CN111750285B - 一种基于uv-led芯片的护眼白光led器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于UV‑LED芯片的护眼白光LED器件：包括灯具外壳以及设置在灯具外壳内部的LED光源和紫外线屏蔽膜，紫外线屏蔽膜罩设于LED光源的外围；LED光源包括UV‑LED芯片；紫外线屏蔽膜的组分包括基体材料和紫外线吸收剂，基体材料形成薄膜基材，紫外线吸收剂包括碳量子点。基于碳量子点能够高效、持久地吸收，利用含有碳量子点的紫外线屏蔽膜罩设于UV‑LED芯片的外部，紫外线屏蔽膜能够长效地向外界屏蔽由UV‑LED芯片发出的紫外光，显著降低应用其的LED光源的紫外线辐射危害。另一方面，作为紫外线吸收剂的碳量子点不仅能够高效地吸收紫外线、具有较好的光热稳定性，而且还具有制作工序简单、成本低廉的优点，将其应用于LED灯的紫外线屏蔽膜中，不会明显提高LED灯的成本。
Description
技术领域
本发明属于照明设备技术领域，具体地，涉及一种基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件。
背景技术
作为第四代照明光源的白光LED有着节能、环保、寿命长及响应迅速的优点，已经在城市景观灯、室内外照明、车用灯、平板显示背光源等领域得到应用。目前，传统的白光LED灯是通过在蓝光GaN-LED芯片上涂抹一层发黄光的YAG荧光粉，使蓝光与黄花叠加得到白光。而蓝光GaN-LED芯片的采用使白光LED光源存在“富蓝化”的缺点，长期使用富蓝化的白光LED光源有可能会导致近视、生物节律以及儿童性早熟等健康问题。近年来，随着RGB三基色发光材料，基于UV-LED芯片的白光LED光源已成功实现，理论上来说，通过UV-LED芯片和RGB三基色荧光粉的配合可以获得任意色温、高色域、高显色指数的白光LED。此外，以UV-LED芯片取代传统的蓝光GaN-LED芯片，显著地减少了LED芯片蓝光的辐射，使白光LED克服“富蓝化”的危害。
然而，UV-LED芯片的使用不可避免的出现了由UV-LED芯片引起的新危害—紫外线辐射。紫外线辐射也会导致严重的健康问题，如日灼、皮肤光老化、皮质性白内障、翼状胬肉、嘴唇疱疹复发以及眼部鳞状细胞癌等等。因此，在制备基于UV-LED芯片的白光LED光源的过程中，一般会采用能够吸收紫外光的紫外线吸收剂。但是，现有紫外线吸收剂一般具有短效性，远无法匹配LED光源的使用寿命，从而，随着LED光源的使用时间增长，其所采用的UV-LED芯片的紫外线逸出量将逐渐增大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，以降低白光LED器件的紫外线辐射量。
根据本发明的一个方面，提供一种基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件：
