CN117501463A - 高发光效率磷光体转换的白光发光二极管 - Google Patents

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Abstract

一种白光发光装置，包括：产生波长从420nm到480nm的激发光的发光二极管(light‑emitting diode，LED)；以及产生峰值发射波长为500nm至650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包含宽带磷光体和峰值发射波长为628nm至640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体。所述装置产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的一般显色指数CRI Ra和对于选定色温从0.0060到0.0170的Duv(Delta u,v)的白光，并且所述装置具有至少320lm/Wopt的辐射发光效率(Luminous Efficacy of Radiation，LER)。

Description

高发光效率磷光体转换的白光发光二极管
相关申请的交叉引用
本申请要求2021年6月4日提交的美国临时专利US63/197,311的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明实施例涉及用于高发光效率磷光体转换的白光发光二极管(light-emitting diodes，LEDs)，其一般显色指数(General Color Rendering Index，CRI Ra)约为80或更高。更具体地，本发明涉及具有至少320lm/Wopt的辐射发光效率(LER)的白光LEDs，但不限于此。
背景技术
白光发光二极管(light-emitting diodes，LEDs)(又称为“白光LED”)包括一种或多种光致发光材料(通常为无机磷光体材料)，其吸收LED发射的一部分蓝光，并重新发射不同颜色(波长)的可见光。由LED产生的蓝光中未被磷光体材料吸收的部分与磷光体发出的光结合，形成了在人眼看来是白色的光。由于白光LED的工作寿命较长(>50000小时)以及发光效率高，因此白光LED正在迅速取代传统的荧光灯、紧凑型荧光灯和白炽灯。
发光效率是衡量光源产生可见光能力的标准，是光通量与功率的比率，单位为流明每瓦(lumens per watt，lm/W)。功率可以是光源产生的光的辐射功率，也可以是光源消耗的电功率。当功率为辐射功率时，发光效率称为辐射发光效率(Luminous Efficacy ofRadiation，LER)，通常简称为发光效率(Luminous Efficacy，LE)，单位为lm/Wopt。当功率是电功率时，发光效率称为光源的整体发光效率(Overall Luminous Efficacy，OLE)或光源的发光效率，单位为lm/Wdc。
在过去15年中，白光LED光源的OLE的提高依赖于蓝光LED芯片效率、磷光体效率和封装光提取效率的提高。在过去15年到现在，OLE从60lm/Wdc稳步增加到200lm/Wdc(LER～300lm/Wopt)。然而，蓝色LED芯片和磷光体的效率几乎已经达到极限，没有进一步提高的前景。
随着LED照明的广泛普及，人们对白光LED光源的需求不再局限于高发光效率和低成本，同时也要求高的光质量。光源的一般显色指数(CRI)，也称为CRI Ra，目前被广泛用于表示LED光源的光质量。在整个说明书中，“CRI”和“CRI Ra”指的是一般显色指数，并且这两个术语可以互换使用。CRI Ra表征了光源呈现物体真实颜色的忠实程度，它基于光源对八个颜色测试样品(R1到R8)的照明效果与参考光源所提供的照明效果的比较。一般来说，数值越高，表明其接近黑色辐射体/自然阳光。一般CRI Ra是柔和颜色样本(低饱和度颜色R1“浅灰红色”到R8“红紫色”)的平均值，可用于衡量白炽光源光输出的细微差异，因为白炽灯光源本质上产生的光与阳光具有相似的连续光谱。然而，对于光谱由峰值组成的白光LEDs，一般CRI Ra可能被证明是不充分的，因为它是在有限的颜色范围内的显色性的平均测量，并没有给出对于特定颜色或高度饱和颜色的照明光源性能的信息。因此，当表征白色LED光源时，应当考虑CRI颜色样本R9至R12(饱和颜色“饱和红色”、“饱和黄色”、“饱和绿色”、“饱和蓝色”)和R13至R15(“浅肤色”、“叶绿色”、“中等肤色”)以便对光的质量进行更有意义的表征。在LED照明行业，指定CRI Ra和CRI R9(饱和红光)的值作为白光LED产生的光质量的衡量标准已成为一种普遍的做法。
为了增加CRI Ra和CRI R9，通常会使用橙色至红色发光磷光体。合适的磷光体材料包括铕激活氮化物，例如(Ba，Sr)2Si5N8：Eu2+(2：5：8)和(Ca，Sr)AlSiN3：Eu2+(CASN)。然而，这些磷光体虽然被普遍使用，但是这些磷光体具有一些缺点，因为它们的发射光谱很宽(半峰全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)，约为75～85nm)，且发射光谱的很大一部分波长大于650nm，人眼对这部分光谱不敏感，这显著降低了基于此类磷光体的白光LEDs的发光效率(LER)。最近，还加入了窄带红色磷光体，例如锰激活硅酸钾氟化物磷光体，以缓解该问题并将LER提高到约300lm/Wopt。
本发明旨在将磷光体转换白光LED的辐射发光效率(LER)提高到至少320lm/Wopt，同时保持CRI Ra至少为80。
发明内容
本发明的实施例涉及高发光效率磷光体转换的白光发光二极管(light-emittingdiodes，LEDs)，其中辐射发光效率(Luminous Efficacy of Radiation，LER)已优化，以增加LED的整体发光效率(Overall Luminous Efficacy，OLE)。更具体地，本发明的实施例涉及具有至少320lm/Wopt的LER的磷光体转换的白光LEDs。
根据本发明的一个实施例，一种白光发光装置，包括：产生波长从420nm到480nm的激发光的LED；以及产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体。所述装置产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的一般显色指数(General Color Rendering Index，CRI Ra)和对于该选定色温从0.0060到0.0170的色偏差值(Duv)的白光，并且所述装置具有至少320lm/Wopt的辐射发光效率(LuminousEfficacy of Radiation，LER)。众所周知，Duv(Delta u,v)是测试光源到黑体轨迹上最近点之间的色度坐标uv的欧几里德差值，其定义见《ANSI_NEMA_ANSLG C78.377-2008：美国电灯国家标准-固态照明产品色度规范》。Duv是在1976年国际照明委员会(CoherentInfrared Energy，CIE)u,v色度图上给定相关色温(CCT)的光的色点与黑体辐射的普朗克轨迹(黑体轨迹或曲线)沿着iso-CCT线(恒定色温线)的距离的度量。正Duv值表示色点在黑体轨迹之上(即，在1931CIE x,y色度图上，CIE y大于黑体轨迹的CIE y值)，具有从黑体轨迹偏黄/偏绿的颜色偏移。负值则表示色点在黑体轨迹之下(即，在1931CIE x,y色度图上，CIE y小于黑体轨迹的CIE y值)，具有从黑体轨迹偏粉红色的颜色偏移。
在一些实施例中，当所述选定色温约为2700K时，该装置的LER至少为360lm/Wopt；当所述选定色温约为3000K时，该装置的LER至少为355lm/Wopt；当所述选定色温约为4000K时，该装置的LER至少为350lm/Wopt；以及当所述选定色温约为6500K时，该装置的LER至少为320lm/Wopt。
在一些实施例中，白光发光装置产生的白光的CRI R8至少为72。
在一些实施例中，白光发光装置包括单层光致发光结构，所述单层光致发光结构包括覆盖所述LED的光致发光层，并包括所述宽带磷光体和所述锰激活窄带红色氟化物磷光体。
