CN1950481A - 用于白色发光二极管装置的波长移动合成物 - Google Patents
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Abstract
公开并提出了一种专用高性能波长移动的钇铝石榴石(YAG)荧光粉材料合成物。此外，当这些合成物适当地散布在具有协作性质的整体介质中时，其形成的新介质具备完全独特的和有用的特征。特别是，提出了一种专用荧光粉，当采用高能光子输入对其进行激发时，其具有双峰值光谱输出。创建了一个双激活剂分子式从而使得指定比率的简单操作允许灵活地调节荧光粉发射器组合的色温输出。当使用优选的颗粒尺寸和密度配制所述荧光粉时，可以观察到性能的改善。最后，所述荧光粉与其他专用粘合剂材料组合，以形成具有精心设计的光学交互酌截面的胶体介质，来自高强度蓝色二极管半导体的光将具有特别高性能的波长移动，这样的合成物被公开和提出。此外，当所述合成物适当分布在具有协作性质的整体介质中时，该合成物形成具有完全独特和有用的特征的新介质。特别是，提出了一种专用荧光粉，当其被高能光子输入激发时，其具有双峰值光谱输出。创建了一个双激活剂分子式从而使得指定比率的简单操作允许灵活地调节荧光粉发射器组合的色温输出。当使用优选的颗粒尺寸和密度配制所述荧光粉时，可以观察到性能的改善。最后，所述荧光粉与其他专用粘合剂材料组合，以形成具有精心设计的光学交互酌截面的胶体介质，来自高强度蓝色二极管半导体的光将在光谱的精确的期望部分中进行足够的波长移动，以形成在其他装置中没有的白色LED。
Description
发明领域
本发明通常涉及物质的光发射合成物(composition)，尤其涉及用于提高白色发光二极管装置特性的专门配制的合成物。
背景技术
光学技术的熟练者可以很快提出若干个用于模拟白光、发光二极管LED的技术。“模拟”被定义为要求在相对狭窄的谱带(broadband)中发光的LED的本征性质；白色光定义为具有充足的光谱带。迄今为止，没有可以在二极管结中产生具有足够的质量和效率的白色光从而可以在商业上可行的真正的“宽谱带”LED发射器。相反地，存在用于将来自多个窄谱带独立光源的光进行混合的一些组合。例如，一种组合可以将红色、绿色和蓝色的发光二极管芯片组合的非常接近。如果每个芯片的相关亮度类似，且并且是从足够远处观察所述装置从而使得用眼睛不能分辨所述单独芯片，则其表现为一种白色的LED。在这样的装置中遇到很多困难，且当前这些困难不有利。这些困难尤其来自不良的色温平衡、不合适的显色指数、以及复杂的大管壳问题
最近已经通过高亮度的蓝色发光二极管实现了一种非常有用的可选方法，其使用下列方法实现。将高亮度蓝色发射LED安装在衬底上。在半导体芯片的顶部上施加荧光粉(phosphor)涂层或浆体(slurry)。这个特定的荧光粉被芯片发射的蓝光所激发。当被激发时，即使是使用比所述激发光较低的能量(较长的波长)，荧光粉也会发光。已经浆被蓝光激发并发出黄光的荧光粉用于形成“白色”LED。得到发光材料的适当的涂层是困难的。交互酌截面决定了有多少蓝光被转化为黄光。当希望使得适量蓝光与适量黄光进行混合时，发光材料涂层的厚度和密度会对所述交互酌截面产生很大影响。荧光粉颗粒的性质也会影响交互酌截面和散射特性。特别地，荧光粉粒的尺寸和形状会改变交互酌特性。因为半导体芯片和LED器件管壳所特有的几何结构，一般用途的技术带来角度一致性或者其它问题方面的问题。另外，黄光和蓝光的简单混合不能精密地产生真正的宽谱带。例如，这些组合中的一些遇到“冷”状态或缺乏暖色的白色的问题；即这些颜色接近红光波段。通常表征显色的度量标准势必认为这种白色LED不是非常理想。
例如，这样的组合典型地使用波长大约455nm的蓝色发光二极管和一个黄色发射荧光粉例如铈掺杂YAG，钇铝石榴石，其峰值次级发射在光谱的一半宽度大约570nm处，这个光谱的宽度大约为140nm。这导致大约8000°K的色温和大约70的低显色指数(CRI)。
