CN112038468A - 一种红色led光学装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种LED芯片复合Mn4+激活的红色发光材料和滤光材料的红色LED光学装置，该红色发光材料的发射主峰波长位于630±1nm。本发明的光学装置利用LED芯片复合红色发光材料和滤光材料的实现方式，具有制备工艺简单、可靠性能优异、出光效率高等特点。本发明所提供的红色光学装置的发射主峰波长位于630±1nm，在植物照明、光学治疗及白光照明和显示领域具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及红色光学技术领域，尤其涉及一种LED芯片复合Mn4+激活的红色发光材料和滤光材料的红色LED光学装置。
背景技术
红光波段一般为600-700nm范围，该波段波谱在植物照明、光学治疗、以及白光照明和显示领域具有很好的应用前景，在国内外引起广泛的关注。目前红光大多采用红光半导体芯片的方式实现，由于红光半导体芯片技术成熟度不高，红光芯片存在发光效率低、且制造成本高等问题。
使用技术成熟度高的蓝光芯片复合红色荧光粉转化产生红光，可以大大降低红光的成本，且在高效蓝光芯片激发下可获得更高光效的荧光转换型红光芯片。在此波段光辐射作用于人体不同的器官或组织，影响人的生理和心理健康，比如620-640nm光可以促进成骨细胞增值及分化、增强肌肤胶原细胞的活性、促进伤口愈合。在植物生长中，叶绿素A、B与光敏色素PR、PFR不仅吸收420-500 nm蓝紫光，还吸收600-690nm红光。在全光谱照明和广色域显示中，红光作为白光的核心组成部分直接决定了光源的发光品质和显色能力。荧光转换型红光光源在高品质照明和显示、植物生长、医疗健康等领域具有极大的应用前景。
发明内容
基于现有技术的上述情况，本发明的目的在于提供一种LED芯片复合Mn4+激活的红色发光材料和滤光材料的红色LED光学装置。该红色发光材料的发射主峰波长位于630±1nm，在植物照明、光学医疗及白光照明等领域具有很好的应用前景。
为达到上述目的，本发明提供了一种红色LED光学装置，所述光学装置包含LED芯片、红色荧光粉和滤光材料。
进一步的，所述LED芯片为发射峰值波长位于420-470nm的蓝光芯片。
进一步的，所述红色荧光粉位于所述蓝光芯片上方，所述滤光材料位于所述红色荧光粉上方。
进一步的，所述红色荧光粉化学式表示为K2(1-y)[(Ge1-xSix)1-aF6]:aMn4+，其中，0≤x≤1，0.06≤a≤0.13，0≤y≤0.1。
进一步的，所述滤光材料对LED芯片激发红色荧光粉后剩余的一次光的滤除率大于97%，对550-750nm波段范围光的透过率大于90%。
进一步的，所述滤光材料为无机复合材料或有机-无机复合材料。
进一步的，将所述红色荧光粉与硅胶混合后置于所述LED芯片上，其中所述红色荧光粉占硅胶和红色荧光粉总质量的30%-80%。
进一步的，红色荧光粉层与所述蓝光芯片之间包括一层有机硅胶。
进一步的，所述光学装置中LED芯片激发下红色荧光粉发出的二次光，从所述光学装置中发出的光束角度范围为60°至150°。
综上所述，本发明提供了一种LED芯片复合Mn4+激活的红色发光材料和滤光材料的红色LED光学装置。该红色发光材料的发射主峰波长位于630±1nm，在植物照明、光学医疗及白光照明等领域具有很好的应用前景。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：所述光学装置利用LED芯片复合红色发光材料和滤光材料的实现方式，具有制备工艺简单、可靠性能优异、出光效率高等特点。本发明所提供的红色光学装置的发射主峰波长位于630±1nm，在植物照明、光学治疗及白光照明和显示领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明光学装置中滤光材料为无机复合材料（Se/Cd）时透过率的曲线图；
图2是根据本发明的实施例1中所提供的Mn4+激活的红色发光材料K2[Si0.9F6]:0.10Mn4+的激发发射图谱；
图3是根据本发明的实施例1-26中所提供的红色LED光学装置的封装结构；
图4是根据本发明的实施例27中所提供的红色LED光学装置的封装结构；
图5是根据本发明的实施例28中所提供的红色LED光学装置的封装结构。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
根据本发明的一个实施例，提供一种红色LED光学装置，所述光学装置包含LED芯片、红色发光材料和滤光材料。其中，所述LED芯片为发射峰值波长位于420-470nm的蓝光芯片。
所述红色荧光粉化学式表示为K2(1-y)[(Ge1-xSix)1-aF6]:aMn4+，其中，0≤x≤1，0.06≤a≤0.13，0≤y≤0.1。本实施例中，红色发光材料优选为Mn4+激活的红色荧光粉，该红色荧光粉在400nm-480nm有极强吸收能力，尤其适合蓝光芯片激发，发射主峰位置位于630nm±1nm。根据某些实施例，所述红色发光材料也可以为(Cap,Srq,Bar)1-n AlSiN3:nEu2+，其中，p+q+r=1-n，0≤n≤0.1；Sr4-bAl14-mO25:mMn4+,bNa+，其中，0.01≤m≤1，0≤b≤1。
作为优选，所述蓝光芯片结构为垂直结构，更优的选择光束集中的垂直结构，有利于增强激发光的发光强度，进而提升封装的红色芯片的发光效率。
进一步的，所述红色荧光粉位于所述蓝光芯片上方，所述滤光材料位于所述红色荧光粉上方。所述滤光材料对LED芯片发出的激发红色荧光粉后剩余的420-550nm波段范围光的滤除率大于97%，对550-780nm波段范围光的透过率大于90%。作为优选，所述滤光材料为无机复合材料或有机-无机复合材料。无机复合材料例如Se/Cd有色玻璃透镜材料，其透过率如图1所示。采用上述滤光材料，一方面，可以滤除对LED芯片发出的激发红光荧光粉后剩余的一次光中420-550nm波段范围光滤除率大于97%，从而获得较纯的红色光源；另一方面，滤光材料对550-780nm波段范围光的透过率大于90%，可有效保障红色光的发光效率。作为优选，所述光学装置中芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层，以增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出红光，上层为透明有机硅胶层，其中红色荧光粉占硅胶和红色荧光粉总质量的30%-80%。
作为优选，所述光学装置中LED芯片激发下红色荧光粉发出的二次光，从所述光学装置中发出的光束角度范围为60°至150°。通过设置该光学装置中发出的光束角度范围为60°至150°，可有效增强光束的集中度，以提升封装的红色光的发光效率，改善现有红光装置中普遍存在的发光效率不高的问题。
下面通过具体的实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1-20
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长和红色荧光粉的分子式如表1所示，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出红光，上层为透明有机硅胶层，其中红色荧光粉占硅胶和红色荧光粉总质量的30%-80%，滤光材料在红色荧光粉层上，从光学装置中发出的光束角度为90°，如图3所示。红光波段最高峰值相对强度均大于LED红光芯片的最高峰值相对强度。