在一些实施例中，白光发光装置包括双层光致发光结构，所述双层光致发光结构包括：第一光致发光层，所述第一光致发光层覆盖所述LED的发光面并由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成；以及第二光致发光层，所述第二光致发光层包括所述宽带磷光体，其中所述第二光致发光层封装所述第一光致发光层。
为了增加白光发光装置的OLE，所述LED可在从20mA/mm2到120mA/mm2的电流密度(每平方毫米LED芯片的电流)下工作。
在一些实施例中，所述锰激活窄带红色氟化物磷光体包括K2SiF6：Mn4+、K2TiF6：Mn4+和K2GeF6：Mn4+中的至少一种。
所述宽带磷光体可包括宽带绿色至黄色磷光体、宽带橙色至红色磷光体以及宽带绿色至黄色和橙色至红色磷光体的组合。有利地，所述宽带绿色至黄色磷光体包括钇铝石榴石磷光体或镥铝石榴石磷光体。所述宽带橙色到红色磷光体可以包括钙铝硅氮化物磷光体。
根据本发明的一个方面，一种白光发光装置，包括：产生波长从420nm到480nm的激发光的LED以及产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体。所述装置产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的CRI Ra和对于选定色温从0.0060到0.0170的CIE 1976Duv的白光，并且所述装置具有至少210lm/Wdc的OLE(整体发光效率)。
在一些实施例中，当所述选定色温为约2700K时，该装置具有至少210lm/Wdc的OLE；当所述选定色温为约3000K时，该装置具有至少220lm/Wdc的OLE；当所述选定色温为约4000K时，该装置具有至少225lm/Wdc的OLE；以及当所述选定色温为约6500K时，该装置具有至少220lm/Wdc的OLE。
在一些实施例中，所述白光发光装置产生的白光的CRI R8至少为72。
在一些实施例中，所述白光发光装置包括单层光致发光结构，所述单层光致发光结构包括覆盖LED的光致发光层，并包括所述宽带磷光体和所述锰激活窄带红色氟化物磷光体。
在一些实施例中，所述白光发光装置包括双层光致发光结构，所述双层光致发光结构包括：第一光致发光层，所述第一光致发光层覆盖所述LED的发光面并由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成；以及第二光致发光层，所述第二光致发光层包括所述宽带磷光体，其中所述第二光致发光层封装所述第一光致发光层。
为了增加白光发光装置的OLE，LED可在20mA/mm2至120mA/mm2的电流密度(每平方毫米LED芯片的电流)下工作。
在一些实施例中，所述锰激活窄带红色氟化物磷光体包括K2SiF6：Mn4+、K2TiF6：Mn4+和K2GeF6：Mn4+中的至少一种。
光致发光材料组合物可包括宽带绿色至黄色和宽带橙色至红色磷光体的组合。有利地，宽带绿色至黄色磷光体包括钇铝石榴石磷光体或镥铝石榴石磷光体。所述宽带橙色到红色磷光体可以包括钙铝硅氮化物磷光体。
本发明特别适用于LED灯丝。根据本发明的实施例，所述LED灯丝包括：具有正面的至少部分透光的基板；所述基板的所述正面上的LED芯片的线性阵列，其产生波长从420nm到480nm的激发光；以及产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体。所述LED灯丝产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的CRIRa和对于选定色温从0.0060到0.0170的Duv的白光，并且所述装置具有至少210lm/Wdc的OLE(整体发光效率)。
在一些实施例中，当所述选定色温约为2700K时，LED灯丝的OLE至少为210lm/Wdc；当所述选定色温约为3000K时，LED灯丝的OLE至少为220lm/Wdc；当所述选定色温约为4000K时，LED灯丝的OLE至少为225lm/Wdc；以及当所述选定色温约为6500K时，LED灯丝的OLE至少为220lm/Wdc。
在一些实施例中，所述LED灯丝可包括位于所述基板的所述正面上的双层光致发光结构，所述双层光致发光结构包括：由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成的第一光致发光层，所述第一光致发光层为封装所述基板上每个LED芯片的连续不间断细长带；以及包括所述宽带磷光体的第二光致发光层，所述第二光致发光层是封装第一光致发光层的连续不间断的细长带。
所述基板可包括玻璃、陶瓷材料、蓝宝石或塑料材料，如聚丙烯、硅树脂或丙烯酸蓝宝石。
为了增加LED灯丝的OLE，LED芯片的线性阵列可在20mA/mm2至120mA/mm2的电流密度(每平方毫米LED芯片的电流)下工作。
在一些实施例中，所述锰激活窄带红色氟化物磷光体包括K2SiF6：Mn4+、K2TiF6：Mn4+和K2GeF6：Mn4+中的至少一种。
所述宽带磷光体可包括宽带绿色至黄色磷光体、宽带橙色至红色磷光体以及宽带绿色至黄色和橙色至红色磷光体的组合。有利地，所述宽带绿色至黄色磷光体包括钇铝石榴石磷光体或镥铝石榴石磷光体。所述宽带橙色到红色磷光体可以包括钙铝硅氮化物磷光体。
附图说明
对于本领域的普通技术人员来说，通过结合附图对本发明的具体实施方案的以下描述，本发明的这些和其他方面以及特征将变得显而易见，其中：
图1a为根据一些实施例的高发光效率封装白光发光装置的剖面示意图，其包括单层光致发光材料结构；
图1b为根据一些实施例的高发光效率封装白光发光装置的剖面示意图，其包括双层光致发光材料结构；
图1c和1d为根据一些实施例的高发光效率封装白光发光装置的剖面示意图，其包括利用芯片级封装(Chip Scale Packaged，CSP)LED芯片的双层光致发光材料结构；
图2a和2b为根据一些实施例的高发光效率板上芯片(Chip On Board，COB)白光发光装置的平面示意图和示意性剖面侧视图，其包括单层光致发光材料结构；
图2c至2e为根据一些实施例的高发光效率COB白光发光装置的示意性横剖面侧视图，其包括双层光致发光材料结构；
图3a、3b、3c和3d分别示出了根据一些实施例的包括单层光致发光材料结构的高发光效率LED灯丝的示意性B-B侧剖面图、局部剖面图、放大的B-B侧剖面图和C-C端剖面图；
图4a、4b、4c和4d分别示出了根据一些实施例的高发光效率LED灯丝的示意性A-A侧剖面图、局部剖面图、放大的A-A侧剖面图和B-B端剖面图，其包括双层光致发光材料结构；
图5为SMD 5630封装的功率转换效率(Wall Plug Efficiency，WPE)对正向驱动电流IF(mA)的关系图；
图6为2700K白光发光装置(i)Dev.1(粗实线)和(ii)Com.1(虚线)其相对强度随波长(nm)变化的发射光谱；
图7为4000K白光发光装置(i)Dev.2(粗实线)和(ii)Com.2(虚线)其相对强度随波长(nm)变化的发射光谱；
图8为6500K白光发光装置(i)Dev.3(粗实线)和(ii)Com.3(虚线)其相对强度随波长(nm)变化的发射光谱；以及
图9为显示了由(i)Dev.1和Com.1(菱形符号)，(ii)Dev.2和Com.2(正方形符号)，以及(iii)Dev.3和Com.3(三角形符号)产生的光的色点的CIE 1931x,y色度图。
具体实施方式
现将参照附图对本发明的实施例进行详细描述，提供附图作为本发明的说明性示例，以便本领域技术人员能够实施本发明。值得注意的是，下面的附图和示例并不意味着将本发明的范围限制到单个实施例，而是可以通过交换部分或全部所描述或示出的元件来实现其他实施例。如果本发明的某些要素可以部分或全部使用已知元件实现，则仅描述这些已知元件中对理解本发明所必需的部分，而省略对这些已知元件其他部分的详细描述，以免模糊本发明。在本说明书中，示出单一组件的实施例不应被认为是限制性的；相反，本发明旨在涵盖包括多个相同组件的其他实施例，反之亦然，除非在此明确说明。此外，申请人不打算将说明书或权利要求中的任何术语赋予不常见或特殊的含义，除非有明确规定。此外，本发明包括这里通过举例说明的方式提及的已知组件的现在和将来的已知等同物。
在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的特征。