包括灯具外壳以及设置在灯具外壳内部的LED光源和紫外线屏蔽膜，紫外线屏蔽膜罩设于LED光源的外围；LED光源包括UV-LED芯片；紫外线屏蔽膜的组分包括基体材料和紫外线吸收剂，基体材料形成薄膜基材，紫外线吸收剂包括碳量子点。基于碳量子点能够高效、持久地吸收紫外线，利用含有碳量子点的紫外线屏蔽膜罩设于UV-LED芯片的外部，紫外线屏蔽膜能够长效地向外界屏蔽由UV-LED芯片发出的紫外光，显著降低应用其的LED光源的紫外线辐射危害。另一方面，作为紫外线吸收剂的碳量子点不仅能够高效地吸收紫外线、具有较好的光热稳定性，而且还具有制作工序简单、成本低廉的优点，将其应用于LED器件的紫外线屏蔽膜中，不会明显提高LED器件的成本。此外，上述LED器件的紫外线屏蔽膜以薄膜基材作为紫外线吸收剂的载体，与UV-LED芯片为相互独立的零部件，若出现紫外线屏蔽膜老化、污损等情况可以更换紫外线屏蔽膜，使LED器件恢复正常的使用状态。
优选地，在紫外线屏蔽膜中，碳量子点均布于薄膜基材内。
优选地，在紫外线屏蔽膜的组分中，按质量百分比计算，碳量子点占0.5～5％。使碳量子点的使用量处于在上述范围内，由此制得的紫外线屏蔽膜对波长处于非紫外光区域的光具有良好的透过性，在LED光源外套设该紫外线屏蔽膜不影响LED光源的白光发光效果。
可选地，碳量子点为亲油性碳量子点，基体材料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、涤纶树脂中的至少一种。
可选地，碳量子点为亲水性碳量子点，基体材料包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚甲基丙烯酸酯中的至少一种。
通过合理地搭配紫外线屏蔽膜的基体材料和碳量子点，使碳量子点与基体材料具有良好的相容性，体现在碳量子点能够充分、均匀地分布于薄膜基材中，进而使紫外线屏蔽膜具有较高的白光透过性和机械强度
优选地，紫外线吸收剂还包括粒径为1nm～60nm的纳米TiO2。
优选地，紫外线屏蔽膜的组分还包括磁性颗粒，磁性颗粒均布于薄膜基材内。
优选地，磁性颗粒选自Fe3O4、Fe2O3、Co3O4、Mn3O4、CoFe2O4、BaFe12O19、Fe单质纳米颗粒、Co单质纳米金属颗粒、Ni单质纳米金属颗粒、Nd-Fe-B合金纳米颗粒、Fe-Zr-N合金纳米颗粒、Fe-Nb-N合金纳米颗粒、Fe-Ta-N合金纳米颗粒、Fe-V-N合金纳米颗粒、Fe-Zr-B合金纳米颗粒、Fe-Nb-B合金纳米颗粒、Fe-Ta-B合金纳米颗粒、Fe-V-B合金纳米颗粒、Fe-Zr-C合金纳米颗粒、Fe-Nb-C合金纳米颗粒、Fe-Ta-C合金纳米颗粒、Fe-V-C合金纳米颗粒、Fe-Si-Al合金纳米颗粒、SiC中的一种或多种。
优选地，磁性颗粒为Fe-Si-Al合金纳米颗粒和/或SiC。
优选地，在紫外线屏蔽膜的组分中，按质量百分比计算，磁性颗粒占0.5～1.5％。
在紫外线屏蔽膜中，磁性颗粒的引入使得碳量子点发生荧光猝灭，避免碳量子点在紫外光的激发下发出其他波长的光对LED光源所发出的白光造成干扰，使LED光源的白光保持原有的色温和色域，提高LED光源发光效果的可控性。
附图说明
图1为测试例中的对照产品的发射光谱图；
图2为实施例1～3制备的LED器件1、LED器件2-1、LED器件2-2、LED器件2-3、LED器件3的发射光谱图；
图3为实施例2制备的LED器件2-3的紫外线屏蔽膜的透射率统计图；
图4为实施例4、5制备的LED器件4、LED器件5-1、LED器件5-2、LED器件5-3、LED器件3的发射光谱图；
图5为实施例2制备的LED器件5-3的紫外线屏蔽膜的透射率统计图.
