CN116096836A - 白光发射装置 - Google Patents

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Abstract

一种白光发射装置，其在从10mA/mm2至60mA/mm2，优选地在从15A/mm2至40mA/mm2的范围内，并且更优选地在从20mA/mm2至30mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，具有至少230lm/W的效率。装置包括基板、安装在基板上的至少一串蓝色LED芯片，以及磷光体材料组合物。所述磷光体材料组合物包括窄带红色磷光体，该窄带红色磷光体生成具有在从625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光。对于从4000K至6500K的CCT，窄带红色磷光体的重量百分比在33wt.％至49wt.％之间，或者对于从2700K至3500K的CCT，重量百分比在从60wt.％至70wt.％的量内。

Description

白光发射装置
技术领域
本发明涉及照明和显示装置的领域。更具体地，本发明涉及白光发射装置。
背景技术
在照明和显示装置中，发光二极管(LED)作为传统白炽灯泡和/或荧光灯的替代品被广为人知。期望以高效率生成具有高色纯度的白色。
从LED生成白色有两种主要方法。第一种是使用具有不同强度的不同发光颜色的多个LED的组合。例如，蓝色发光LED、红色发光LED和绿色发光LED可以被组合以产生白光。然而，该方法的一个问题是组件LED的光谱功率分布可能相对较窄，即，可能具有大约在10nm-30nm之间的半峰全宽(FWHM)。因此，存在可能难以获得高效率的波长范围(例如，580nm)。
另一种主要方法是将单色LED(具有在特定波长下的发射)与波长转换材料(诸如磷光体)结合使用。以此方式，波长转换材料从LED吸收特定波长的光，并且发射不同波长下的光，通常在更长波长下(即，较低能量的光)。例如，蓝色LED可以与黄绿色磷光体一起被使用。然而，目前使用该方法实现的效率是有限的。
通常的白光发射装置具有在150lm/W-200lm/W范围内的效率，并且实现这些效率所需的LED芯片的电流密度相对较高(通常在0.2A/mm2至0.5A/mm2之间)。因此，需要不遭受上述问题的使用LED的高效率白光发射装置。
发明内容
鉴于此，根据权利要求，提供了一种高效的白光发射装置。在本发明的第一方面，提供了一种白光发射装置，包括：基板；安装在基板上的至少一串蓝色LED芯片，具有在从445nm至460nm范围内的主波长；以及磷光体材料组合物，包括：黄绿色磷光体材料，其生成具有在520nm至580nm范围内的峰值发射波长的光；以及窄带红色磷光体材料，其生成具有在625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光；其中对于从4000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包括在从33wt.％至49wt.％的量内的窄带红色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K的CCT，包括在从60wt.％至70wt.％的量内的窄带红色磷光体材料；并且其中装置适于在从10mA/mm2至60mA/mm2的范围内，优选地在从15mA/mm2至40mA/mm2的范围内，并且更优选地在从20mA/mm2至30mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
装置的实施例在低LED输入电流密度处具有高效率。因此，这提供了比现有LED(150-200lm/W)明显更加高效的白色LED，同时这还提供了一般照明应用所需的光颜色。例如，效率可以是230lm/W至235lm/W，例如230lm/W、231lm/W、232lm/W、233lm/W、234lm/W或235lm/W。如下所述，实施例通过使用通过应用特定电流密度而更加高效的蓝色LED芯片提供了该改进，并且通过在波长转换磷光体材料(例如，覆盖蓝色LED芯片以便修改光的波长)中使用所叙述的窄带红色磷光体量来改进白色光谱效率。
与白色LED装置效率(Lm/Wwhite)有关的主要分量在下式中被示出：
Lm/Wwhite ＝ WPEblue chip x CEphosphor x PEwhite (1)
WPEblue chip是壁式插座效率，
CEphosphor是磷光体转换效率，并且
PEwhite是封装效率。
装置的效率以流明/瓦特为单位进行测量，并且可以通过标准LED光度技术来进行计算。
参考上述等式(1)中提到的白色LED装置效率的第一分量和第二分量，对于不同的CCT范围，在从10mA/mm2至60mA/mm2范围内的低电流密度处的蓝色LED芯片与磷光体材料组合物的组合包括特定重量百分比下的窄带红色磷光体，有助于该组中中至少230lm/W的高效率。窄带红色磷光体材料的特定重量百分比很重要，因为它们确定了窄带红色磷光体材料与黄绿色磷光体材料的比率。从装置发射的白光由不同颜色的成分组成，这些成分来自蓝色LED芯片与磷光体材料的相互作用。通过并入特定重量百分比的窄带红色磷光体材料，已发现磷光体材料组合物为白光发射提供了改进的装置效率。