如本文所述，随着LED照明的日益普及，对白光LED光源的需求不再局限于高发光效率和低成本，同时也要求高的光质量。例如，美国能源之星，Title 24和欧洲国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)LED照明标准为不同的照明应用设定了最低CRI标准。例如，能源相关产品(Energy Related Products，ERP)标准A类要求光源(灯)的整体发光效率(Overall Luminous Efficacy，OLE)为210lm/Wdc，最小CRI至少为80。考虑到电源损耗、灯的热和光损耗，这可能需要白光LED光源具有约220lm/Wdc的整体发光效率(OLE)。本发明的实施例寻求优化LER以获得至少220lm/Wdc的OLE。
根据色度和磷光体理论分析，对于给定的磷光体材料体系，光源的一般CRI Ra和发光效率呈现反比关系。例如，对于CCT为3000K，CRI分别为80和CRI 90的白色LEDs，使用不同波长的LuAG绿色磷光体和相同的红色氮化物磷光体，CRI 80LED的发光效率高约15％。这种发光效率的差异与磷光体的量子效率无关，而是由于两种光谱之间的内在差异造成的。
发光效率
如本文所述，磷光体转换白光LED(装置)的整体发光效率(OLE)为装置产生的光通量(luminous flux，lm)与装置消耗的电功率(Wdc)之比，由下式给出：
OLE＝WPE×CE
其中，WPE为LED的功率转换效率(Wall-Plug Efficiency)，CE为磷光体转换效率(Conversion Efficacy)。
LED芯片的WPE或辐射效率(Radiant Efficiency，RE)是指LED芯片将电能转化为辐射(光)能的效率，定义为LED芯片产生的蓝光辐射通量，功率(Wblue)，与施加到LED芯片的直流电功率(Wdc)之比。CE是磷光体将LED芯片产生的辐射通量，功率(Wblue)转换成光通量(lm)的效率，定义为装置产生的光通量(lm)与LED芯片产生的辐射通量，功率(Wblue)的比值。
转换效率(CE)由下式给出：
CE＝LER×QE×SE
其中LER是辐射的发光效率(Luminous Efficacy of Radiation)，QE是量子效率(Quantum Efficiency)，SE是斯托克斯效率(Stokes Efficiency)。LER用来衡量装置产生可见光(lm)的能力，并被定义为装置产生的光通量(lm)与装置产生的辐射通量，功率(Wwhite)的比率。QE是装置将LED芯片产生的辐射通量转换成装置产生的辐射通量的转换效率的量度，并且通过将白光光子(Phwhite)除以LED芯片产生的蓝光光子(Phblue)来计算。QE包括磷光体量子效能、来自磷光体以及其他材料(例如器件封装)的散射损耗。SE的计算方法是将白光光子能量(Ewhite)除以蓝光光子能量(Eblue)。
从上述关系中应注意，整体发光效率(OLE)表面上可通过优化WPE、LER、QE和/或SE来优化。然而，SE主要依赖于色温，几乎没有改善OLE的潜力。因此，优化OLE的最佳方式是优化WPE、LER和QE。特别地，尽管并非唯一，本发明通过选择磷光体及其光致发光波长转换的相对比率、选择由该装置产生的白光的光谱和色度来优化LER，和/或通过例如对LED芯片的电驱动不足来优化WPE，从而优化OLE。
根据本发明的实施例，高发光效率装置包括产生波长从420nm到480nm的激发光的LED以及产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长为从628nm到640nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体。所述装置被配置成产生具有从2200K到6500K的选定色温和对于该选定色温从0.0060到0.0170的Duv的白光。应当理解，通过配置该装置以产生具有正Duv的光，即CIE y值高于黑体轨迹，使得该装置具有至少320lm/Wopt的LER(辐射发光效率)。Duv的值可以通过选择宽带绿色到黄色磷光体占总红色磷光体(宽带橙色到红色+窄带红色磷光体)的比率来配置。
高发光效率封装白光发光装置
图1a至1d为根据本发明实施例的高效封装白光发光装置110a至110d的示意图。器件110具有至少320lm/Wopt的发光效率(LER)，并且被配置成产生具有从2200K到6500K的CCT(相关色温)和至少80的一般CRI Ra的白光。
装置110可包括一个或多个蓝光发光InGaN/GaN基(氮化铟镓/氮化镓)LED芯片(晶片)112，其被封装在封装114中。一个或多个LED芯片产生主波长从420nm到480nm，更典型地从445nm到465nm的蓝色激发光。该封装可以例如包括表面贴装器件(Surface MountableDevice，SMD)，例如SMD 2835(2.8mm×3.5mm空腔)LED封装，该封装分别包括上主体部分116和下主体部分118。上主体部分116限定了一个空腔(凹槽)120，其被配置为容纳一个或多个LED芯片112。该封装还包括底座上的电触点122、124，其电连接到空腔120的底板上的相应电极接触焊盘126、128。为了增强器件的发射亮度，空腔120的侧壁是倾斜的，并且包括光反射表面。
如图1a所示，LED芯片112可安装在位于空腔120底部的导热垫130上。导热垫130可以热连接到封装底座上的导热垫(未示出)。LED芯片的电极焊盘通过焊线132、134电连接到相应的电极接触焊盘126、128。在替代实施例中，LED芯片112可以包括倒装芯片(flip-chip)。如图1a所示，空腔120完全填充有光致发光材料136，该光致发光材料136包括透光光学密封剂，例如光学透明硅胶，其填充有磷光体材料的混合物，使得LED芯片112的暴露表面被磷光体/密封剂材料混合物覆盖。由于磷光体材料136由单层组成，光致发光材料结构被称为“单层”光致发光材料结构。根据本发明的实施例，磷光体可以包括i)宽带绿色到黄色磷光体，ii)宽带橙色到红色磷光体，以及iii)窄带红色磷光体(锰激活氟化物磷光体)。总的来说，宽带绿色到黄色和宽带橙色到红色磷光体将被称为宽带绿色到红色磷光体(光致发光)材料。下面给出了合适的宽带绿色到黄色、宽带橙色到红色和窄带红色磷光体的例子。
图1b是包括“双层”光致发光材料结构的高发光效率封装白光发光装置110b的剖面示意图。在本实施例中，光致发光材料结构包括相应的第一和第二光致发光材料层138b、140。第一光致发光层138b邻近并封装LED芯片112，并且就光致发光材料而言，其仅包括窄带红色磷光体(锰激活氟化物磷光体)。如图所示，第一光致发光层138b通常可以是半球形(圆顶形)。第二光致发光层140封装第一光致发光层138b，并且包括宽带绿色到黄色和宽带橙色到红色磷光体的混合物。如图1b所示，LED芯片112可以是倒装芯片。可以通过首先将第一光致发光层138b沉积到LED芯片112上，然后用另一种光致发光材料填充空腔120以形成第二光致发光层452来制造白光发光装置110b。与单层光致发光结构(例如图1a的白光发光装置)相比，双层光致发光结构可以提高量子效率(Quantum Efficiency，QE)，这将提高转换效率(Conversion Efficiency，CE)，从而提高器件的整体发光效率(OLE)。在磷光体作为混合物提供的单层光致发光结构中，每种磷光体材料对激发光具有相等的曝光度。由于锰激活氟化物磷光体材料通常具有比其它类型的磷光体(例如，黄色到绿色石榴石基磷光体)低得多的蓝光吸收能力，所以需要更大量的锰激活氟化物磷光体才能将足够的蓝光转换成所需的窄带红光发射。相比之下，在双层光致发光结构中，在其独立的单层138中的锰激活氟化物磷光体材料单独暴露在蓝色激发光下；因此，来自蓝色LED芯片的更多蓝色激发光可被锰激活氟化物磷光体材料吸收，而不会与单独位于第二光致发光层140中的宽带磷光体竞争，从而提高了CE。此外，与单层光致发光结构相比，实现目标色点所需的锰激活氟化物磷光体的量/用量可显著减少(高达60％)，从而显著降低了制造成本，因为锰激活氟化物磷光体比宽带绿色到黄色和宽带橙色到红色磷光体贵许多倍。