许多受关注装置还设计用来获得具有优质颜色量度的高性能白色LED。这些装置包括并不限于与本发明最接近的下列专利中所述的发明。
美国专利5,998,925描述的装置，其中一个基于YAG的荧光粉用于把从氮化物半导体发出的蓝光转换成黄光。
虽然所述技术的装置和发明设计用来实现具体目标和目的时，其中有一些非常不寻常，但是这些发明所具有的局限阻碍了其在目前可能的新方式下的应用。所述技术的发明不用于且不能用于实现以下所述发明的优点和目的。
发明内容
Abramov V.S.及他人发明了白色放射发光装置，其包括光发射材料的合成物，更确切地说是其用于移动光的波长。这些合成物的主要作用是提供白光装置，其能够提高色温和显色指数。与现有技术的方法和装置相比，那些装置不能提供使用新合成物所实现的色温和显色指数。
以下所述的装置消除了现有白光LED系统的缺点。通过缜密的设计和应用，改善的波长移动结构用来形成具有优选量度的白色LED。例如，在此所述的LED具有在2500K与11000K之间的色温。另外，由于性能提高，其具有较高的输出。而且，所给出的所述技术简化了制造，从而降低了成本。
已经发现了重要的高性能合成物，一种荧光粉族，其被较好地排列并与宽谱带LED装置中具有的属性和目标结合。荧光粉的se族可以称为“钇铝石榴石(YAG)荧光粉”。更具体地是，YAG荧光粉具备双激活剂(dual activator)。而且，当被正确地配制和恰当的分布在特定介质或者“粘合剂(binder)”中时，这些荧光粉合成物具有类似白色LED类型中所没有的优越性能特性。特别是，所述合成物可以所生成的光谱具有两个主要的峰值，其在光谱中的位置准确并且可控。考虑到最高亮度LED半导体(即蓝色二极管)的发射波长，在标准比色法技术测量下，该光谱协助生成较好的白光谱。
本发明的主要目的是提供在次级发射中使用的新合成物。
本发明的一个目的是提供荧光粉合成物，其将蓝色或者紫外光(UV)发光二极管的波长向上移动。
另一个的目的是提供特殊混合的合成物，其具有较好的发射特性，用于改良白光的发射。
参考优选实施例的详细说明并参照附图可以得到更好的理解。所提供的实施例是实现本发明的特定方式，并不是包括全部可能方法。因此，存在在此没有作为特定实例出现，但是不脱离权利要求所述的公开的精神和范围的实施例。明显的是大量可替换的方案都是可能的。
附图说明
使用以下描述、附图和权利要求，即将公开的发明的这些及其他特征、形式和优点将更加容易理解。
图1是示出非常独特发射特性的光谱图；
图2是现有技术的图，示出了在现有技术中光谱差别；
图3是按照样本数据的大致轨迹绘制的色度图；以及
图4图示了一种用于材料分布和与辅助元件的相互关系的解决方案。
具体实施方式
参照本发明的每一个优选实施例，给出了用于高能量LED波长移动的合成物，以形成白色光谱输出。明显的是，所述的每个实施例都包括合成物和设备，并且一个优选实施例的合成物和设备与其它实施例的合成物和设备不同。
基于二极管半导体和特有的荧光粉的宽谱带发光源形成用于本发明的基础。尤其是，基于YAG的荧光粉与高能量发光二极管组合。半导体芯片的二极管安置在具有电、机械和光学支撑的衬底上。将至少部分由荧光粉颗粒所组成的材料施加在所述半导体芯片上，以形成该芯片上的涂层。从该半导体发出的一部分光与荧光粉互相作用，将其激发到高能量状态中。所述荧光粉在这种激发态并不稳定，而是通过发射和非发射能量跃迁而衰退到基态。出现在更长波长的再次发射，其是所述荧光粉能量衰减的固有部分。这些较长的波长在光谱中呈现为不同颜色。通过将几种颜色混合在一起，就可以产生呈现白色的装置。
为生产白色LED，一种特定类型的荧光粉是必需的。虽然通常使用许多类型的荧光粉来发射各种颜色的光，但是普通的荧光粉由于其不易被激发而不能用于二极管装置中。普通荧光粉需要高能量电子输入以对其进行足够的充能(pump)，在这时，它们将在其指定的颜色中再次发射。对于LED而言，由光子输入进行充能的荧光粉是必需的。由于所述再次发射波长非常接近所述充能波长，因此其是非常特殊和高效的。