窄带红色磷光体材料在从625nm至635nm的峰值发射波长范围内可以具有≤10nm的FWHM。与绿色/黄绿色磷光体相比，宽红色发射体磷光体(即，具有比窄带红色磷光体更宽光谱发射轮廓的那些磷光体)的磷光体转换效率通常较低。窄带红色带磷光体的窄光谱轮廓有助于减少红色光谱效率损失，同时维持高显色指数(CRI)。CRI是色纯度的量度，并且被定义为光源准确照亮物体的颜色的能力，就像其被白炽灯泡或自然光源照亮一样。因此，已经发现，装置中材料的特定组合导致具有高显色指数的白光发射装置的高效率。
存在于磷光体材料组合物中的窄带红色磷光体材料的重量百分比是特定的，具体取决于所需的相关色温“CCT”。CCT是具有与白光源的颜色相匹配的发射的加热黑体辐射器的温度。在2700K至3500K范围内的CCT被描述为带有较黄色调的暖白色。4000K至6500K的CCT被描述为中性白色到冷白色。因此，在第一方面，装置是(i)具有从4000K至6500K的CCT的装置(例如，发射具有从4000K至6500K的CCT的光)，并且窄带红色磷光体材料以从33wt.％至49wt.％的量存在于组合物中；或者(ii)具有从2700K至3500K CCT的CCT的装置(例如，发射具有从2700K至3500K的CCT的光)，并且窄带红色磷光体材料以从60wt.％至70wt.％的量存在于组合物中。已经发现，该较窄范围的窄带红色磷光体材料特别高效。
在一些实施例中，对于从5000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包括在从33wt.％至43wt.％的量内的窄带红色磷光体材料。
在一些实施例中，对于从4000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包从括44wt.％至74wt.％的量内的黄绿色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K的CCT，包括在从22wt.％-45wt.％的量内的黄绿色磷光体材料。在实施例中，黄绿色磷光体材料与窄带红色磷光体材料的比率有助于白光颜色输出，并且因此有助于装置的效率。
在一些实施例中，对于4000K至6500K之间的CCT，磷光体材料组合物包括在从51wt.％至67wt.％的量内的黄绿色磷光体材料，并且包括在从33wt.％至49wt.％的量内的窄带红色磷光体材料。
在一些实施例中，对于在2700K至3500K之间的CCT，磷光体材料组合物还包括宽谱红色磷光体材料；并且对于在2700K至3500K之间的CCT，磷光体材料组合物包括：在从1wt.％至4wt.％的量内的宽谱红色磷光体材料；在从30wt.％至35wt.％的量内的黄绿色磷光体材料；以及在从64wt.％至66wt.％的量内的窄带红色磷光体材料。
在实施例中，宽谱红色磷光体材料指代(在从590nm至700nm的发射范围处)具有大于或等于30nm(例如这可以是70nm-90nm)的FWHM值磷光体。将该宽谱红色磷光体材料(例如，氮化物磷光体，诸如CaAlSiN3:Eu2+或Sr2Si5N8:Eu2+)并入到磷光体组合物中，在2700K-3500K之间的特定CCT范围内是有利的，以有助于从装置提供更暖的白光发射。
在一些实施例中，对于2700K的CCT，磷光体材料组合物包括在从60wt.％至74wt.％的量内的窄带红色磷光体材料；对于3000K的CCT，包括在从55wt.％至69wt.％的量内的窄带红色磷光体材料；对于4000K的CCT，包括在从42wt.％至56wt.％的量内的窄带红色磷光体材料；或者对于6500K的CCT，包括在从26wt.％至40wt.％的量内的窄带红色磷光体材料。已经发现这些实施例对于每个相应的CCT特别高效。
在一些实施例中，白光输出的ccy位置在比黑体曲线高0.02-0.03的范围内。特定光源的色度可以被称为“色点”，色点在CIE(法语中为Commission Internationale de l'éclairage，或英语中为International Commission on Illumination)色彩空间图中具有坐标(ccx，ccy)。就白色而言，“白点”可以落在对应于由加热到给定温度的黑体辐射体发射的光的颜色的色度点的轨迹上。该轨迹被称为黑体轨迹或BBL。已经发现，在该装置中，ccy坐标在BBL之上的特定增加0.02-0.03可以有助于改进的效率。装置的该效率得到改进，因为在特定的ccy坐标增加下，来自黄绿色磷光体发射的贡献高于黑体曲线的贡献。黄绿色发射具有高磷光体转换效率，并且因此，随着该贡献增加，整体装置效率增加。
在实施例中，白光(输出)可以在BBL上方，并且在距BBL至少5SDCM，优选地至少7SDCM，更优选地至少9SDCM，甚至更优选地至少10SDCM，最优选地至少15SDCM的距离处。所获得的效果是根据本发明的白光发射装置的改进性能。原因是，高质量的白光(输出)用白光中(相对)少量的红光获得。以此方式，(进一步)减少了关于(红色磷光体的)猝灭的问题。
在实施例中，白光(输出)可以具有至少80，优选地至少85，更优选地至少88，最优选地至少90的显色指数。根据本发明的白光发射装置特别适于实现这种高质量的光。