图1c和1d为高发光效率封装白光发光装置的剖面示意图，其包括利用芯片级封装(Chip Scale Packaged，CSP)LED芯片的双层光致发光材料结构。在这些实施例中，第一光致发光层138c、138d包括至少施加到LED芯片112的主发光面的厚度基本均匀的层。如图1c所示，LED芯片112具有仅施加到其顶部(主)发光面的均匀厚度的第一光致发光层138c。如图1d所示，LED芯片112具有均匀厚度的第一光致发光层138d，其被施加到顶部发光面和四个侧面发光面，其形式为敷形涂层。图1c和1d的发光装置可以通过首先将第一光致发光层138c、138d施加到LED芯片112的发光面来制造，例如使用包括窄带红色磷光体材料的均匀厚度(通常为50μm至400μm)的光致发光材料膜。然后将CSP LED芯片安装在空腔120的底板上，然后沉积第二光致发光层140，以填充空腔120并覆盖LED芯片。与图1b的包括双层光致发光材料结构的白光发光装置相比，厚度均匀的涂层是优选的，因为它将所有窄带红色磷光体材料尽可能集中在LED芯片附近，并确保不管层内的物理位置如何，所有锰激活氟化物磷光体材料都暴露在基本相同的激发光光子密度下。这种厚度均匀的层可以进一步增加装置的QE。此外，测试表明，与单层光致发光结构相比，这种布置可以将窄带红色磷光体材料的重量减少高达80％。
高发光效率COB封装白光发光装置
图2a和2b示出了根据一些实施例的高发光效率板上芯片(Chip On Board，COB)封装白光发光装置210，其中图2a为平面图，图2b为A-A剖面图。该装置210的发光效率(LER)至少为320lm/Wopt，并配置为产生CCT(相关色温)从2200K到6500K和一般CRI Ra为至少80的白光。
装置210包括多个(如图所示12个)蓝光发光InGaN/GaN基(氮化铟镓/氮化镓)LED芯片(晶片)212，以热传导方式安装在基板242上，例如金属芯印刷电路板(Metal CorePrinted Circuit Board，MCPCB)。LED芯片212产生主波长从420nm到480nm的蓝色激发光，更典型地，波长从445nm到465nm。如图2a所示，LED芯片212可以被配置为大致圆形的阵列。电触点222、224可以设置在基板242的顶面上，用于操作白光发光装置210。如图所示，光致发光材料包括封装LED倒装芯片晶片212阵列的单层光致发光材料结构236。单层光致发光材料结构236可以包括透光光学密封剂，例如硅胶或环氧树脂材料，其装载有宽带绿色到黄色、宽带橙色到红色和窄带红色磷光体材料的混合物，使得LED芯片420的暴露表面被磷光体/硅胶材料混合物所覆盖。如图所示，透光密封剂/磷光体材料混合物236可以包含在环形壁244内，环形壁244与基板一起形成了容纳LED芯片212的空腔220。
图2c为根据一些实施例的高发光效率COB(板上芯片)白光发光装置210c的示意性剖面侧视图，其包括双层光致发光材料结构。在本实施例中，每个LED芯片212具有各自的第一光致发光材料层238c，该第一光致发光材料层238c封装LED芯片212，并且就光致发光材料而言，其仅包括窄带红色磷光体。如图所示，第一光致发光层238c可以包括厚度均匀的基本敷形涂层。第二光致发光层240封装(覆盖)第一光致发光层，并且包括宽带绿色到黄色和宽带橙色到红色磷光体材料的混合物。如图所示，第一光致发光层238c通常可以是半球形(圆顶形)。
图2d和2e为高发光效率板上芯片(COB)封装白光发光装置210d、210e的剖面示意图，其包括双层光致发光材料结构并利用CSP(芯片级封装)LED芯片。在这些实施例中，第一光致发光层238d、238e包括施加到每个LED芯片212的至少主发光面的厚度基本均匀的层。如图2d所示，每个LED芯片212具有仅施加到其顶部(主)发光面的厚度均匀的第一光致发光层238d。如图2e所示，每个LED芯片212具有厚度均匀的第一光致发光层238e，其被施加到顶部发光面和四个侧面发光面，其形式为敷形涂层。图2d和2e的发光装置可以通过首先将第一光致发光层138c、138d施加到每个LED芯片212的发光面来制造，例如使用包括窄带红色磷光体材料的厚度均匀(通常为20μm至300μm)的光致发光材料膜。然后将CSP LED芯片安装到基板242上，然后沉积第二光致发光层240，以填充空腔220并覆盖CSP LED芯片。
高发光效率LED灯丝
单层结构LED灯丝
根据实施例，现参考图3a、3b、3c和3d描述包括单层光致发光材料结构的高发光效率LED灯丝310，图3a、3b、3c和3d分别示出了LED灯丝的示意性B-B侧剖面图、局部剖面图、放大的B-B侧剖面图和C-C端剖面端视图。LED灯丝(装置)310具有至少320lm/Wopt的发光效率(LER)，并且被配置成产生具有从2200K到6500K的CCT(相关色温)和至少80的一般CRI Ra的白光。
LED灯丝310包括部分透光的基板342，其具有直接安装在前(第一)面346上的InGaN/GaN基(晶片)312的线性阵列(多个)。典型地，每个LED灯丝具有大约从0.7W到1W的总额定功率。
基板342可进一步包括位于基板342的第一和第二端的正面346上的第一和第二电触点322、324，以提供电力以操作LED灯丝。电触点322、324可以包括铜、银或其他金属或透明电导体，例如氧化铟锡(ITO)。在示出的实施例中，基板342是平面的，并且具有细长形式(带)，其中LED芯片312被配置为线性阵列(串)，并且沿着基板的长度(延伸方向)等距间隔。如图3a和3b所示，LED芯片312可以通过该串的相邻LED芯片之间的焊线350以及基板末端的LED芯片与其各自的电触点322、324之间的焊线332、334串联电连接。
透光基板342可包括至少部分透光且优选对可见光的透光率为2％至90％以上(反射率为98％至10％)的任何材料。基板可以包括玻璃、陶瓷材料、蓝宝石或塑料材料，例如聚丙烯、硅胶或丙烯酸树脂。在实施例中，透光基板包括由透光率约40％的氧化铝构成的多孔陶瓷基板。为了帮助散发由LED芯片312产生的热量，基板342不仅可以是透光的，而且可以是导热的，以帮助散发由LED芯片产生的热量。合适的透光导热材料的例子包括：氧化镁、蓝宝石、氧化铝、石英玻璃和金刚石。导热基板的透光率可以通过使基板变薄来增加。为了增加机械强度，基底可以包括层压结构，该层压结构具有安装在透光支撑物例如玻璃或塑料材料上的导热层。
LED灯丝310还包括以单个封装层的形式构成的单层光致发光结构336，该封装层覆盖LED芯片312和基板342正面346。与其他实施例一样，单层光致发光结构336包括单层，该单层可以包括透光光学密封剂，例如硅胶或环氧树脂材料，其装载有宽带绿色到黄色、宽带橙色到红色和窄带红色光致发光材料的混合物。如图所示，第二单层光致发光波长转换材料352可以被施加到并覆盖基板342的第二背面(相对面)348。第一和第二单层光致发光结构336、352中的光致发光材料可以相同，以确保从LED灯丝的正面和背面发出的光颜色均匀。
双层结构LED灯丝
根据实施例，现在参考图4a、4b、4c和4d描述包括双层光致发光材料结构的高发光效率LED灯丝410，图4a、4b、4c和4d分别示出了LED灯丝的示意性B-B侧剖面图、局部剖面图、放大的B-B侧剖面图和C-C端剖面图。LED灯丝(装置)410具有至少320lm/Wopt的发光效率(LER)和至少210lm/Wdc的整体发光效率(OLE)，并且被配置成产生具有从2200K到6500K的CCT(相关色温)和至少80的一般CRI Ra的白光。
如图4a至4d所示，双层光致发光结构包括第一光致发光层438和第二光致发光层440，就光致发光材料而言，第一光致发光层438仅包含窄带红色磷光体材料，设置在并覆盖(封装)所有LED芯片412上，第二光致发光层440包含宽带绿色至黄色和宽带橙色至红色磷光体材料的混合物，设置在并覆盖(封装)第一光致发光层438上。从图4c中可以看出，第一光致发光层438是连续的(不间断的)条的形式，覆盖所有的LED芯片和相邻LED芯片之间的基板的正面。
图4a至4d的双层LED灯丝可以通过首先将第一光致发光层438沉积在线性条带形式的LED芯片412上，然后将第二光致发光层440沉积在第一光致发光层438上来制造。如图所示，第一光致发光层438可以具有大致半圆形轮廓的剖面。
宽带绿色至黄色磷光体材料
在本专利说明书中，宽带绿色至黄色磷光体材料是指光致发光材料(磷光体)，其响应激发光的刺激，产生峰值发射波长(λpe)为约500nm至约570nm(更通常为530nm至550nm)的光，即在可见光谱的绿色至黄色区域。优选地，绿色至黄色磷光体具有宽发射特性，半峰全宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)约为100nm或更宽。绿色到黄色磷光体可以包括石榴石基磷光体，例如YAG或LuAG磷光体。表1给出了合适的绿色到黄色磷光体的例子。