符合这种方式一类特殊的荧光粉是基于YAG的荧光粉。钇铝石榴石，或YAG是形成某些高效荧光粉主要成分的一种材料。钇铝石榴石荧光粉可以被光子输入进行充能，尤其是被波长为或者大约为450纳米的蓝光充能。这种荧光粉可以在该光谱大约550纳米的黄光部分再次发光。
并非二极管发射的所有蓝光都被转换成黄光。当部分蓝光通过涂层而没有被吸收并且没有被再次发射在再次发射时，发生转换的可能性有限。这是与设计有关的。当观测者从器件处观察光时，可以同时看到蓝色光和黄色光。蓝光是从芯片直接发出的、没有与荧光粉相互作用的光，而黄光来自荧光粉的再次发射行为。从观察者看来，这种往往表现出“苍白色”。如果荧光粉的密度过大，则该器件的输出就会主要为黄色，而蓝色分量不足。如果荧光粉太少，输出光会过蓝。
在任一情形下，光呈现具有“冷”外观的白色；即，带蓝色的白色。容易理解的是这是由于缺乏红光(即暖光)的原因。基于蓝色发射芯片和基于YAG的荧光粉的白色LED装置易于获得低色温的光输出。这并不总是合乎需要的。
人们开始努力提高这些装置的色温。通过调整荧光粉的化学性质，就可能将再次发射光谱向更长波长移动。尤其是，通过改变荧光粉合成物中钇与钆的比例，将再次发射曲线的峰值轻微地向较长波长移动，从而得到更暖的白色光输出。因为不可能有大的移动，这种方案对于产生暖色调的白色光不是很有效率。
取而代之的是，通过增加第二激活剂成分来处理YAG荧光粉。这种技术的钇铝石榴石荧光粉典型地与铈一起被激发。光谱的黄光部分中的峰值发射归因于铈激活剂。能够添加第二激活元素以激发光谱的红光部分中的的发射峰值。
为此，首先提供具有铈和镨两种激活剂的钇铝石榴石荧光粉。通过铈和镨激发的钇铝石榴石荧光粉包括非常唯一的光谱输出。该光谱包括属于镨的红光峰值，在大约610纳米处。在观察时，红-黄-蓝色的组合呈现“白”色。不象前述的YAG荧光粉的那种冷白色，而是更暖且更舒适的白色。所增加的镨结合了从蓝色发射器到光谱红光部分的更暖、更长波长的更多能量。这样，就可以获得仅仅通过对钆的处理即黄光光谱的移动所不能得到的更暖色温。
为了更完全领会这些，应着重注意图1中的光谱。图1显示了来自蓝色发光半导体芯片的光谱输出，该半导体芯片与具有双激活剂的钇铝石榴石荧光粉结合，其中第一激活剂为铈，且第二激活剂为镨。发射能量1依照波长2绘制。由于氮化物半导体芯片的固有的发射波长，所述光谱在光谱的蓝光区域中的450纳米处具有第一峰值3。这表示穿过波长移动介质的光没有与之产生相互作用。第二峰值4出现在光谱的黄/绿光区域中的555纳米处。这个峰值起因于由铈产生的荧光粉激发。第三光谱峰值5在大约610纳米处，是由第二激活剂镨产生的。另外，在光谱的红光部分观察到某些第二光谱活性6(次峰值)。
作为比较，图2说明现有技术的光谱，仅仅由铈激发并与蓝色氮化物二极管一起被充能的钇铝石榴石荧光粉。该光谱包括直接由于半导体发射形成的蓝光峰值21。由于荧光粉成分的化学比例调整的结果，第二峰值在在范围22周围浮动。图中可以清楚地看出在红光区域23内，即在波长大于620纳米的区域内，有很小的活性或者没有活性。
图3是色度图，其图示出通过将先前描述的蓝色发光二极管和双激发荧光粉的组合所表示的颜色。该三角形表示按照这些原则所制造的并在实验室中所实际测量的各种试验器件。
要承认的是，发射器芯片的准确特性将影响光谱输出。蓝色发射芯片的中心波长优选地大约为450纳米时，这些荧光粉会被波长约在410到450纳米范围的光所充分激发。当双激活剂荧光粉与这样的半导体发射器组合时，所述发射器用光子对荧光粉进行充能，并引发具有黄色分量和红色分量的再次发射，以形成优选的白色二极管。考虑到这种技术的当前状态，用于在该波长范围内的发光二极管半导体的主要特征是InGaAIN类型的氮化物半导体。
在最佳方案中，荧光粉可以描述为：GdzY3-X-Y-ZCeXPrYGa3Al2O12，其中x＝.001-.15，其中y＝.0001-0.05，并且其中z＝.1-2.0。为了获得较佳能级处的强度，有效的是按适当比例设置激活剂。当铈的量在镨的量的3倍至10倍之间时，红色的峰值包含生成平衡白色输出的所必需的能量。这种配置将会产生具有大约在575nm＝±50nm处的第一光谱峰值和约在630＝±30nm处的第二光谱峰值。