在一些实施例中，基板和蓝色LED芯片串被布置为LED灯丝。为了生成足够的流明输出，需要在基板上的多个蓝色LED芯片，并且对于芯片尺寸和基板材料组合，LED灯丝具有高设计灵活性。在装置中并入含LED灯丝可以模仿白炽灯泡的传统配置，但具有大大改进的效率。在实施例中使用LED灯丝特别有益，因为显著改进了效率，而不需要例如大型散热器。与这些LED灯丝相关联的效率部分地是由于存在多个比传统LED灯丝更小、功率更低的LED芯片。相应地，已经发现，LED灯丝/多个灯丝可以通过较低的驱动电流有助于装置的效率更高。
LED灯丝提供LED灯丝光，并且包括被布置成线性阵列的多个发光二极管(LED)。优选地，LED灯丝具有长度L，并且具有宽度W，其中L＞5W。LED灯丝可以被布置成直线配置或非直线配置(诸如，例如弯曲配置、2D/3D螺旋形或螺旋状)。优选地，LED被布置在细长的载体上，如例如基板，基板可以是刚性的(例如，由聚合物、玻璃、石英、金属或蓝宝石制成)或柔性的(例如，由聚合物或金属(例如，膜或箔)制成)。
在载体包括第一主表面和相对的第二主表面的情况下，LED被被布置在这些表面中的至少一个表面上。载体可以是反射的或透光的，诸如半透明并且优选地透明。
LED灯丝可以包括至少部分地覆盖多个LED中的至少一部分的密封剂。密封剂还可以至少部分地覆盖第一主表面或第二主表面中的至少一个主表面。密封剂可以是聚合物材料，聚合物材料可以是柔性的，例如，诸如硅树脂。此外，LED可以被布置成用于发射LED光，例如，不同的颜色或光谱的光。密封剂可以包括发光材料，发光材料被配置成至少部分地将LED光转换成转换光。发光材料可以是磷光体，诸如无机磷光体和/或量子点或量子棒。
LED灯丝可以包括多个子灯丝。
在一些实施例中，LED灯丝包括蓝宝石基板。已经发现蓝宝石基板特别高效，并且可以帮助向装置提供附加的效率。
装置中的蓝色LED芯片中的每个蓝色LED芯片可以生成在2lm至4lm范围内的输出通量。例如，一个蓝色LED芯片可以向装置贡献大约3lm的通量输出。
在一些实施例中，装置还包括在蓝色LED芯片之上的密封剂，该密封剂包括磷光体材料组合物。密封剂可以帮助将磷光体材料组合物密封在紧邻蓝色LED芯片处。
在一些实施例中，黄绿色磷光体材料包括钇铝石榴石(YAG)、镓改性钇铝石榴石GaYAG或镥改性钇铝石榴石LuYAG。在一些实施例中，窄带红色磷光体材料包括K2SiF6:Mn4+(KSF)。KSF磷光体对高温相对敏感，因为磷光体在升高的温度下易于降解。本发明的一个优点是，由于相对较低的LED芯片输入电流密度，因此LED芯片在白光发射装置的操作期间具有相对较低的温度。
在一些实施例中，对于在4000K至6500K之间的CCT，从480nm至600nm的累积光谱强度比率高于从380nm至780nm的总白色光谱的50％；或者对于在2700K至3500K之间的CCT，从480nm至600nm的累积光谱强度比率高于总白色光谱的45％。
在一些实施例中，蓝色LED芯片尺寸在0.18mm2至0.30mm2的范围内。已经发现，这是装置中蓝色LED芯片有助于实现高效率的最佳尺寸范围。
在一些实施例中，其中装置包括提供在基板上的两个或三个电极。该类型的布置可以被称为两指或三指布局。已经发现，通过以此方式将电极布置在基板上，可以减小正向电压Vf。通常，电极轨道/指的数目越大，Vf越低。然而，在正向电压的减少和禁止光激发的增加之间存在良好的平衡。已经发现提供两个轨道的实施例特别高效。
在一些实施例中，蓝色LED芯片到芯片的距离等于或大于0.4mm。蓝色芯片发射图案是全向的，并且因此，通过使芯片到芯片的距离大于或等于0.4mm，可以大大改进效率。已经发现，在该距离处，相邻芯片的侧向发射蓝光吸收减少。结果，PEwhite增加，这有助于参考等式(1)讨论的装置的整体效率。例如，这可以大于或等于0.4mm并且小于2mm。例如，距离可以在0.4mm至1.0mm、1.0mm至1.5mm或1.5mm至小于2mm的范围内。距离可以是在这些范围内的任何值，例如，0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm或1mm。在一个实施例中，蓝色LED芯片到芯片的距离等于或大于0.5mm。
在第二方面，提供了一种白光发射装置，包括：基板；安装在基板上的至少一串蓝色LED芯片，具有在445nm至460nm范围内的主波长，其中每个蓝色LED芯片与相邻蓝色LED芯片相隔蓝色LED芯片到芯片的距离；以及磷光体材料组合物，包括：黄绿色磷光体材料，其生成具有在520nm至580nm范围内的峰值发射波长的光；以及窄带红色磷光体材料，其生成具有在625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光，其中蓝色LED芯片到芯片的距离等于或大于0.4mm。这可以在从10mA/mm2至60mA/mm2的范围内，优选地在15mA/mm2至40mA/mm2的范围内，并且更优选地在20mA/mm2至30mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
在一些实施例中，对于从4000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包括在从26wt.％至56wt.％的量内的窄带红色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K CCT的CCT，包括在从55wt.％至74wt.％的量内的窄带红色磷光体材料。