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
1.制备紫外线屏蔽膜
按照质量百分比计算，本实施例用于制备紫外屏蔽膜的原料及用量为：平均粒径为5～6nm的亲水性碳量子点3％、聚乙烯醇(PVA)余量。按照以下步骤制备紫外线屏蔽膜：
步骤1：按照PVA：去离子水＝1:5的质量比，将PVA颗粒加入去离子水中，加热至60℃并搅拌，使PVA充分溶解；
步骤2：向步骤1所得溶液中逐滴加入亲水性碳量子点，充分搅拌使亲水性碳量子点在溶液中充分分散；
步骤3：将步骤2所得溶液倒入成膜模具中，于60～80℃固化，制得紫外线屏蔽膜。
2.制备白光LED光源
选用发射光主波长介于340～405nm之间的UV-LED芯片，经过固晶、焊线等工艺，然后涂布由RGB三基色荧光粉和封装胶组成的荧光胶，再经固化，制得白光LED光源。
3.组装LED器件
采用本实施例制备的紫外线屏蔽膜罩包裹本实施例制备的白光LED光源，然后将被紫外线屏蔽膜包裹的白光LED光源安装在灯具外壳内，组装完成的LED器件标记为“LED器件1”。
实施例2
1.制备紫外线屏蔽膜
本实施例采用平均粒径为5～6nm的亲水性碳量子点、磁性颗粒和PVA作为紫外线屏蔽膜的原料组分制备紫外线屏蔽膜；根据所采用的磁性颗粒的种类不同，设置3组处理组分别制备3种紫外线屏蔽膜，3组处理组分别标记为处理1组、处理2组和处理3组；按照质量百分比计算，本实施例的3组处理组用于制备紫外屏蔽膜的原料及用量分别为：处理1组，平均粒径为5～6nm的亲水性碳量子点3％、Fe2O3(处理1组采用的磁性颗粒)0.8％、PVA余量；处理2组，平均粒径为5～6nm的亲水性碳量子点3％、Nd-Fe-B合金纳米颗粒(处理2组采用的磁性颗粒)0.8％、PVA余量；处理3组，平均粒径为5～6nm的亲水性碳量子点3％、Fe-Si-Al合金纳米颗粒(处理3组采用的磁性颗粒)0.8％、PVA余量。处理1、2、3分别按照以下步骤制备紫外线屏蔽膜：
步骤1：向亲水性碳量子点中加入磁性颗粒，常温下超声分散，使亲水性碳量子点和磁性颗粒混合均匀；
步骤2：按照PVA：去离子水＝1:5的质量比，将PVA颗粒加入去离子水中，加热至60℃并搅拌，使PVA充分溶解；
步骤3：向步骤2所得溶液中逐滴加入亲水性碳量子点和磁性颗粒的混合溶液，充分搅拌使亲水性碳量子点和磁性颗粒在溶液中充分分散；
步骤4：将步骤3所得溶液倒入成膜模具中，于60～80℃固化，制得紫外线屏蔽膜。
2.制备白光LED光源
选用发射光主波长介于340～405nm之间的UV-LED芯片，经过固晶、焊线等工艺，然后涂布由RGB三基色荧光粉和封装胶组成的荧光胶，再经固化，制得白光LED光源。
3.组装LED器件
选取3个本实施例制得的白光LED光源，采用本实施例处理1、2、3组制备的紫外线屏蔽膜罩分别包裹上述白光LED光源，每个白光LED光源与一种紫外线屏蔽膜一一对应，然后将3个被紫外线屏蔽膜包裹的白光LED光源分别安装在3个灯具外壳内，组装完成的LED器件分别标记为“LED器件2-1”(对应处理1组)、“LED器件2-2”(对应处理2组)和“LED器件2-3”(对应处理3组)。
实施例3
1.制备紫外线屏蔽膜
按照质量百分比计算，本实施例用于制备紫外屏蔽膜的原料及用量为：平粒径为1nm～60nm的纳米TiO210％、PVA余量。按照以下步骤制备紫外线屏蔽膜：
步骤1：按照PVA：去离子水＝1:5的质量比，将PVA颗粒加入去离子水中，加热至60℃并搅拌，使PVA充分溶解；
步骤2：向步骤1所得溶液中加入纳米TiO2，充分搅拌使亲水性碳量子点在溶液中充分分散；
