CN1989222A - 掺磷光体的光子带隙材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及掺磷的光子带隙材料的用途。光子带隙材料对于LED作为其中需要高辐射或者在LED用于光学系统的应用中作为光源起到重要作用。目前LED的光学品质是：辐射相当低且不能通过标准方式增加。本发明的目的在于通过使用掺磷光体的光子带隙材料来增加发光设备的辐射。根据本发明，提供了包含光子结构的结构材料，该光子结构仅在特定方向调节光子频率的范围(也被称为光子状态密度)，另外含有具有至少一种发射模式的磷光体材料，其中光子频率处于被所述光子结构调节的范围中，其中该结构材料具有低于立方体的对称性，使得光子结构通过磷光体材料的至少一种发射模式在低于三个方向调节发射的光子的产生，以这种方式增加辐照。

Description

掺磷光体的光子带隙材料
本发明涉及掺磷光体的光子带隙材料的用途。
对于LED(发光二极管)在其中希望高辐射或者LED用于光学系统的应用中作为光源而言，光子带隙材料起着重要作用。现有LED的光学品质在于辐照相当低且由于它们的聚光度(etendue)而不能用标准方式提高。聚光度E表征了光学系统接收光的能力。其是发射源的面积及其传播的立体角的函数。因此，聚光度是系统输出的限制函数。尽管LED提供高的开关速度，但是它们在宽角度发光，这使得它们不太适用于光学系统。LED由一旦被电激发或者光激发就发出光子的所谓发射材料制备。光子带隙材料可以用于为该发射材料设计镜子，该镜子以高效率反射来自一个或者多个角度的选定波长范围的光。此外，它们可以被集成到发射层中以产生发出特定波长和方向的光的LED。
相对低辐照对LED的影响可以阐述如下：辐照L由光通量Φ除以聚光度E获得。聚光度E进而由发光面积A乘以光离开设备的立体角Ω给出：
L＝Φ/E
E＝A*Ω
对于处于热力学平衡中的光源，聚光度是恒定的。这意味着立体角的降低(例如通过采用光学元件)与有效发光面积的增加结合起来。因此，处于热力学平衡中的LED的光通量φ确定时，则没有办法增加LED的辐照L。
当需要高辐照时(像在内窥镜检查中)，或者将LED用于光学系统中(例如在车灯中)以产生特定光分布时，LED的低辐照妨碍或者阻止了LED的应用。这些缺陷由下面表格给出。
光源荧光灯LED卤素灯MPXL(低功率氙灯)UHP(超高压)     光密度[106cd/m2/sr]0.051-1020-301001000
表1
在WO 01/69309A2公开了一种发光结构，该结构具有透明光子带隙电极结构。根据该说明书，在LED(液晶显示器)设备中用半导体/金属氧化物(例如ITO(氧化铟锡))制备的常规透明电极被显示出光子带隙结构的透明多层电极或者透明叠层替代，该透明电极或者透明叠层透射可见波长范围的电磁光谱。根据一个具体实施方案，在活性层之下的衬底层是由碳化硅(SiC)组合物制备的半导体衬底层。
WO 03/087441A1记载了一种抑制了光子发射形式的光子材料。优选地，该材料通过下面方法制备：将聚苯乙烯球组装为光子栅格模板，用第一材料填充材料间的间隙，除去所述球，然后用第二材料填充由所述球留下的空间。两种材料都可以用磷光体掺杂。提及了两类重要的发光磷光体，即斯托克斯(Stokes)磷光体，其发出波长比吸收的光波长长的光，和反斯托克斯磷光体，其发出波长比吸收的光波长短的光。
本发明的目的在于通过利用掺杂了磷光体的光子带隙材料改善发光设备的辐照。
根据本发明提供了一种结构材料，包括：
-仅在特定方向调节一定范围的光子频率(也称为光子状态密度(photon density of states))的光子结构；和
-具有至少一种发射模式的磷光体材料，其中光子频率在被所述光子结构调节的范围中，即光子状态密度，
其中该结构材料具有低于立方体的对称性，使得该光子结构通过所述磷光体材料的至少一种发射模式在低于三个方向调节发射的光子的产生，以此方式增加辐照。
在一个优选实施方案中，磷光体材料嵌入在光子结构中。
根据另一实施方案，磷光体材料至少部分包覆在光子结构中。
所述结构材料优选包括被设计用来通过磷光体材料的所述至少一种发射模式调节发射的光子的反射性材料。
在另一优选实施方案中，所述光子结构包括周期性栅格。
根据本发明，还提供了包括根据上述实施方案之一的结构材料的LED(发光二极管)。
因此，本发明的一项基本特征在于应用掺杂在光子带隙材料中的物质，这有助于产生其中吸收和发射不再必需在相同波长进行的单元。由于(反)斯托克斯迁移，发出在特定范围内的不被发光材料吸收的光。通过这种方式就可能绕开热力学平衡，因此现在存在一种方式来通过改变波长增加辐照。结果，因为发光不是在热平衡中进行，现在克服了LED的缺陷。然而，这在非光子带隙材料中也是可能的，因此，这并不是本发明的特定特征。
本发明的更重要的方面在于，光子带隙材料现可用于通过选择主体光子晶体的合适对称性，调节光子带隙材料中掺杂的一种或多种发光材料在一个或者多个优选的方向的发光，并阻止在其它方向的发射，以这种方式绕过热力学平衡。为此目的，必须选择对称性低于立方体的主体光子学晶体。因此，可以强烈降低立体角，降低聚光度和增加辐照和/或降低根据上述式子的有效发光面积。
在LED中产生的光以特定的立体角发出。鉴于聚光度恒定，这意味着立体角的降低伴随着有效发光面积的增加。光子带隙材料可以以这样的方式设计，使得光传播被抑制到一个或者多个方向和特定波长范围内。发光材料的使用改变了辐射波长。根据一个优选实施方案，使用了光子带隙结构，该光子带隙结构利用LED发出的所有光但是仅在一个或者两个方向发出光。利用LED发出的所有光意味着发光材料在这样的光谱范围中进行吸收，其中光可以在光子带隙材料中以所有方向传播。
本发明现在借助举例的方式参照附图进行阐述。
附图示出了由掺杂有许多更小的发光部分(用黑圈表示)的尺寸在光波长级别的构件块(用白圈表示)构成的光子晶体的截面图。发光部分对光子晶体的周期性没有影响。发光颗粒应当具有低于500nm的直径。

Claims (6)

1.一种结构材料，包括：
-仅在特定方向调节光子频率的范围的光子结构；和
-具有至少一种发射模式的磷光体材料，其中光子频率在被所述光子结构调节的范围中，
其中该结构材料具有低于立方体的对称性，使得该光子结构通过所述磷光体材料的至少一种发射模式在低于三个方向调节发射的光子的产生。
2.权利要求1的结构材料，其中磷光体材料嵌入到光子结构中。
3.权利要求1或2的结构材料，其中所述磷光体材料至少部分包覆在光子结构中。
4.前述权利要求中任一项的结构材料，包括被设计用来通过磷光体材料的所述至少一个发射模式调节发射的光子的反射性材料。
5.前述权利要求中任一项的结构材料，其中所述光子结构包括周期性栅格。
6.一种LED(发光二极管)设备，包括根据前述权利要求之一的结构材料。
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