已经发现蓝色LED芯片间隔和窄带红色磷光体材料重量百分比的组合在这方面有助于装置的高效率。如上所述，特定的窄带红色磷光体材料重量百分比确定了磷光体材料组合物中的黄绿色磷光体与窄带红色磷光体的比率。而且，当蓝色LED芯片间隔距离大于或等于0.4mm时，另一芯片的侧向发射蓝光吸收减少，并且根据等式(1)，装置的封装效率增加。相应地，已经发现，在所得的黄绿色：窄带红色比率下，当蓝色LED芯片间隔大于或等于0.4mm时，装置的整体效率极高。
在一些实施例中，可以通过优化磷光体配方以增加绿色相对光谱比率，来提高磷光体转换效率(CEphosphor)。由于绿色光谱具有较高的眼敏功能权重百分比，因此计算的流明输出和效率高于正常白色光谱。白色光谱颜色坐标由红色/绿色/蓝色光谱的光谱比率来进行计算。较高的绿色光谱含量将导致LED具有比正常白色光谱相对更高的y坐标。在我们的研究中，在将y坐标移动比在ANSI标准C78.377定义的4000K处的y坐标中的中心高0.011-0.030时，白色LED效率可以具有2-5个百分点的改进。
ANSI标准C78.377是美国国家电灯标准-针对固态照明产品的色度的规范。参考章节4“色度”，使用的色度坐标和相关色温(CCT)值是基于CIE色度系统。而光的色度由色度坐标(诸如(x，y))表示。标称白光的色度也可以由CCT和距普朗克(Planckian)轨迹的距离来进行表示。在本公开中，使用CIE 1961(x-y)图。
较高y坐标色点的覆盖范围可以被描述如下：
0.300<x<0.500；以及
-2.3172x2+2.3653x–0.170<y<-2.3172x2+2.3653x–0.146。
这可以在从10mA/mm2至60mA/mm2，并且优选地在20mA/mm2至30mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
在一些实施例中，所定义的较高y坐标色点覆盖范围可以根据ANSI C78.376由MacAdam椭圆描述。MacAdam椭圆是定义白色色点覆盖范围的通用语言。Macadam椭圆覆盖范围可以利用以下参数来进行定义，包括参考参考点颜色坐标(Reference x，Reference y)、椭圆参数(G11/G12/G22)、SDCM尺寸(K)。由于不同的CCT具有不同的参考点，因此，Macadam椭圆覆盖范围的公式为：
G11*Δx2+2G12*Δx*Δy+G22*Δy2＝1*K
Figure BDA0004113295840000091
Figure BDA0004113295840000092
Figure BDA0004113295840000093
Δx意指椭圆边界点与参考点(Reference x)之间的x方向距离；
Δy意指椭圆边界点与参考点(Reference y)之间的y方向距离。
此外，在实施例中，相关色温(CCT)尤其在距BBL(黑体轨迹)大约15SDCM(颜色匹配的标准偏差)内，尤其在距BBL大约10SDCM内，甚至更尤其在距BBL(黑体轨迹)或黑体曲线大约5SDCM内。
描述MacAdam椭圆覆盖范围的另一种方法是使用SDCM尺寸(K)、椭圆长轴(a)、椭圆短轴(b)、椭圆旋转角(θ)。下面列出了G11/G12/G22与a/b/θ之间的转换公式。
MacAdam椭圆覆盖范围随CCT改变，以下是针对各种CCT范
Figure BDA0004113295840000101
围的较高y坐标色点的示例覆盖范围。
这里，E意指10的指数，例如5.15E+05＝5.15×105。
本文中的术语“发光材料”尤其涉及无机发光材料，其有时也被指示为磷光体。这些术语是本领域技术人员已知的。
在实施例中，量子点可以被应用，并且可以可选地被嵌入在透射矩阵中，如例如，聚合物(如PMMA或聚硅氧烷等)等。量子点是半导体材料的小晶体，通常具有仅几纳米的宽度或直径。当被入射光激发时，量子点发射颜色由晶体的尺寸和材料决定的光。因此可以通过调整点的尺寸来产生特定颜色的光。具有在可见光范围内的发射的大多数已知量子点是基于具有壳的硒化镉(CdSe)，诸如硫化镉(CdS)和硫化锌(ZnS)。也可以使用不含镉的量子点，诸如磷化铟(InP)和硫化铜铟(CuInS2)和/或硫化银铟(AgInS2)。量子点显示出非常窄的发射带，并且因此它们显示出饱和的颜色。此外，可以通过调整量子点的尺寸来容易地调谐发射颜色。在本发明中可以使用本领域中已知的任何类型的量子点。然而，出于环境安全和关注的原因，使用不含镉的量子点或至少具有非常低镉含量的量子点可以是优选的。代替量子点或者除了量子点之外，还可以使用其他量子限制结构。在本申请的上下文中，术语“量子限制结构”应当被理解为例如量子阱、量子点、量子棒、三脚类、四脚类或纳米线等。
特别地，发光材料被配置成将光源光的至少一部分转换成具有发射带的发光材料光，该发射带具有在(a)绿色光谱波长范围和(b)黄光光谱波长范围中的一个或多个波长范围中的波长，其中发光材料包括A3B5O12:Ce类型的(石榴石)发光材料，其中A包括Y、La、Gd、Tb和Lu中的一种或多种，并且其中B包括Al、Ga、In和Sc中的一种或多种。因此，发光材料光可以例如是绿光或黄光(或在特定实施例中，甚至是橙光(取决于石榴石的成分和铈的浓度)。然而，其他实施例也是可能的，见下文。在实施例中，0.05％-10％，甚至更尤其使0.05％-5％，诸如0.1％-5％的A元素包括Ce。特别地，在实施例中，0.1％-3％，诸如高达2％，如选自0.1％-1.5％的范围，诸如至少高于0.5％的A元素包括Ce。