步骤3：将步骤2所得溶液倒入成膜模具中，于60～80℃固化，制得紫外线屏蔽膜。
2.制备白光LED光源
选用发射光主波长介于340～405nm之间的UV-LED芯片，经过固晶、焊线等工艺，然后涂布由RGB三基色荧光粉和封装胶组成的荧光胶，再经固化，制得白光LED光源。
3.组装LED器件
采用本实施例制备的紫外线屏蔽膜罩包裹本实施例制备的白光LED光源，然后将被紫外线屏蔽膜包裹的白光LED光源安装在灯具外壳内，组装完成的LED器件标记为“LED器件3”。
实施例4
1.制备紫外线屏蔽膜
按照质量百分比计算，本实施例用于制备紫外屏蔽膜的原料及用量为：平均粒径为5～6nm的亲油性碳量子点1％、聚氯乙烯(PVC)余量。按照以下步骤制备紫外线屏蔽膜：
步骤1：向PVC颗粒中加入亲油性碳量子点，混合均匀，加热至100～120℃，保温1～3小时，加热和保温过程中充分搅拌，使亲油性碳量子点完全融入PVC颗粒，得到碳量子点-PVC颗粒；
步骤2：将步骤1制得的碳量子点-PVC颗粒经过加热熔融、吹制成型，得到所需形状的紫外线屏蔽膜。
2.制备白光LED光源
选用发射光主波长介于340～405nm之间的UV-LED芯片，经过固晶、焊线等工艺，然后涂布由RGB三基色荧光粉和封装胶组成的荧光胶，再经固化，制得白光LED光源。
3.组装LED器件
采用本实施例制备的紫外线屏蔽膜罩包裹本实施例制备的白光LED光源，然后将被紫外线屏蔽膜包裹的白光LED光源安装在灯具外壳内，组装完成的LED器件标记为“LED器件4”。
实施例5
1.制备紫外线屏蔽膜
本实施例采用平均粒径为5～6nm的亲油性碳量子点、磁性颗粒和PVC作为紫外线屏蔽膜的原料组分制备紫外线屏蔽膜；根据所采用的磁性颗粒的种类不同，设置3组处理组分别制备3种紫外线屏蔽膜，3组处理组分别标记为处理4组、处理5组和处理6组；按照质量百分比计算，本实施例的3组处理组用于制备紫外屏蔽膜的原料及用量分别为：处理4组，平均粒径为7～8nm的亲油性碳量子点1％、Ni单质纳米金属颗粒(处理4组采用的磁性颗粒)0.5％、PVC余量；处理5组，平均粒径为7～8nm的亲油性碳量子点1％、Fe-Zr-C合金纳米颗粒(处理5组采用的磁性颗粒)0.8％、PVC余量；处理6组，平均粒径为7～8nm的亲油性碳量子点1％、SiC(处理6组采用的磁性颗粒)0.8％、PVC余量。处理4、5、6分别按照以下步骤制备紫外线屏蔽膜：
步骤1：向亲油性碳量子点中加入磁性颗粒，常温下超声分散，使亲油性碳量子点和磁性颗粒混合均匀；
步骤2：向PVC颗粒中加入步骤1制得的亲油性碳量子点和磁性颗粒的混合物，混合均匀，加热至100～120℃，保温1～3小时，加热和保温过程中充分搅拌，使亲油性碳量子点和磁性颗粒完全融入PVC颗粒，得到磁性颗粒-碳量子点-PVC颗粒；
步骤3：将步骤2制得的磁性颗粒-碳量子点-PVC颗粒经过加热熔融、吹制成型，得到所需形状的紫外线屏蔽膜。
2.制备白光LED光源
选用发射光主波长介于340～405nm之间的UV-LED芯片，经过固晶、焊线等工艺，然后涂布由RGB三基色荧光粉和封装胶组成的荧光胶，再经固化，制得白光LED光源。
3.组装LED器件
选取3个本实施例制得的白光LED光源，采用本实施例处理4、5、6组制备的紫外线屏蔽膜罩分别包裹上述白光LED光源，每个白光LED光源与一种紫外线屏蔽膜一一对应，然后将3个被紫外线屏蔽膜包裹的白光LED光源分别安装在3个灯具外壳内，组装完成的LED器件分别标记为“LED器件5-1”(对应处理4组)、“LED器件5-2”(对应处理5组)和“LED器件5-3”(对应处理6组)。
