PŘIHLÁŠKA VYNÁLEZU

Zveřejněná podle §31 zákona č. 527/1990 Sb.

(22) Přihlášeno: 17.03.2020 (40) Datum zveřejnění přihlášky vynálezu: 05.05.2021 (Věstník č. 18/2021) (21) Číslo dokumentu:

2020-147 (13) Druh dokumentu: A3 (51)Int. Cl.:

(19)

ČESKÁ REPUBLIKA

ÚŘAD PRŮMYSLOVÉHO VLASTNICTVÍ

C09K11/64

C30B 29/22

F21K2/06

H01L 27/14 (2006.01) (2006.01) (2006.01) (2006.01) (71) Přihlašovatel:

CRYTUR, spol. s.r.o., Turnov, CZ (72) Původce:

Ing. RNDr. Jan Kubát, Ph.D., Žďár, CZ

Dr. Jindřich Houžvička, Turnov, CZ RNDr. Martin Pokorný, Karlovice, CZ (74) Zástupce:

PatentCentrum Sedlák & Partners s.r.o., Okružní 2824, 370 01 České Budějovice, České Budějovice 3 (54) Název přihlášky vynálezu:

Kompaktní světelný modul

CZ 2020 -147 A3 (57) Anotace:

Kompaktní světelný modul (1) pro vyzařování alespoň jednoho spektra vlnových délek se zvýšenou intenzitou záření je sestaven z alespoň jednoho zdroje (2) excitačního záření emitujícího ve spektru UV vlnových délek, které mají vyšší energii, a z alespoň jednoho monokrystalického luminoforu (3) tvořeného sloučeninou aluminátového typu obecného vzorce Αμ _xMgAlioOi7:Eu²⁺x, kde A je chemicky prvek z dvojice chemických prvků Ba a Sr, a X leží v rozsahu 0 až 0,15, a využívá jevu totální reflexe k zesílení vystupujícího záření.

CZ 2020 - 147 A3

Kompaktní světelný modul

Oblast techniky

Vynález se týká modulu světelného zdroje pro vyzařování alespoň jednoho spektra vlnových délek se zvýšenou intenzitou záření.

Dosavadní stav techniky

V současné době se ke konverzi světla požadovaných parametrů používají luminofomí materiály, tzv. luminofory. Luminofory jsou excitovány excitačním světlem se specifickým spektrem vlnových délek, načež samy začnou emitovat světlo o jiném specifickém spektru vlnových délek.

Tohoto známého stavu techniky je s výhodou využito pro vytvoření světla se specifickým spektrem vlnových délek, nebo pro vytvoření světla kombinujícího v sobě více spekter vlnových délek, zejména bílého světla a to kombinací modré diody a luminoforu emitujícího zelenou, žlutou a červenou část optického spektra. Například je známo, že jedny z nej rozšířenějších elektrických zdrojů světla - polovodičové světlo emitující diody (LED) - mají mimo jiných nevýhod také obtíže produkovat světlo ve spektru zelených vlnových délek („Green gap“), zatímco produkce modrého světlaje možné, s typickou účinností 30%, dosáhnout za pomocí InGaN polovodičových diod. Z toho důvodu se polovodičové diody využívají k emisi modrého excitačního světla ajeho část je následně absorbována materiálem luminoforu, načež je doplňkové zelené nebo žluté doplňkové spektrum emitováno materiálem luminoforu. Konkrétním materiálovým příkladem luminoforu sloužícího ve světelných zdrojích je velmi rozšířená granátová struktura Y3AI5O12 dopovaná ionty ceru Ce³⁺ (YAG:Ce³⁺). Tato granátová struktura může s přidáním dalších dopantů, nahrazujících iont yttria, zejména lutecia, po excitaci emitovat světlo vlnových délek od zeleného spektra po žluté spektrum, a proto je jedním z nej využívanějších materiálů pro zdroje bílého světla. Příkladem použití luminoforu ve zdroji bílého světlaje vynález prezentovaný v dokumentu CZ 304579 B6.