备选地或附加地，发光材料可以例如是M2Si5N8:Eu2+和/或MAlSiN3:Eu2+和/或Ca2AlSi3O2N5:Eu2+等，其中M包括Ba、Sr和Ca中的一种或多种，在实施例中尤其至少包括Sr。在特定实施例中，第一发光体可以包括选自由(Ba,Sr,Ca)S:Eu、(Ba,Sr,Ca)AlSiN3:Eu和(Ba,Sr,Ca)2Si5N8:Eu组成的组中的一种或多种材料。在这些化合物中，铕(Eu)基本上或仅为二价，并且代替所指示的二价阳离子中的一种或多种。一般地，Eu将以不超过阳离子的10％的量存在；相对于它代替的(多个)阳离子，其存在将尤其在大约0.5％至10％的范围内，更尤其在大约0.5％至5％的范围内。术语“:Eu”指示金属离子的一部分被Eu代替(在这些示例中被Eu2+代替)。例如，假设CaAlSiN3:Eu中Eu为2％，则正确的化学式可以是(Ca0.98Eu0.02)AlSiN3。
上述方面中的任何方面可以被单独提供，或与上述实施例中的任何实施例结合提供。
通过参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并且得到阐明。
附图说明
现在将参考附图描述本发明的实施例，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的白光发射装置的示意图。
图2示出了根据本发明的一个实施例的白光发射装置的示意图。
图3A示出了作为装置中的LED灯丝的基板和蓝色LED串，以及
图3B示出了根据本发明的一个实施例的被配置为LED灯丝灯泡的装置。
图4A-图4B分别示出了在白光发射装置的基板上的两个和三个叉指电极轨道。
图5A示出了包括一系列蓝色LED芯片的白光发射装置的效率相对于电流密度的图。
图5B示出了一系列蓝色LED芯片(没有磷光体覆盖在LED芯片之上)的壁式插座效率(WPE)相对于流过这些芯片的电流的电流密度的图。
图6A-图6C示出了包括磷光体材料组合物的装置的相对辐射功率相对于波长的图，该磷光体材料组合物包括：在6A中)仅绿色磷光体；在图6B中)绿色磷光体和宽谱红色磷光体；以及在6C中)绿色磷光体和窄带红色磷光体。
图7A和图7B示出了针对两个不同装置的光谱功率分布；在图7a中)，装置具有在黑体轨迹上的ccy，并且在图7b中)，根据本发明的一个实施例，装置具有比黑体轨迹高大约0.03的ccy；
图8示出了针对不同颜色的人眼敏感函数；
图9和图10示出了所定义的在ANSI C78.377 bin范围之上的较高y颜色坐标覆盖范围；以及
图11示出了MacAdam椭圆的参数。
具体实施方式
在一个方面，提供了一种白光发射装置，包括：基板；安装在基板上的至少一串蓝色LED芯片，具有在从445nm至460nm范围内的主波长；以及磷光体材料组合物，包括：黄绿色磷光体材料，其生成具有在520nm至580nm范围内的峰值发射波长的光；以及窄带红色磷光体材料，其生成具有在625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光；其中对于从4000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包括在从33wt.％至49wt.％的量内的窄带红色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K的CCT，包括在从60wt.％至70wt.％的量内的窄带红色磷光体材料；并且其中装置适于在从10mA/mm2至60mA/mm2范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
在实施例中，装置的磷光体材料组合物中的磷光体材料的重量百分比可以变化，并且取决于期望的CCT。
对于窄带红色磷光体，对于从4000K至6500K的CCT，重量百分比是从26wt.％至56wt.％。例如，重量百分比可以是从33wt.％至49wt.％。在一些实施例中，重量百分比也可以是从44wt.％至54wt.％。在另外的实施例中，对于4000K的CCT，这可以是49％。对于从5000K至6000K的CCT，重量百分比也可以是从33wt.％至43wt.％，并且在另外的实施例中，是38wt.％。对于从2700K至3500K的CCT，窄带红色磷光体的重量百分比是从55wt.％至74wt.％。例如，重量百分比可以是从64wt.％至66wt.％。更具体地，针对对应CCT的窄带红色磷光体材料的重量百分比可以是：对于2700K，在60wt.％至74wt.％之间，并且在另外的实施例中，67wt.％；对于3000K，在55wt.％至69wt.％之间，并且在另外的实施例中，62wt.％；对于4000K，在42wt.％至56wt.％之间，并且在另外的实施例中，49wt.％；并且对于6500K，在26wt.％至40wt.％之间，并且在另外的实施例中，33wt.％。
对于黄绿色磷光体材料，对于从4000K至6500K的CCT，黄绿色磷光体重量材料百分比可以是从44wt.％至74wt.％。对于从2700K至3500K的CCT，黄绿色磷光体材料的重量百分比可以是从22wt.％至45wt.％。
因此，对于4000K的CCT，本发明的实施例中的重量百分比的示例可以是49wt.％的窄带红色磷光体和51wt.％的黄绿色磷光体，并且对于6500K的CCT，可以是33wt.％的窄带红色磷光体和67wt.％的黄绿色磷光体。