测试例
本实施例以实施例1～5制备的LED器件1、LED器件2-1、LED器件2-2、LED器件2-3、LED器件3、LED器件4、LED器件5-1、LED器件5-2、LED器件5-3作为参试产品，并采用上述实施例中制得的没有包裹紫外线屏蔽膜的白光LED光源安装在灯具外壳内作为对照产品，检测对照产品和参试产品的发射光谱图，并统计各参试产品采用的紫外线屏蔽膜的透光率。
如图1所示，对照产品的发射光谱图中，在390～410nm的近紫外区有明显的发射峰，证明在没有包裹紫外线屏蔽膜的情况下，白光LED光源具有较强的紫外线辐射。
LED器件1、LED器件2-1、LED器件2-2、LED器件2-3、LED器件3的发射光谱如图2所示，通过观察上述参试产品在390～410nm的光谱区域内的发射光谱图，包裹了紫外线屏蔽膜的LED器件1、LED器件2-1、LED器件2-2、LED器件2-3、LED器件3相对于对照产品而言，各自的紫外线辐射强度都得到显著下降。LED器件3采用了以纳米TiO2作为紫外线吸收剂的紫外线屏蔽膜，其发射强度显著低于其他参试产品，可能是因为紫外线屏蔽膜中的纳米TiO2含量较高致使其透光性低于其他参试产品所采用的紫外线屏蔽膜，该参试产品的位于第一个发射峰部分落入了近紫外光区域，说明LED器件3任存在紫外线“漏光”的问题。LED器件1的在紫外光区域无发射峰，并且，其整体的亮度较高，由于其所采用的紫外线屏蔽膜中的亲水性碳量子点在紫外光的激发下发出蓝光，因此，LED器件1的发射光谱图中的位于蓝光区域的发射峰具有较高的发射强度，致使其发出的光的观感偏蓝，另外，由于其采用的紫外线屏蔽膜中不含有磁性颗粒，因此其透光性最佳。LED器件2-1、LED器件2-2和LED器件2-3所采用的紫外线屏蔽膜中分别含有不同种类的磁性颗粒，其中：在蓝光区域，LED器件2-1的发射峰强度最强，其紫外线屏蔽膜中的Fe2O3无法有效地使水性碳量子点发生荧光猝灭，水性碳量子点的蓝光发射峰与白光LED光源的发射光谱叠加，使LED器件2-1发出的光的观感偏蓝，并且，作为磁性材料Fe2O3具有一定的吸波性，致使LED器件2-1在500～750nm光谱区域内的发射峰强度偏低；LED器件2-2和LED器件2-3的发生光谱谱线形状相似，相对而言，LED器件2-2的发射峰强度明显更高，而LED器件2-3所采用的紫外线屏蔽膜的表面平整度较差，其所采用的Nd-Fe-B合金纳米颗粒集中在屏蔽膜的其中一个表面，可能是Nd-Fe-B合金纳米颗粒与PVA的相容性较差，使由此制得的紫外线屏蔽膜的透光性较差。综合比对LED器件1、LED器件2-1、LED器件2-2、LED器件2-3、LED器件3的发射光谱中的谱峰位置、发射强度以及发光观感，LED器件2-3的综合性能最优，而通过图3则进一步说明了LED器件2-3采用的含有亲水性碳量子点和Fe-Si-Al合金纳米颗粒的紫外线屏蔽膜具有较高的透光率。
LED器件4、LED器件5-1、LED器件5-2、LED器件5-3的发射光谱如图4所示，上述参试产品在波长小于405nm的光谱区域内没有发射峰。LED器件4的整体亮度较高，由于其所采用的紫外线屏蔽膜中的亲水性碳量子点在紫外光的激发下发出蓝光，因此，LED器件4的发射光谱图中的位于蓝光区域的发射峰具有较高的发射强度，致使其发出的光的观感偏蓝，另外，由于其采用的紫外线屏蔽膜中不含有磁性颗粒，因此其透光性最佳。