为了得到这些新型荧光粉产生的最好结果，应该采用由荧光粉颗粒和软凝胶(gel)组成悬浮介质的方式使用这些新型荧光粉。凝胶有助于热耦合，并且还在膨胀过程中提供机械性减缓。参照图4中的实例装置可以更好地理解上述内容。将具有反光镜42的塑料透镜/盖罩部件41附着到基座43。氮化物半导体二极管44位于凝胶材料5以及散布在其间的荧光粉颗粒组成的介质之下。当一些荧光粉按照很细小的粉末使用时，其中平均颗粒大小在边长上约为2微米甚至更小，这些最新设计的荧光粉在将其采用大颗粒状态形成时，会表现地更好。荧光粉形成过程中，进行研磨从而使得晶体体保持大体积。边长的平均大小为10微米。这样就可以观察到优选的横截面和色散特性。而且，通过实验已经发现，凝胶相对于荧光粉的高比例是优选的。当在重量上凝胶相对于荧光粉的百分比为70％时，得到优选的交互酌截面且生成更平衡的白色输出。其他有用方案包括采用90％凝胶和10％荧光粉形成波长移动混合物。在一些方案中，色散问题并不关键，可以将荧光粉颗粒研磨成更细的粉末，其在边长上具有约2.5微米的平均尺寸。
在最佳方案中，还可以调节凝胶与荧光粉之间的折射率。通过改变荧光粉的成分，特别是改变钇相对于钆的浓度以得到大约1.9到2.0的荧光粉折射率，来调节荧光粉的折射率。可以将凝胶配制为具有大约1.4到1.7的折射率。随着nphosphor∶ngel的比例降低，强度也随之减少。在最佳性能方案中，该比例优选地在1.1和1.4.之间。
现在可以完全领会如何实现具有改善的色温调整能力和色散特征的优选宽谱带白色发射装置。虽然已经采用简单、明确的语言并参考包含发明者预测的最佳方式的优选方案描述了本发明，但是其他方案也是可行的。因此本发明包含的精神和范围并不受限于在此所包括的优选方案的描述，而是由附带的权利要求所定义。
Claims (15)
1、一种包括双激活剂的钇铝石榴石YAG荧光粉合成物物质。
2、如权利要求1所述的荧光粉合成物，其与半导体发光二极管结合用于在约.3至.48微米的光谱范围内发光。
3、如权利要求2所述的荧光粉合成物，其中，所述半导体发光二极管为基于氮化物的半导体。
4、如权利要求3所述的荧光粉合成物，其中，所述双激活剂为铈(Ce)和镨(Pr)。
5、如权利要求4所述的荧光粉合成物，其中，所述荧光粉的分子式描述为：GdZY3-X-Y-ZCeXPrYGa3Al2O12。
6、如权利要求5所述的荧光粉合成物，其中，x＝.001-.15；y＝.0001-0.05；且z＝.1-2.0。
7、如权利要求6所述的荧光粉合成物，其中，所述激活剂中的Ce∶Pr的比值约在3到10之间。
8、如权利要求4所述的荧光粉，其中，所述荧光粉被制备为硅凝胶的晶体颗粒悬浮胶体合成物。
9、如权利要求8所述的荧光粉合成物，其中，所述颗粒的平均尺寸在边长上大于10微米。
10、如权利要求9所述的荧光粉合成物，其中，整个合成物包含大约30％的荧光粉和70％的凝胶。
11、如权利要求8所述的荧光粉合成物，其中，所述荧光粉颗粒平均直径至少约为2.5微米。
12、如权利要求8所述的荧光粉合成物，其中，所述荧光粉和所述凝胶每一个都具有相关的折射率，折射率的比例nphosphor∶ngel大约在1.1-1.4之间。
13、如权利要求1所述的荧光粉合成物，其在大约575nm＝±50nm处具有第一光谱峰值，且在630＝±30nm具有第二光谱峰值。
14、如权利要求13所述的荧光粉合成物，其中，所述第一光谱峰值的特征是具有宽谱带，所述第二光谱峰值的特征是具有比所述第一峰值明显小的窄谱带。
15、如权利要求2所述的荧光粉合成物，其中，发光二极管用于在455±10nm光谱范围中发光。
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