在实施例中，绿色至黄色磷光体包含通用组成为Y3(Al,Ga)5O12:Ce(YAG)的铈激活钇铝石榴石磷光体。在本专利说明书中，符号YAG#代表磷光体类型-YAG基磷光体-后面是以nm(#)为单位的峰值发射波长。例如，YAG535表示峰值发射波长为535nm的YAG磷光体。绿色到黄色磷光体可以包括通用组成为(Y,Ba)3(Al,Ga)5O12:Ce(YAG)的绿光发光的铈激活钇铝石榴石磷光体，例如来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的Intematix公司的GNYAG系列磷光体。在一些实施例中，绿色到黄色磷光体可包含通用组成为Lu3Al5O12:Ce(GAL)的铈激活镥铝石榴石(LuAG)。这种磷光体的例子包括例如来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的Intematix公司的GAL系列磷光体，其具有516nm至560nm的峰值发射波长和约120nm的FWHM。在本专利说明书中，符号GAL#代表磷光体类型(GAL)-LuAG基磷光体-后面是以nm(#)为单位的峰值发射波长。例如，GAL520表示峰值发射波长为520nm的GAL磷光体。
宽带橙色至红色磷光体材料
在本专利说明书中，宽带橙色至红色磷光体是指光致发光材料，其响应激发光的刺激，产生峰值发射波长为600nm至670nm的光；即在可见光谱的橙色到红色区域中的光，并且具有宽的发射特性，其半峰全宽(FWHM)发射强度至少为50nm。宽带橙色到红色磷光体材料可包括例如铕激活氮化硅基磷光体或硅酸盐基磷光体。表2中给出了宽带橙色至红色磷光体的例子。
在一些实施例中，铕激活氮化硅基磷光体包含通式为CaAlSiN3:Eu2+的钙铝硅氮化物磷光体(CASN)。CASN磷光体可以掺杂其它元素，例如锶(Sr)，并且具有通式(Sr,Ca)AlSiN3:Eu2+。在本专利说明书中，符号CASN#代表磷光体类型(CASN)，后面是以nm(#)为单位的峰值发射波长(λpe)。例如，CASN615表示峰值发射波长为615nm的橙色至红色CASN磷光体。
在一些实施例中，宽带橙色至红色磷光体可包含通用组成为Ba2-xSrxSi5N8:Eu的铕激活氮化物基磷光体。
在一些实施例中，如美国专利US7,655,156，名称为“Silicate-Based OrangePhosphors(硅酸盐基橙色磷光体)”中所述，橙色至红色磷光体可包含橙色发光的硅酸盐基磷光体。这种橙色发光的硅酸盐基磷光体可以具有(Sr1-xMx)yEuzSiO5的通用组成，其中0<x≤0.5，2.6≤y≤3.3，0.001≤z≤0.5，M是选自Ba、Mg、Ca和Zn中的一种或多种二价金属。在本专利说明书中，符号O#代表磷光体类型(橙色硅酸盐)，后面是以nm(#)为单位的峰值发射波长(λpe)。例如，O600表示峰值发射波长为600nm的橙色硅酸盐磷光体。
窄带红色磷光体材料
在本专利说明书中，窄带红色磷光体材料是指光致发光材料，其响应激发光的刺激，产生峰值发射波长为628nm至640nm的光；即在可见光谱的红色区域中的光，并且其具有窄的发射特性，半峰全宽(FWHM)发射强度为约5nm至约30nm。如上所述，窄带红色光致发光可以包括锰激活氟化物红色磷光体。窄带红色锰激活氟化物磷光体的示例是锰激活六氟硅酸钾磷光体(KSF)-K2SiF6:Mn4+(KSF)。这种KSF磷光体例如是来自美国加利福尼亚州弗里蒙特的Intematix公司的NR6931 KSF磷光体，其峰值发射波长约为632nm。其他锰激活磷光体可以包括：K2GeF6:Mn4+(KGF)，K2TiF6:Mn4+(KTF)，K2SnF6：Mn4+，Na2TiF6:Mn4+，Na2ZrF6:Mn4+，Cs2SiF6:Mn4+，Cs2TiF6:Mn4+，Rb2SiF6:Mn4+和Rb2TiF6:Mn4+。
空腔测试方法
空腔测试方法包括将磷光体粉末混合物与不可固化的光学密封剂(通常为苯基硅)混合，并将混合物置于包含一个或多个蓝色LED晶片的LED封装空腔中，并在积分球(又称光通球、光度球)中测量光发射总量。测量完成后，除去磷光体/密封剂混合物，并且清洁腔体以准备下一次测试。该空腔包括一个5630(5.6mm×3.0mm)SMD封装，其中包含一个主波长λd＝453nm的1133(11mil×33mil–芯片面积0.56mm2)LED芯片。
在本说明书中，白光发光装置使用以下术语：Com.#表示对比白光发光装置，其产生的光的目标色度(色点)与CIE 1931x,y色度图上的ANSI标准色度的中心点相对应，Dev.#表示根据本发明实施例的高效白光发光装置，其产生的光的色度(色点)的CIE y值大于黑体辐射的普朗克轨迹(黑体轨迹)并且大于ANSI中心点。表3列出了不同色温下固态照明的美国国家标准协会(American National Standard Institute，ANSI)标准色度中心点值。ANSI标准中心色点位于黑体轨迹上或正上方。表3中的数值来自《ANSI_NEMA_ANSLGC78.377-2008：美国电灯国家标准-固态照明产品色度规范》。
实验数据-2700K至6500K封装白光发光装置
表4列出了根据本发明的高发光效率白光发光装置(编号为Dev.1至Dev.3)和对比白光发光装置Com.1至Com.3的磷光体组成。所述装置分别产生标称CCT(相关色温)为2700K、4000K和6500K且一般CRI Ra为约80或更高的白光。对于对比白光发光装置(Com.1至Com.3)，选择磷光体组成使得该装置产生具有对应于ANSI中心点的CIE 1931色度(色点)CIE x,y的白光。对于根据本发明的白光发光装置(Dev.1至Dev.3)，选择磷光体组成使得该装置产生具有CIE 1931色度(色点)CIE x,y的白光，其CIE y值大于黑体辐射的普朗克轨迹(黑体轨迹)并且大于ANSI中心点值。更具体地，根据本发明的装置被配置成产生CIE1931Duv为0.0060至0.0170的白光。
从表4中可以看出，就磷光体组成而言，Com.1包括绿色磷光体(YAG543)和红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为0.82：1.00；Dev.1包括绿色磷光体(YAG543)和红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为1.27∶1.00；Com.2包括绿色磷光体(YAG543)和红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为1.78∶1.00；Dev.2包括绿色磷光体(YAG543)和红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为2.33∶1.00；Com.3包括绿色磷光体(YAG538)和红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为2.85∶1.00；且Dev.3包括绿色磷光体(YAG538)与红色磷光体(CASN615+KSF)，其比率为4.00∶1.00。
表5和表6列出了白光发光装置Com.1、Dev.1、Com.2、Dev.2、Com.3和Dev.3的实测磷光体空腔测试数据，并说明了如何通过选择磷光体组成来提高发光效率(LER)。数据适用于(驱动)条件：IF＝120mA(电流密度215mA/mm2)，VF≈3.1V(370mW)。