宽谱红色磷光体材料的重量百分比可以是从1wt.％至4wt.％。例如重量百分比可以是3wt.％。因此，对于2700K的CCT，根据本发明的一个实施例的包括宽红色磷光体的装置的一个示例可以包括：67wt.％的窄带红色磷光体；30wt.％的黄绿色磷光体和3wt.％的宽谱红色磷光体。对于3000K的CCT，根据本发明的一个实施例的包括宽红色磷光体的另一装置的一个示例可以包括：62wt.％的窄带红色磷光体；35wt.％的黄绿色磷光体和3wt.％的宽谱红色磷光体。
针对装置包括LED灯丝的实施例可以包括以多种方式布置的单个或多个LED灯丝。例如，单个或多个LED灯丝可以被布置成各种形状，诸如灯泡或任何备选壳体形状(诸如立方体、圆柱体或椭圆体)内的(多个)螺旋形、(多个)线圈、(多个)环或(多个)杆。LED灯丝可以包括多种类型的基板，诸如玻璃或陶瓷或蓝宝石。特别地，LED灯丝中的蓝宝石基板可以提供附加的1％-2％的效率增益，由于它们增加的透明度(与玻璃或陶瓷基板相比)，这有助于更多的背侧白光输出。
包括两指或三指布局的实施例可以以各种方式进行布置，并且装置可以包括单个两指或三指布局或多个两指或三指布局。
本发明的实施例中的蓝色LED芯片的尺寸也可以变化。在一些情况下，尺寸在0.18mm2-0.30mm2之间。在一些实施例中，芯片的尺寸是0.2mm2。
将参考附图描述本发明。图1中示出了本发明的第一实施例。白光发射装置1包括安装在基板3上的蓝色LED芯片2。包括黄绿色磷光体材料4和窄带红色磷光体材料5的磷光体材料组合物被沉积在蓝色LED芯片2之上。该装置的蓝色LED芯片2和磷光体材料组合物通过密封剂7被密封在装置的内部。提供布线6以连接蓝色LED 2。
在图1的实施例的一个特定实施方式中，装置具有4000K的CCT，并且磷光体材料组合物包括49wt.％的窄带红色磷光体5和51wt.％的黄绿色磷光体4。
图2中示出了本发明的另一实施例。白光发射装置101包括安装在基板103上的蓝色LED芯片102。磷光体材料组合物包括：沉积在蓝色LED芯片102之上的黄绿色磷光体材料104、窄带红色磷光体材料105和宽谱红色磷光体材料108。该装置的蓝色LED芯片102和磷光体材料组合物通过密封剂107被密封在装置的内部。提供布线106以连接蓝色LED 102。
在图2的实施例的一个特定实施方式中，装置具有2700K的CCT，并且该实施例的磷光体材料组合物包括：67wt％的窄带红色磷光体、30wt％的黄绿色磷光体和3wt％的宽谱红色磷光体。
图3A示出了白光发射装置的LED灯丝200。LED灯丝200包括基板203和蓝色LED芯片202的串。蓝色LED芯片202的串被安装在基板203上。每个蓝色LED芯片202具有0.18mm2至0.30mm2的尺寸，并且与相邻蓝色LED芯片202相隔至少0.4mm的距离d。
图3B示出了本发明的另一实施例，其中白光发射装置204包括图3A的LED灯丝200中的四个LED灯丝。在备选实施例中，可以使用不同数目的LED灯丝。尽管未被描绘，但装置204还包括磷光体材料组合物，该磷光体材料组合物包括沉积在蓝色LED芯片016之上的黄绿色磷光体材料和窄带红色磷光体材料。如图3b中所示，其示出了布置在灯泡形状的壳体中的多个LED灯丝200，以模仿传统白炽灯泡的外观。基板203是蓝宝石基板。
备选地，在不同的实施例中，图3A和图3B的装置3包括备选磷光体材料组合物，该备选磷光体材料组合物包括：黄绿色磷光体材料、窄带红色磷光体材料以及宽谱红色磷光体材料，它们被沉积在蓝色LED芯片之上。装置具有2700K的CCT，该实施例的磷光体材料组合物物包括：67wt％的窄带红色磷光体、30wt.％的黄绿色磷光体和3wt.％的宽谱红色磷光体。
图4A示出了在白光发射装置300的基板302上布置为两个叉指细长轨道310的两个电极。电极轨道的该布置被称为两指布局。两个焊接垫311被布置在基板302上，并且连接到叉指电极轨道310。备选地，图4B示出了在白光发射装置400的基板402上布置为三个叉指细长轨道410的三个电极。该布置被称为三指布局。两个焊接垫411被布置在基板402上，并且连接到叉指电极轨道410。在实施例中，白光发射装置可以包括图4A和图4B的两指布局300或三指布局400。这种装置300和400还可以包括安装在基板上的蓝色LED芯片。包括黄绿色磷光体材料和窄带红色磷光体材料的磷光体材料组合物被沉积在蓝色LED芯片之上。装置具有4000K的CCT，这些实施例的磷光体材料组合物包括49wt.％的窄带红色磷光体和51wt.％的黄绿色磷光体。
图5A示出了包括一系列蓝色LED芯片的白光发射装置在施加电流密度时的效率曲线。通过实验已经发现，根据该发明的实施例，给出装置的最佳效率的施加电流密度的范围在10mA/mm2-60mA/mm2之间，并且优选地在20mA/mm2-30mA/mm2之间，并且在一些实施例中，其是25mA/mm2。在该范围之后，装置的效率下降。在与本文公开的特定磷光体材料组合物和/或其他效率改进一起使用的情况下，已经发现效率在该电流密度处可以出人意料地进一步改进以提供增加的lm/W输出。图5B示出了在施加的电流密度处，(没有磷光体覆盖在LED芯片之上的)蓝色LED芯片的系列的壁式插座效率(WPE)曲线。可以看出，与图5A中的曲线相比，当电流密度增加超过峰值时，(蓝色LED芯片的)WPE比(白光发射装置的)效率减小得慢得多，例如，在图5A中，大约10mA/mm2和60mA/mm2两者达到230lm/W，但是在图5B中，60mA/mm2的WPE高于10mA/mm2的WPE，间隙为G。效率相对于白光发射装置中的电流密度的这种快速减小的原因是窄带红色磷光体材料(例如，KSF磷光体)的热敏感性。根据本公开的磷光体组合物和特定电流密度的设置的组合共同促进高达230lm/W的增加的lm/W输出。