Obecně lze říct, že se luminofory využívají k zisku světla se spektry vlnových délek, které současné elektrické zdroje světla, zejména polovodičové světlo emitující diody, nemají dostatečně efektivní schopnosti produkovat nebo nejsou schopny dosáhnout požadované hustoty záření, jasu, z diody emitované. Což je problém zvláště pro zelené (AlGaP) a červené polovodičové diody (AlGaAs).

Pro dosažení výrazně vyšší hustoty výkonu s hodnotami jasu více než 1000 cd/mm² je využíván koncept světelného zdroje využívajícího monokrystalického luminoforu jako koncentrátoru záření popsaný v patentu WO 2014/155250 AI. Zde je vyroben z materiálu koncentrátoru ze skupiny granátů a osvícen polem modrých LED diod, tak aby záření z diod bylo maximálně absorbováno. V závislosti na úhlu dopadu fotonu na rozhraní krystal a okolní prostředí, je emitované záření zpětně odraženo vlivem jevu totální reflexe (TIR). Tento jev je přitom významnější pro materiály s vyšším indexem lomu. Takto uvězněné záření je následně emitované vyvažováno z jednoho čela koncentrátoru a je úměrné celkové intenzitě záření koncentrátorem absorbované.

Nevýhodou výše uvedeného řešení je, že prostor pro obestavení luminoforu zdroji excitačního záření je ve světelném zdroji omezen, což v konkrétních aplikacích, zejména v časech miniaturizace, limituje počet zdrojů excitačního záření. Pro omezený počet použitých zdrojů excitačního záření se za účelem vyšší intenzity emitovaného světla musí používat výkonnější polovodičové diody. Dále uvedené skutečnosti limitují konstrukci konkrétních řešení světelných zdrojů z hlediska odvodu odpadního tepla, jak z luminoforů, tak z vysoce výkonných zdrojů excitačního světla, přičemž špatné řešení nakládání s odpadním teplem může vést ke zhášení luminoforu, či k degradaci luminoforů a zdrojů excitačního světla. Lze tedy zjednodušeně prohlásit, že v současném stavu techniky světelných zdrojů existuje limit excitační energie, kterou

- 1 CZ 2020 - 147 A3 je možné v daný okamžik distribuovat do objemu luminoforu, což znamená, že je intenzita záření emitovaného světla omezena.

Na druhou stranu je známo, že fotony světelného záření kratší vlnové délky nesou v sobě více energie, oproti fotonům delší vlnové délky. Pokud by došlo ke zkrácení vlnové délky excitačního světla, bude výše uvedený teoretický limit excitační energie pro daný okamžik posunut dále. Jinými slovy to znamená, že by bylo možné v daný okamžik přenést do luminoforu více excitační energie, a tím by bylo možné získat intenzivnější emitované světlo.

Úkolem vynálezu je vytvoření kompaktního světelného modulu, který by vyzařoval alespoň jedno spektrum vlnových délek se zvýšenou intenzitou záření díky přeměně excitačního světla o kratších vlnových délkách.

Podstata vynálezu

Vytčený úkol je vyřešen vytvořením kompaktního světelného modulu podle dále uvedeného vynálezu.

Kompaktního světelný modul slouží k vyzařování alespoň jednoho spektra vlnových délek se zvýšenou intenzitou záření. Kompaktní světelný modul využívající luminofor je sestaven dle zavedených principů, to znamená, že zahrnuje alespoň jeden zdroj excitačního záření a alespoň jeden monokrystalický luminofor pro emisi emitovaného záření.

Podstata vynálezu spočívá vtom, že pro monokrystalický luminofor byla vynalezena nová sloučenina aluminátového typu obecného vzorce Ai-xMgAlioOi7:Eu²⁺x, kde A je chemicky prvek z dvojice chemických prvků Ba a Sr, a X leží v rozsahu 0 až 0,15. Tato sloučenina dovede také konvertovat excitační záření UV spektra vlnových délek s emisí v oblasti mezi 340 nm až 420 nm, kde každý foton nese vyšší energii. Aktivními centry jsou v tomto případě ionty Eu²⁺. Současně musí být alespoň jeden zdroj excitačního světla schopen produkovat UV záření.