从表5和6中可以看出，对比装置Com.1产生的白光的CCT约为2700K，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为349lm/Wopt，而装置Dev.1产生的白光的CCT约为2700K，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为368lm/Wopt。如将进一步解释的，LER的5％的增加可归因于磷光体组成的选择；更具体地说，宽带绿色到黄色磷光体相对于全部橙色到红色磷光体的比率增加。对比装置Com.2产生的白光的CCT约为4000K，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为344lm/Wopt，而装置Dev.2产生的白光的CCT约为4000K，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为367lm/Wopt。LER的7％的增加也归因于磷光体组成的选择。对比装置Com.3产生的白光的CCT约为6500K，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为316lm/Wopt，而装置Dev.3产生的白光的CCT约为6500K，一般CRI Ra为80，发光效率(LER)为333lm/Wopt。LER的7％的增加同样也归因于磷光体组成的选择。从表4可以看出，就磷光体组成而言，对比白光发光装置Com.#和本发明的白光发光装置Dev.#之间的差异是绿色磷光体相对于全部红色磷光体(宽带+窄带)的相对比率增加。此外，可以看出(表5)，磷光体组成通过增加LER来增加装置的转换效率(Conversion Efficiency，CE)，并且对量子效率(Quantum Efficiency，QE)、斯托克斯效率(Stokes Efficiency，SE)或功率转换效率(Wall Plug Efficiency，WPE)几乎没有或没有影响。
应注意的是，虽然空腔测试是一种无需制造装置就可以快速测试磷光体组成的便捷方式，但其WPE很低，仅为0.45，导致所述整体发光效率(OLE)仅为118至127lm/Wdc。初步测试表明，在实际封装的发光装置中，通过使用更高功率的LED晶片和/或更多数量的LED晶片，以及通过欠驱动LED晶片和封装布置的选择，WPE可以提高到0.6至0.7，这表明可以实现OLE为210lm/Wdc或更高OLE的封装白光LED。图5是包含单个2640(26mil×40mil-芯片面积1.6mm2)LED晶片的SMD 5630封装的WPE(功率转换效率)与正向驱动电流IF(mA)的关系图，并且说明了如何通过在电流密度方面对LED芯片进行欠驱动来提高WPE。从图中可以看出，在160mA的正向电流(电流密度100mA/mm2)下操作LED芯片，封装具有大约0.4的WPE。通过以10mA的正向电流(电流密度6.3mA/mm2)下对LED芯片进行欠驱动，WPE增加到0.57。
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现在参照图6至图8解释磷光体组成的变化对发射光谱的影响，其中图6为Dev.1(2700K-粗实线)和Com.1(2700K-虚线)的相对强度随波长(nm)变化的发射光谱；图7是Dev.2(2700K-粗实线)和Com.1(2700K-虚线)的相对强度随波长(nm)变化的发射光谱；图8是Dev.3(6500K-粗实线)和Com.1(6500K-虚线)的相对强度随波长(nm)变化的发射光谱。
从图6中可以看出，Com.1(虚线)产生的白光具有包含四个光谱特征的光谱：(i)在光谱的蓝色区域中约450nm处有一个波峰654c，其可归因于蓝色LED产生的激发光；(ii)在光谱的绿色区域中约540nm处有一个漫射峰(diffuse peak)(拐点)656c，其可归因于由宽带绿色到黄色磷光体产生的光；(iii)在光谱的红色区域中约600nm处有一个漫射峰658c，其可归因于由宽带橙色到红色磷光体产生的光；以及(iv)在光谱的红色区域中从大约620nm到大约650nm有多个窄峰660，其可归因于由窄带红色磷光体(KSF)产生的光。类似地，从图6可以看出，由Dev.1产生的白光(实线)包括四个光谱特征：(i)在光谱的蓝色区域中约450nm处有一个波峰654d，其可归因于由蓝色LED产生的激发光；(ii)在光谱的绿色区域中约540nm处有一个漫射峰(拐点)656d，其可归因于由宽带绿色到黄色磷光体产生的光；(iii)在光谱的红色区域中约600nm处有一个漫射峰658d，其可归因于由宽带橙色到红色磷光体产生的光；以及(iv)在光谱的红色区域中从大约620nm到大约650nm有多个窄峰660，其归因于由窄带红色磷光体(KSF)产生的光。将本发明的发光装置Dev.1与对比装置Com.1的光谱特征进行比较，应当注意：蓝色波峰654的强度显著较低(约50％)，漫射绿色波峰656的强度较高，红色波峰658的强度较低。蓝色波峰654的强度降低可归因于更多的蓝色激发光被转换成光致发光，例如通过增加磷光体的总量。绿光656的强度增加和红光656的相应减少是增加绿色磷光体与红色磷光体的比率的结果。从表4中可以看出，Com.1中的绿色磷光体与红色磷光体的比率是45：55(0.88：1)，而装置Dev.1中的绿色磷光体与红色磷光体的比率是56：44(1.27：1)，即绿色磷光体与红色磷光体的比率增加了55％。
从图7和图8中可以明显看出，发光装置Dev.2和Dev.3产生具有相似光谱特性的白光，与其各自的对比装置相比，其显示：由于更多蓝色激发光转化为光致发光光，导致蓝色峰值强度降低；由于绿色磷光体与红色磷光体的比率增加，相应地导致绿色光强度增加，红色光减少。从表4中可以看出，Com.2中绿色磷光体与红色磷光体的比率为63：36(1.78：1)，而装置Dev.2中绿色磷光体与红色磷光体的比率为70：30(1.27：1)，这表明绿色磷光体与红色磷光体的比率增加了30％。对于Com.3，绿色磷光体与红色磷光体的比率为74：26(2.85：1)，而装置Dev.3的绿色磷光体与红色磷光体的比率为80：20(4.00：1)，这表明绿色磷光体与红色磷光体的比率增加了40％。
图9为显示了由(i)Dev.1和Com.1(菱形符号)，(ii)Dev.2和Com.2(正方形符号)，以及(iii)Dev.3和Com.3(三角形符号)产生的光的色点的CIE 1931x,y色度图。色度图还包括黑体辐射的普朗克轨迹、黑体轨迹(长虚线)、iso-CCT线(恒定CCT线–实线)、ANSI 7级四边形以及Duv＝0.0060(虚线)和Duv＝0.0170(虚线)的CIE 1931Duv轨迹。色度图直观地说明了由对比装置Com.#和本发明的白光发光装置Dev.#产生的光的色度。
如本文所述，对比装置Com.1至Com.3中的每一个均产生色度(色点)对应于ANSI标准的色度且色度位于黑体轨迹上或正上方的白光。相比之下，如图9所示，本发明的高效白光发光装置，Dev.1至Dev.3，产生的白光的色度(色点)在等色温线(iso-CCT)上，位于黑体轨迹上方和ANSI标准中心点上方。
如本文所述，“Duv”(Delta u,v)是测试光源到黑体轨迹上最近点之间的色度坐标uv的欧几里德差值，其定义见《ANSI_NEMA_ANSLG C78.377-2008》。Duv是在1976CIE u,v色度图上给定CCT(相关色温)的光的色点与黑体辐射的普朗克轨迹(黑体轨迹或曲线)沿着iso-CCT线(恒定色温线)的距离的度量。Duv值为正表示色点在黑体轨迹之上，并且在1931CIE x,y色度图上，CIE y大于黑体轨迹的CIE y值，说明具有从黑体轨迹偏黄/偏绿的颜色偏移。负值色点在黑体轨迹之下，并且在1931CIE x,y色度图上，CIE y小于黑体轨迹的CIE y值，表明它具有从黑体轨迹偏粉红色的颜色偏移。
从表5可以看出，对比装置Com.1至Com.3的Duv分别为0.0001、0.0007和0.0033，即0.1、0.7和3.3级。相比之下，本发明的高效白光发光装置Dev.1至Dev.3产生的白光分别具有0.0097、0.0134和0.0164的Duv，即9.7、13.4和16.4级。要说明的是，对于装置Dev.1至Dev.3中的每一个，与相应的对比装置相比，该装置产生的光的色点具有更高的CIE y值，这与绿光相比红光的强度增加相一致(表5)。如本文所述，与红光相比，绿光强度的增加是由于绿色磷光体占全部红色磷光体的比率(wt％)增加(表4)。可以认为，将装置配置为产生具有正Duv值的光(即CIE y值高于黑体轨迹)，这将导致LER和OLE的提高。
实验数据-LED灯丝
单层结构LED灯丝
根据本发明的单层结构高效LED灯丝(Dev.4至Dev.7)各包括58mm×1.0mm的蓝宝石基板，其透光率>90％，其正面安装有38个串联的1128(11mil×28mil-芯片面积0.47mm2)主波长λd＝454nm的蓝色LED芯片。LED灯丝的标称功率为0.6W，用于产生目标CCT为2700K(Dev.4)、3000K(Dev.5)、4000K(Dev.6)和6500K(Dev.7)的白光，一般显色指数CRI Ra约为80。