图6A示出了不是根据本发明的装置的光谱功率分布，其在磷光体材料组合物中仅包括黄绿色磷光体材料。仅使用黄绿色磷光体材料可以实现相对高的效率，但这不利于显色指数。图6B示出了不是根据本发明的装置的光谱功率分布，该装置包括磷光体材料组合物，该磷光体材料组合物包括绿色磷光体材料和宽红色磷光体材料两者。与图6A中所示的装置的分布相比，显色指数性质被改进。图6C示出了根据本发明的装置的光谱功率分布，该装置在磷光体材料组合物中具有绿色磷光体和窄带红色磷光体。在该实施例中，装置的显色指数性质得到很大改进，并且红色的辐射粉末看起来比其他两个装置高得多。
辐射功率以瓦特为单位进行测量，并且被定义为从光源发出的光的量，而与光在每个波长下的发射方向无关。在实施例中，使用连接到积分球的分光光度计或光谱辐射计实施辐射功率测量。
图7A示出了对于4000K的CCT，不是根据本发明的一个实施例的装置的光谱功率分布。图7B示出了根据本发明的一个实施例的装置的光谱功率分布。由于在4000K的CCT下，在特定磷光体重量百分比范围内并入了窄带红色磷光体，因此可以看出该装置具有高得多的效率。
装置内的磷光体材料组合物的示例
以下是根据本发明的实施例的装置的示例，具有如图5A中所示的电流密度和所得效率。
表1
Figure BDA0004113295840000181
这些示例包括针对给定CCT的，装置中窄带红色磷光体材料的优选量。已经发现，磷光体材料组合物内的窄带红色磷光体与黄绿色磷光体的所得比率，在特定范围内的低蓝色LED芯片输入电流密度处，表现出最高的装置效率。由于如参考等式(1)所述的磷光体转换效率的增加，这有助于整体装置效率。
通过将其他上述特征(诸如LED灯丝、大于0.4mm的蓝色LED芯片间隔和两指布局(除了表1中的优选窄带红色磷光体材料重量百分比之外))并入到装置中，装置的效率可以被进一步改进到230lm/W以上。这是由于如参考等式(1)讨论的壁式插座效率和封装效率的对应增加。
相应地，已经发现，在表1中给出的特定重量百分比的情况下，包括：0.2mm2的芯片尺寸；两指布局；大于0.5mm的芯片间隔，以及在0.025A/mm2下的蓝色LED芯片的输入电流密度的装置可以具有最高最大白色LED效率点。
这些示例包括针对给定CCT的装置中窄带红色磷光体材料的优选量。已经发现，磷光体材料组合物内的窄带红色磷光体与黄绿色磷光体的所得比率，在特定范围内的低蓝色LED芯片输入电流密度处，表现出最高的装置效率。由于如参考等式(1)所述的磷光体转换效率的增加，这有助于整体装置效率。
通过将其他上述特征(诸如LED灯丝、大于0.4mm的蓝色LED芯片间隔和两指布局(除了表1中的优选窄带红色磷光体材料重量百分比之外))并入到装置中，装置的效率可以被进一步改进到230lm/W以上。这是由于如参考等式(1)讨论的壁式插座效率和封装效率的对应增加。
图8示出了针对不同颜色的人眼敏感函数。与红色或蓝色相比，绿色光谱具有最高的权重百分比。
图9和图10示出了所定义的在ANSI C78.377 bin范围之上的较高y颜色坐标覆盖范围，以在白色中获得更高的效率。“bin范围”指代在ANSI C78.377的附件A“七步四边形”中定义的SSL产品的色度规范。在图9中，CIE 1931图显示了具有比ANSI C78.377 bin范围更高的ccy坐标的上限和下限颜色范围。在图10中，CIE 1931图显示了根据ANSI标准C78.376的MacAdam椭圆范围的示例，该MacAdam椭圆范围具有比ANSI C78.377 bin范围高的ccy坐标。
图11示出了Macadam椭圆的参数a/b/θ。
通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实施所要求保护的发明时，可以理解和实现对所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。
在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的纯粹事实不指示这些措施的组合不能被有利地使用。
如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应当注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置成”。
权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种白光发射装置，包括：
基板；
至少一串蓝色LED芯片，被安装在所述基板上，具有在从445nm至460nm范围内的主波长；以及
磷光体材料组合物，包括：
黄绿色磷光体材料，生成具有在520nm至580nm范围内的峰值发射波长的光；以及
窄带红色磷光体材料，生成具有在625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光；