Hlavní výhodou vynálezu je, že při použití v již navržených konstrukcích modulů světelných zdrojů, ve formě koncentrátoru záření, produkuje intenzivnější záření, než je záření z jednotlivých LED (WO 2014/155250 AI). Není nutné pro zisk intenzivnějšího záření navrhovat složitější konstrukce modulů světelných zdrojů, anebo při zachování stejného světelného výkonu lze světelný modul podle vynálezu miniaturizovat.

V dalším výhodném provedení kompaktního světelného modulu podle vynálezu má monokrystalický luminofor tvar hranolu, nebo válce. Hranol a válec jsou pro praktické aplikace nej vhodnějšími tvary tělesa luminoforu. Současně alespoň jedna plocha tělesa luminoforu tvoří emisní plochu a alespoň část povrchu tělesa luminoforu tvoří napájecí plochu pro excitační záření. Vzhledem k malému obsahu emisní plochy, vůči velkému obsahu napájecí plochy, vystupuje emitované záření v podobě intenzivního světelného toku. S výhodou je možné koncentrovat veškeré emitované záření do jedné emisní plochy, pokud má těleso luminoforu jednu podstavu zaslepenou proti emisi emitovaného světla reflexní vrstvou, nebo kovovým náparem, nebo zrcátkem.

Rovněž je výhodné provedení kompaktního světelného modulu podle vynálezu, ve kterém má vynalezený luminofor k emisní ploše připojen alespoň jeden komplementární luminofor pro alespoň částečnou konverzi emitovaného záření. Konverzí alespoň části emitovaného záření vznikne další spektrum vlnových délek, které se smíchá s emitovaným spektrem vlnových délek podle požadavku konkrétní aplikace. Je výhodné použít komplementární luminofor tvořený sloučeninou definovanou vzorcem (Yi-_x-yLu_xGdy)3A150i2:Ce³⁺, kde koeficienty x a y jsou voleny z rozmezí od 0 do 1, neboť tato sloučenina má absorpční maximum v oblasti vlnových délek spektra emitovaného záření vynalezené aluminátové sloučeniny.

-2 CZ 2020 - 147 A3

V neposlední řadě je výhodné provedení kompaktního světelného modulu podle vynálezu, ve kterém má těleso luminoforu k alespoň jedné emisní ploše, nebo ke komplementárnímu luminoforu, optickým lepidlem, nebo transparentním silikonem, nebo technikou difúzního bondování, připojený parabolický koncentrátor, nebo optický hranol. S výhodou je parabolický koncentrátor, nebo optický hranol, ze skla, nebo ze silikonu, nebo z plastu. Je výhodné se světelným tokem emitovaného záření ihned opticky pracovat, jakmile se vyváže z objemu luminoforů.

Mezi výhody vynálezu patří možnost konvertovat záření UV spektra s větší energií pro zisk ve výsledku intenzivnějšího záření požadovaného spektra vlnových délek. To přináší nové možnosti miniaturizace známých konstrukcí světelných modulů, a dále to přináší možnost vytvářet nové aplikace s požadavkem na intenzivnější záření.

Objasnění výkresů

Uvedený vynález bude blíže objasněn na následujících vyobrazeních, kde:

obr. 1 znázorňuje kompaktní světelný modul pro emisi modrého světla;

obr. 2 znázorňuje kompaktní světelný modul pro emisi bílého světla; a obr. 3 je graf popisující vlastnosti vynalezeného materiálu.

Příklady uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že dále popsané a zobrazené konkrétní případy uskutečnění vynálezu jsou představovány pro ilustraci, nikoliv jako omezení vynálezu na uvedené příklady. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zajistit za použití rutinního experimentování větší či menší počet ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde popsána.