将窄带红色(KSF)、宽带红色(CASN615)和宽带绿色(YAG543)磷光体混合在硅胶密封剂材料中，并将混合物分散到基板的正面和背面上(参见图3a至3d)。
表7和表8列出了单层结构LED灯丝(Dev.4至Dev.7)的测量特性。给出了以下数据测量值：(i)“通电”(瞬时)和(ii)约2至3分钟后达到热平衡(热)后。所有数据适用于(驱动)条件IF＝6mA(电流密度30mA/mm2)，VF≈100V(600mW)。
从表7和表8中可以看出，LED灯丝Dev.4产生的白光的CCT约为2700K(2685K)，一般CRI Ra为80，达到热平衡后，发光效率(LER)为366lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为214lm/Wdc。LED灯丝Dev.5产生的白光CCT约为3000K(2835K)，一般CRI Ra为80，达到热平衡后，发光效率(LER)为364lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为223.8lm/Wdc。LED灯丝Dev.6产生的白光CCT约为4000K(3939K)，一般CRI Ra为80，达到热平衡后，发光效率(LER)为361lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为229lm/Wdc。LED灯丝Dev.7产生的白光的CCT约为6500K(6399K)，一般CRI Ra为80，达到热平衡后，发光效率(LER)为329lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为222lm/Wdc。从表8中可以看出，根据本发明的LED灯丝Dev.4至Dev.7的Duv分别为0.0098、0.0082、0.0118和0.0140。
从表7和表8中可以看出，与“瞬时”和“热”值相比，通量、功率、OLE、LER、CCT、CIEy、Duv降低，而CRI Ra和CRI R9增加。
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双层结构LED灯丝
根据本发明的双层结构高发光效率LED灯丝(Dev.8至Dev.12)各包括52mm×1.5mm的多孔陶瓷(二氧化硅)基板，其透光率约为40％，其正面安装有38个串联的1128(11mil×28mil-芯片面积0.47mm2)主波长λd＝456nm的蓝色LED芯片。LED灯丝的标称功率为0.5W，用于在产生目标CCT为2700K(Dev.8)、3000K(Dev.9和10)、4000K(Dev.11)和6500K(Dev.12)的白光。LED灯丝Dev.8、Dev.9和Dev.11、Dev.12被配置成产生具有大约80的一般显色指数CRIRa的白光，而Dev.10被配置成产生具有约90的一般显色指数CRI Ra的白光。
对于双层LED灯丝，将窄带红色磷光体(KSF)与硅胶密封剂材料混合，并将混合物作为条带(第一层)分配到覆盖LED芯片的基板的正面上。将宽带绿色(YAG543)和红色(CASN615)磷光体混合在硅胶中，并将混合物作为覆盖第一层和基板正面的第二层分散在基板正面上(图4a至4d)。在背面上，将宽带红色(CASN615)和绿色(YAG543)磷光体混合在硅胶密封剂材料中，并将混合物分散到基板的背面上。
表9和表10列出了双层结构LED灯丝(Dev.8至Dev.12)的测量特性。测量数据为装置通电时的“瞬时”值。所有数据适用于(驱动)条件IF＝5mA(电流密度25mA/mm2)，VF≈100V(500mW)。
从表9和10中可以看出，LED灯丝Dev.8产生的白光的CCT约为2700K(2808K)，一般CRI Ra为80，发光效率(LER)为369lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为224lm/Wdc。LED灯丝Dev.9产生的白光的CCT约为3000K(3092K)，一般CRI Ra约为80，发光效率(LER)为374lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为230lm/Wdc。LED灯丝Dev.10产生的白光的CCT约为3000K(3173K)，一般CRI Ra为90，发光效率(LER)为363lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为225lm/Wdc。LED灯丝Dev.11产生的白光的CCT约为4000K(4157K)，一般CRI Ra为80，发光效率(LER)为360lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为232lm/Wdc。LED灯丝Dev.12产生的白光的CCT约为6500K(7006K)，一般CRIRa为80，发光效率(LER)为323lm/Wopt，整体发光效率(OLE)为222lm/Wdc。从表10可以看出，根据本发明的LED灯丝Dev.8至Dev.12的Duv分别为0.0107、0.0134、0.0121、0.0124和0.0169。
如本文所述，双层光致发光结构的特殊优势在于，与单层光致发光结构相比，实现目标色点所需的锰激活氟化物磷光体的量/用量可显著降低(高达60％)，从而大幅降低制造成本，因为锰激活氟化物磷光体比宽带绿色至黄色和宽带橙色至红色磷光体贵许多倍。
如本文所述，可通过在电流密度方面欠驱动LED芯片来增加LED芯片的WPE。比较双层和单层LED灯丝的数据(将表9和10与表7和8进行比较-瞬时)，可以看出双层LED灯丝的OLE比单层LED灯丝高约3％。这种OLE的差异主要归因于LED灯丝工作时的电流密度的差异，而不是LED灯丝的结构(单层LED灯丝工作时的电流密度为30mA/mm2，而双层LED灯丝工作时的电流密度为25mA/mm2)。作为比较，当前白光发光装置在约180mA/mm2的电流密度下工作。
双层结构LED灯丝
根据本发明的双层结构高发光效率LED灯丝(Dev.13和Dev.14)各包括52mm×3.0mm的多孔陶瓷(二氧化硅)基板，透光率约为40％，其正面安装有38个串联的1128(11mil×28mil-芯片面积0.47mm2)主波长λd＝456nm的蓝色LED芯片。LED灯丝的标称功率为0.5W，用于产生目标CCT为3000K的白光，并被配置成产生一般显色指数CRI Ra约为80的白光。
对于双层LED灯丝，将窄带红色磷光体(KSF)与硅胶密封剂材料混合，并将混合物作为条带(第一层)分配到覆盖LED芯片的基板的正面上。将宽带绿色(YAG543-Dev.13，YAG551-Dev.14)和红色(CASN615)磷光体混合在硅胶中，并将混合物作为覆盖第一层和基板正面的第二层分散在基板正面上(图4a至4d)。在背面上，将宽带红色(CASN615)和绿色(YAG543)磷光体混合在硅胶密封剂材料中，并将混合物分散到基板的背面上。
表11和12列出了双层结构LED灯丝(Dev.13和Dev.14)的测量特性。测量数据为装置通电时的“瞬时”值。所有数据适用于(驱动)条件IF＝5mA(电流密度25mA/mm2)，VF≈100V(500mW)。
从表11和12中可以看出，LED灯丝Dev.13产生的白光的CCT约为3000K(3004K)，一般CRI Ra约为80(80.8)，CRI R8约为64(64.2)，CRI R9约为10(9.5)，发光效率(LER)为368lm/Wopt，整体发光效率(OLE)约为228lm/Wdc。LED灯丝Dev.14产生的白光的CCT约为3000K(3015K)，一般CRI Ra约为80(82.5)，CRI R8约为75(74.6)，CRI R9约为30，发光效率(LER)为368lm/Wopt，整体发光效率(OLE)约为230lm/Wdc。从表12可以看出，根据本发明的LED灯丝Dev.13和Dev.14的Duv分别为0.0099和0.0103。
附图标记说明