表1
通过上述表1实施例1-20与对比例各项数据的对比，不难发现，本发明通过对该红色荧光粉中元素范围的选取，通过Mn4+的更小范围优选，以及对Ge、Si元素精准化调控，精准控制晶粒形核生长过程以及晶粒形貌，从而影响粉体在封装应用中的出光效率，其器件封装强度相比现有技术中的红光芯片提高了18%-55%。
实施例21
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为455nm和红色荧光粉的分子式为Sr0.94AlSiN3:0.06Eu2+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色荧光粉占硅胶和红色荧光粉总质量的45%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为90°。红光波段最高峰值相对强度为135%。
实施例22
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为455nm和红色荧光粉的分子式为Sr3.4Al13.4O25:0.6Mn4+,0.6Na+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的60%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为90°。红光波段最高峰值相对强度为115%。
实施例23
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为365nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的40%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为90°。红光波段最高峰值相对强度为137%。
实施例24
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为450nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的45%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为60°，红光波段最高峰值相对强度为127%。
实施例25
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为450nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的55%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为120°。红光波段最高峰值相对强度为135%。
实施例26
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为450nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图3所示，芯片上方为发光层，发光层为三层，底层为透明有机硅胶层起增加出光率，提高导热作用，中间层为荧光粉层激发出光，上层为透明有机硅胶层，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的60%，滤光材料在发光材料层上，从光学装置中发出的光束角度为150°。红光波段最高峰值相对强度为118%。
实施例27
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为450nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，该光学装置的结构如图4所示，红色荧光粉与硅胶混合后置于在LED芯片上，其中红色荧光粉占硅胶和发光材料总质量的40%，滤光材料在发光材料层上，最后封装透镜材料。从光学装置中发出的光束角度为90°。红光波段最高峰值相对强度为145%。
实施例28
一种红色LED光学装置，其包括半导体芯片、红色荧光粉和滤光材料，结构为垂直结构，半导体芯片波长为450nm和红色荧光粉的分子式为K2[Si0.9F6]:0.1Mn4+，滤光材料为无机复合材料-Se/Cd有色玻璃滤光材料，红色发光材料与硅胶混合后置于在LED芯片上，其中红色发光材料占硅胶和发光材料总质量的40%，该光学装置的结构如图5所示，芯片位于最下层，红色荧光粉与硅胶混合后置于在LED芯片上，滤光材料封装在荧光粉层的上方。从光学装置中发出的光束角度为90°，红光波段最高峰值相对强度为120%。
综上所述，本发明提供了一种LED芯片复合Mn4+激活的红色发光材料和滤光材料的红色LED光学装置，该红色发光材料的发射主峰波长位于630±1nm。本发明的光学装置利用LED芯片复合红色发光材料和滤光材料的实现方式，具有制备工艺简单、可靠性能优异、出光效率高等特点。本发明所提供的红色光学装置的发射主峰波长位于630±1nm，在植物照明、光学治疗及白光照明和显示领域具有很好的应用前景。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (9)
1.一种红色LED光学装置，其特征在于，所述光学装置包含LED芯片、红色荧光粉和滤光材料。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其特征在于，所述LED芯片为发射峰值波长位于420-470nm的蓝光芯片。
3.根据权利要求2所述的光学装置，其特征在于，所述红色荧光粉位于所述蓝光芯片上方，所述滤光材料位于所述红色荧光粉上方。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述红色荧光粉化学式表示为K2(1-y)[(Ge1-xSix)1-aF6]:aMn4+，其中，0≤x≤1，0.06≤a≤0.13，0≤y≤0.1。
5.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述滤光材料对LED芯片激发红色荧光粉后剩余的一次光的滤除率大于97%，对550-750nm波段范围光的透过率大于90%。
6.根据权利要求5所述的光学装置，其特征在于，所述滤光材料为无机复合材料或有机-无机复合材料。
7.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，将所述红色荧光粉与硅胶混合后置于所述LED芯片上，其中所述红色荧光粉占硅胶和红色荧光粉总质量的30%-80%。
8.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，红色荧光粉层与所述蓝光芯片之间包括一层有机硅胶。
9.根据权利要求3所述的光学装置，其特征在于，所述光学装置中LED芯片激发下红色荧光粉发出的二次光，从所述光学装置中发出的光束角度范围为60°至150°。
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