Jak je patrno z grafů obr. 3, tak vynalezený luminofor 3 má absorpční pás v rozmezí od 340 nm do 420 nm, takže může být osvětlován, jak UV LED, tak LED diodami. Emisní maxima vynalezeného materiálu jsou podle obr. 3 v oblasti 460 nm.

Změna koncentrace dopantu Eu²⁺ ve zkušebních vzorcích luminoforu 3 měnila míru optické absorpce v luminoforu 3, přičemž bylo zjištěno, že od obsahu 15%at výše nebyla úprava optické absorpce pro vynález již dále využitelná.

Příklad 1

Kompaktní světelný modul 1 pro emisi modrého světla vyobrazený na obr. 1 má trámečkový monokrystalický luminofor 3 o rozměrech 1,5 x 2,5 x 70 mm s leštěnými plochami a je vyroben z materiálu BaMgAhoOi7:Eu²⁺ s obsahem 5%at Eu²⁺. Ze dvou stran je osvícen zdroji 2 excitačního světla tvořenými UV LED diodami s emisí v oblasti 375 nm. K emisní ploše 4 je připojen skleněný parabolický koncentrátor 7 zakrývající celou emisní plochu 4, Na druhé straně hranolu luminoforu 3 je deponována reflexní vrstva na bázi Ag. (Na obr. 1 je pro lepší názornost vyobrazeno zrcátko 5.) Parabolický koncentrátor 7 může být eventuálně nahrazen optickým hranolem, který poslouží jako optické vedení, pokud si to konkrétní aplikace použití vynálezu žádá.

Excitační záření z UV diod je absorbované v materiálu modrého luminoforu 3 a zpětně emitované na vlnové délce v oblasti 460 nm. Toto záření je vedeno v materiálu luminoforu 3 díky jevu totální reflexe a vystupuje z hranolu luminoforu 3 skrze parabolický koncentrátor 7. Výsledné záření

-3 CZ 2020 - 147 A3 vystupující ze světelného modulu 1 je charakterizované maximem emise o vlnové délce 460 nm a světelném výkonu 30 W, při excitaci výkonem 110 W. Kompaktní světelný modul 1 může být následně využit jako náhrada modrých vysoce výkonných polovodičových diod.

Příklad 2

Kompaktní světelný modul 1 zahrnuje monokrystalický hranol modrého luminoforu 3 z materiálu SrMgAlioOi7:Eu²⁺ s obsahem 2%at Eu²⁺ o rozměrech 2,1 x 2,0 x 50 mm s leštěnými plochami. Luminofor 3 je ze dvou stran osvícen zdroji 2 excitačního světla tvořenými UV LED diodami s emisí v oblasti 375 nm. K emisní ploše 4 luminoforu 3 je pomocí transparentního silikonu připojen celoleštěný hranolek žlutého komplementárního luminoforu 6 z materiálu YjALO^Ce³* o rozměrech 2,1 x 2,0 x 0,25 mm, a k němu je dále připojen skleněný parabolický koncentrátor 7 zakrývající celé čelo hranolu komplementárního luminoforu 6. Na druhé straně hranolu luminoforu 3 je umístěné stříbrné zrcátko 5.

Excitační záření z UV diod je absorbované v materiálu modrého luminoforu 3 a zpětně emitované na vlnové délce v oblasti 460 nm. Toto záření je vedeno v materiálu monokrystalu luminoforu 3 díky jevu totální reflexe a vstupuje do žlutého komplementárního luminoforu 6, kde je částečně absorbované a emituje žlutou složku barevného spektra s maximem emise 550 nm. Obě emitované složky záření jsou vedeny ve složené monokrystalické komponentě modulu 1 a vychází jako bílé záření skrze parabolický koncentrátor 7, které je charakterizované barevnou teplotou CCT = 6600 K a hodnotou CRI = 71.

Průmyslová využitelnost

Kompaktní světelný modul podle vynálezu nalezne uplatnění zejména v osvětlovací technice, do jejíchž aplikací spadají např. světelné zdroje projektorů, světlometů, či osvětlení budov.