10：白光发光装置；12：LED芯片；14：封装；16：上主体部分；18：下主体部分；20：空腔；22、24：电触点；26、28：电极接触焊盘；30：导热垫；32、34：焊线；36：单层光致发光材料结构；38：双层光致发光材料结构-第一层；40：双层光致发光材料结构-第二层；42：基板；44：环形壁；46：基板-正面；48：基板-背面；50：焊线；52：第二单层光致发光材料结构；54c：蓝色峰值-对比装置Com.#；54d：蓝色峰值-装置Dev.#；56c：绿色特征/峰值-对比装置Com.#；56d：绿色特征/峰值-装置Dev.#；58：红色特征/峰值-对比装置Com.；58d：红色特征/峰值-装置Dev.#；60：多个窄带峰值。
缩写说明
ANSI：美国国家标准协会；CASN：钙铝硅氮化物；CCT：相关色温；CE：转换效率；CIE：国际照明委员会；CRI或CRI Ra：一般显色性指数；CRI R9：色样显色指数R9；FWHM：半峰全宽；LE：发光效率；LER：辐射的发光效率；LuAG：铝石榴石；OLE：整体发光效率；QE：量子效率；SE：斯托克斯效率；WPE：功率转换效率；YAG：钇铝石榴石。

Claims (19)

1.一种白光发光装置，其特征在于，包括：
产生波长从420nm到480nm的激发光的发光二极管(light-emitting diode，LED)；以及
产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体；
其中所述装置产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的一般显色指数(GeneralColor Rendering Index，CRIRa)和对于所述选定色温从0.0060到0.0170的色偏差值(Duv)的白光；以及
其中所述装置具有至少320lm/Wopt的辐射发光效率(Luminous Efficacy ofRadiation，LER)。
2.根据权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：
当所述选定色温约为2700K时，所述装置的LER至少为360lm/Wopt；
当所述选定色温约为3000K时，所述装置的LER至少为355lm/Wopt；
当所述选定色温约为4000K时，所述装置的LER至少为350lm/Wopt；以及
当所述选定色温约为6500K时，所述装置的LER至少为320lm/Wopt。
3.根据权利要求1或2所述的白光发光装置，其特征在于，所述装置产生的所述白光的CRI R8为至少72。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的白光发光装置，其特征在于，包括：单层光致发光结构；所述单层光致发光结构包括覆盖所述LED的光致发光层，且包括所述宽带磷光体和所述锰激活窄带红色氟化物磷光体。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，包括双层光致发光结构；所述双层光致发光结构包括：
第一光致发光层，所述第一光致发光层覆盖所述LED的发光面并由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成；以及
第二光致发光层，所述第二光致发光层包括所述宽带磷光体，其中所述第二光致发光层封装所述第一光致发光层。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述LED在从20mA/mm2到120mA/mm2的电流密度下工作。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述锰激活窄带红色氟化物磷光体包括：K2SiF6：Mn4+、K2TiF6：Mn4+和K2GeF6：Mn4+中的至少一种。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述宽带磷光体包括以下至少一种：
包括钇铝石榴石磷光体或镥铝石榴石磷光体的宽带绿色至黄色磷光体；以及
钙铝硅氮化物磷光体的宽带橙色到红色磷光体。
9.一种白光发光装置，其特征在于，包括：
产生波长从420nm到480nm的激发光的LED；以及
产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体；
其中所述装置产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的CRI Ra和对于所述选定色温从0.0060到0.0170的CIE 1976Duv的白光；以及
其中所述装置具有至少210lm/Wdc的整体发光效率(Overall Luminous Efficacy，OLE)。
10.根据权利要求9所述的白光发光装置，其特征在于：
当所述选定色温约为2700K时，所述装置的OLE至少为210lm/Wdc；
当所述选定色温约为3000K时，所述装置的OLE至少为220lm/Wdc；
当所述选定色温约为4000K时，所述装置的OLE至少为225lm/Wdc；以及
当所述选定色温约为6500K时，所述装置的OLE至少为220lm/Wdc。
11.根据权利要求9或10所述的白光发光装置，其特征在于，所述装置产生的所述白光的CRI R8至少为72。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，包括单层光致发光结构；所述单层光致发光结构包括覆盖所述LED的光致发光层，并且包括所述宽带磷光体和所述锰激活窄带红色氟化物磷光体。
13.根据权利要求9至11中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，包括双层光致发光结构，所述双层光致发光结构包括：
第一光致发光层，所述第一光致发光层覆盖所述LED的发光面并由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成；以及
第二光致发光层，所述第二光致发光层包括所述宽带磷光体，其中所述第二光致发光层封装所述第一光致发光层。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述LED在从20mA/mm2到90mA/mm2的电流密度下工作。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述锰激活窄带红色氟化物磷光体包括K2SiF6：Mn4+、K2TiF6：Mn4+和K2GeF6：Mn4+中的至少一种。
16.根据权利要求9至15中任一项所述的白光发光装置，其特征在于，所述宽带磷光体包括以下至少一种：
包括钇铝石榴石磷光体或镥铝石榴石磷光体的宽带绿色至黄色磷光体；以及
钙铝硅氮化物磷光体的宽带橙色到红色磷光体。
17.一种LED灯丝，其特征在于，包括：
具有正面的至少部分透光的基板；
位于所述基板的所述正面上的LED芯片的线性阵列，其产生波长从420nm到480nm的激发光；以及
产生峰值发射波长从500nm到650nm的光的光致发光材料，所述光致发光材料包括宽带磷光体和峰值发射波长从628nm到640nm且半峰全宽小于30nm的锰激活窄带红色氟化物磷光体；
其中所述LED灯丝产生具有从2200K到6500K的选定色温、至少80的CRI Ra和对于所述选定色温从0.0060到0.0170的Duv的白光，并且所述装置具有至少210lm/Wdc的OLE(整体发光效率)。
18.根据权利要求17所述的LED灯丝，其特征在于：
当所述选定色温约为2700K时，所述LED灯丝的OLE至少为210lm/Wdc；
当所述选定色温约为3000K时，所述LED灯丝的OLE至少为220lm/Wdc；
当所述选定色温约为4000K时，所述LED灯丝的OLE至少为225lm/Wdc；以及
当所述选定色温约为6500K时，所述LED灯丝的OLE至少为220lm/Wdc。
19.根据权利要求17或18所述的LED灯丝，其特征在于，包括位于所述基板的所述正面上的双层光致发光结构，所述双层光致发光结构包括：
由所述锰激活窄带红色氟化物磷光体组成的第一光致发光层，所述第一光致发光层为连续不间断的细长条带，用于封装所述基板上的每个所述LED芯片；以及
由所述宽带磷光体组成的第二光致发光层，所述第二光致发光层为连续不间断的细长条带，用于封装所述第一光致发光层。
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