LED器件5-1、LED器件5-2和LED器件5-3所采用的紫外线屏蔽膜中分别含有不同种类的磁性颗粒，其中：在蓝光区域，LED器件5-1的发射峰强度最强，其紫外线屏蔽膜中的Ni单质纳米金属颗粒无法有效地使水性碳量子点发生荧光猝灭，水性碳量子点的蓝光发射峰与白光LED光源的发射光谱叠加，使LED器件5-1发出的光的观感偏蓝；LED器件5-2的发射光谱的发射峰强度较低，其原因可能是因为其采用的紫外光屏蔽膜中的Fe-Zr-C合金纳米颗粒的吸波性较强，对LED光源所发出的光有一定的吸收。综合比对LED器件4、LED器件5-1、LED器件5-2、LED器件5-3的发射光谱中的谱峰位置、发射强度以及发光观感，LED器件5-3的综合性能最优，而通过图5则进一步说明了LED器件5-3采用的含有亲油性碳量子点和SiC的紫外线屏蔽膜具有较高的透光率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：
包括灯具外壳以及设置在所述灯具外壳内部的LED光源和紫外线屏蔽膜，所述紫外线屏蔽膜罩设于所述LED光源的外围；
所述LED光源包括UV-LED芯片；
所述紫外线屏蔽膜的组分包括基体材料和紫外线吸收剂，所述基体材料形成薄膜基材，所述紫外线吸收剂包括碳量子点和磁性颗粒；
所述碳量子点均布于所述薄膜基材内，所述磁性颗粒均布于所述薄膜基材内。
2.如权利要求1所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：在所述紫外线屏蔽膜的组分中，按质量百分比计算，所述碳量子点占0.5～5％。
3.如权利要求2所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：所述碳量子点为亲油性碳量子点，所述基体材料包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚酰胺、涤纶树脂中的至少一种。
4.如权利要求2所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：所述碳量子点为亲水性碳量子点，所述基体材料包括聚乙烯醇、聚氨酯、聚甲基丙烯酸酯中的至少一种。
5.如权利要求4所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：所述紫外线吸收剂还包括粒径为1nm～60nm的纳米TiO2。
6.如权利要求1所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：所述磁性颗粒选自Fe3O4、Fe2O3、Co3O4、Mn3O4、CoFe2O4、BaFe12O19、Fe单质纳米颗粒、Co单质纳米金属颗粒、Ni单质纳米金属颗粒、Nd-Fe-B合金纳米颗粒、Fe-Zr-N合金纳米颗粒、Fe-Nb-N合金纳米颗粒、Fe-Ta-N合金纳米颗粒、Fe-V-N合金纳米颗粒、Fe-Zr-B合金纳米颗粒、Fe-Nb-B合金纳米颗粒、Fe-Ta-B合金纳米颗粒、Fe-V-B合金纳米颗粒、Fe-Zr-C合金纳米颗粒、Fe-Nb-C合金纳米颗粒、Fe-Ta-C合金纳米颗粒、Fe-V-C合金纳米颗粒、Fe-Si-Al合金纳米颗粒、SiC中的一种或多种。
7.如权利要求6所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：所述磁性颗粒为Fe-Si-Al合金纳米颗粒和/或SiC。
8.如权利要求7所述基于UV-LED芯片的护眼白光LED器件，其特征在于：在所述紫外线屏蔽膜的组分中，按质量百分比计算，所述磁性颗粒占0.5～1.5％。
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