3和941ppm Y（按重量计）的板，灯（II）具有包含NdF3和332 ppm Y（按重量计）的板，灯（III）的板包含纯NdF3，以及灯（IV）是具有良好透明度和低雾度的Nd玻璃的基准/参考
表7
参照表7，注意在每个灯的流明百分比与MBCP百分比（MBCP%/流明%）之间的相关性被列在最右列中。对于灯（I），由于其流明%（87.0%）和MBCP（82.6%）的值彼此接近，因此，该相关性很高。灯（I）的94.9%的相关性非常接近样本灯（IV）的Nd玻璃的97.5%值。如由表7中的值所支持的，MBCP减小主要是由于流明减小。
本文中前述实施例的一些包含Y在NdF3中的浓度多个不同示例。示例是说明性而不是详尽的。在一些实施例中，掺杂剂是钇（Y），并且在NdF3中Y的浓度是在大约100百万分率（ppm）到大约50000 ppm的范围中。在一些特定示例实施例中，在NdF3中Y的浓度是在大约900 ppm到大约1000 ppm的范围中。
图4是以几乎全向方式发射可见光的照明设备400的示例。图1中示出的壳体405可在形状上基本上是椭球形或类似球形。为进一步促进几乎全向照明能力，壳体405可包含使壳体405能充当光学漫射器的材料。用以制作漫射器的材料可包含根据本文中公开的一些实施例的掺杂有氟化钕化合物的聚碳酸酯（PC）。在一些实施例中，灯400可以是LED装置。在一些实施例中，由灯400生成的光可以不以基本上全向方式被发射。在一些实施例中，滤光光学组件（例如，405）可以是灯400的组成部分或者与其分开。
要理解的是，前述描述意图说明并且无意于限制本发明的范围，本发明的范围由随附权利要求的范围定义。其它实施例在随附权利要求的范围内。例如，在一些实施例中，聚碳酸酯可部分或整体地由诸如聚丙烯酸酯（例如，PMMA）的其它基本上透明或半透明聚合材料替换。
注意，本文中描述和要求保护的各种非限制性实施例可被单独、组合或选择性组合用于特定应用。
进一步，上述非限制性实施例的各种特征的一些可被用来形成益处，而无需其它描述的特征的对应使用。因此，前述描述应仅被视为对本发明的原理、教导和示范实施例的说明，并且不是对其的限制。
Claims (16)
1.一种照明设备，包括：
至少一个发光二极管(LED)模块，所述至少一个发光二极管模块被配置成生成可见光；以及
至少一个组件，所述至少一个组件包含包括元素钕、氟和至少一种掺杂剂金属元素的化合物，所述至少一种掺杂剂金属元素用于与氟化钕(NdF3)相比较降低所述化合物的折射率，所述化合物被配置有所述LED模块以通过过滤由所述LED模块生成的所述可见光而提供期望的光谱，
其中用于所述化合物的X射线粉末衍射(XRD)图案基本上类似于用于纯氟化钕(NdF3)的XRD图案，其中用于所述化合物的所述XRD图案中的峰在较小的峰位置偏移的情况下与在所述氟化钕XRD图案中的峰一致。
2.如权利要求1所述的照明设备，其中所述化合物包括钕和氟化物离子。
3.如权利要求1所述的照明设备，其中所述至少一种掺杂剂金属元素包括钇(Y)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、锶(Sr)、钠(Na)、锂(Li)、铝(Al)或锰(Mn)。
4.如权利要求3所述的照明设备，其中所述掺杂剂包括钇(Y)，并且在所述化合物中Y的浓度是在100百万分率(ppm)到50000ppm的范围中。
5.如权利要求4所述的照明设备，其中在所述化合物中Y的所述浓度是在900ppm到1100ppm的范围中。
6.如权利要求1所述的照明设备，其中所述化合物被掺杂到基本上透明或半透明聚合物材料中或者与基本上透明或半透明聚合物材料混合。
7.如权利要求6所述的照明设备，其中所述基本上透明或半透明聚合物材料包括聚碳酸酯。
8.如权利要求1所述的照明设备，其中所述化合物的所述折射率在656纳米(nm)为1.58。
9.如权利要求1所述的照明设备，其中包含所述化合物的所述至少一个组件包括高透明度和低雾度的特性。
10.如权利要求1所述的照明设备，其中包含所述化合物的所述至少一个组件具有为6的雾度值。
11.如权利要求1所述的照明设备，其中所述掺杂剂金属元素具有比钕更低的离子极化。
12.如权利要求1所述的照明设备，其中所述LED模块包括无机LED或有机LED。
13.如权利要求1所述的照明设备，其中所述至少一个组件是包括透明、半透明或反射性透镜、滤光器或光导中的至少一个的光学组件。
14.一种光学组件，包含包括元素钕、氟和至少一种掺杂剂金属元素的化合物，
其中所述至少一种掺杂剂金属元素包括钇(Y)、镁(Mg)、钙(Ca)、钡(Ba)、锶(Sr)、钠(Na)、锂(Li)、铝(Al)或锰(Mn)；
其中所述化合物被掺杂到基本上透明或半透明聚合物材料中或者与基本上透明或半透明聚合物材料混合，
其中用于所述化合物的X射线粉末衍射(XRD)图案基本上类似于用于纯氟化钕(NdF3)的XRD图案，其中用于所述化合物的所述XRD图案中的峰在较小的峰位置偏移的情况下与在所述氟化钕XRD图案中的峰一致。
15.如权利要求14所述的光学组件，其中所述光学组件是透镜、滤光器或光导，所述透镜、所述滤光器或所述光导是透明的、是半透明的或是反射性的中的至少一个。
16.如权利要求14所述的光学组件，其中所述基本上透明或半透明聚合物材料包括聚碳酸酯。
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