其中对于从4000K至6500K的CCT，所述磷光体材料组合物包括在从33wt.％至49wt.％的量内的所述窄带红色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K的CCT的CCT，所述磷光体材料组合物包括在从60wt.％至70wt.％的量内的所述窄带红色磷光体材料；并且
其中所述装置适于在从10mA/mm2至60mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述蓝色LED芯片输入电流密度在20mA/mm2至30mA/mm2的范围内。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中对于从5000K至6500K的CCT，磷光体材料组合物包括在从33wt.％至43wt.％的量内的所述窄带红色磷光体材料。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其中对于从4000K至6500K的CCT，所述磷光体材料组合物包括在从44wt.％至74wt.％的量内的所述黄绿色磷光体材料，或者对于从2700K至3500K的CCT，所述磷光体材料组合物包括在从22wt.％至45wt.％的量内的所述黄绿色磷光体材料。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其中对于从4000K至6500K的CCT，所述磷光体材料组合物包括在从51wt.％至67wt.％的量内的所述黄绿色磷光体材料，并且包括在从33wt.％至49wt.％的量内的所述窄带红色磷光体材料。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，
其中，对于在2700K至3500K之间的CCT，所述磷光体材料组合物还包括宽谱红色磷光体材料；并且
其中，对于在2700K至3500K之间的CCT，所述磷光体材料组合物包括：
在从1wt.％至4wt.％的量内的所述宽谱红色磷光体材料；
在30wt.％至35wt.％的量内的所述黄绿色磷光体材料；以及
在从64wt.％至67wt.％的量内的所述窄带红色磷光体材料。
7.一种白光发射装置，包括：
基板；
至少一串蓝色LED芯片，被安装在所述基板上，具有在从445nm至460nm范围内的主波长；以及
磷光体材料组合物，包括：
黄绿色磷光体材料，生成具有在520nm至580nm范围内的峰值发射波长的光；以及
窄带红色磷光体材料，生成具有在625nm至635nm范围内的峰值发射波长的光；
其中所述装置适于在从10mA/mm2至60mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出，并且其中相对于ANSI标准C78.377中的附件A的7步四边形中定义的SSL产品的色度规范，所述白光输出的色点(x，y)在以下范围内：
0.300<x<0.500；并且
-2.3172x2+2.3653x-0.170<y<-2.3172x2+2.3653x–0.146；
其中x和y是根据CIE 1931色图的色度坐标。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述白光输出的所述色点的范围在黑体轨迹上方，并且在距所述黑体轨迹至少5SDCM，优选地至少7SDCM，更优选地至少9SDCM，最优选地至少10SDCM的距离处。
9.根据权利要求7至8中任一项所述的装置，其中所述装置适于在从15mA/mm2至40mA/mm2的范围内并且优选地在从20mA/mm2至30mA/mm2的范围内的蓝色LED芯片输入电流密度处，以至少230lm/W的效率生成白光输出。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中所述白光输出的ccy位置在比所述黑体曲线高0.02-0.03的范围内。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的装置，其中所述基板和所述蓝色LED芯片的串被布置为LED灯丝。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述黄绿色磷光体材料包括YAG、GaYAG或LuYAG；并且其中所述窄带红色磷光体材料包括K2SiF6:Mn4+。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的装置，
其中对于4000K至6500K之间的CCT，从480nm至600nm的累积光谱强度比率高于从380nm至780nm的总白色光谱的50％；或者
其中对于2700K至3500K之间的CCT，从480nm至600nm的所述累积光谱强度比率高于所述总白色光谱的45％。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中所述蓝色LED芯片的尺寸在0.18mm2至0.30mm2的范围内。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中所述蓝色LED芯片到芯片的距离等于或大于0.4mm。
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