TWI570361B

TWI570361B - 波長轉換元件

Info

Publication number: TWI570361B
Application number: TW101125183A
Authority: TW
Inventors: 瑞菲雅特慕司塔法海麥特; 約翰盧布; 芮琳西歐朵勒斯威爾; 哈爾鮑路斯艾伯圖斯凡; 珍卡爾尼斯克瑞吉
Original assignee: 皇家飛利浦有限公司
Priority date: 2011-07-13
Filing date: 2012-07-12
Publication date: 2017-02-11
Also published as: JP6157462B2; CN103649269B; EP2546320A1; US9897285B2; JP2014531739A; TW201309977A; WO2013008125A1; EP2732006B1; CN103649269A; US20140125222A1; EP2732006A1

Description

波長轉換元件

本發明係關於一種波長轉換元件及一種包括此一光轉換元件之發光裝置，該波長轉換元件包括一聚合物載體材料，該聚合物載體材料包括一磷光體。

基於發光二極體(LED)之照明裝置正愈來愈多地用於多種照明應用。LED提供優於諸如白熾燈及螢光燈等傳統光源之優點，包含長壽命、高流明效力，低操作電壓及流明輸出之快速調變。

高效高功率LED通常係基於藍色發光材料。為產生具有一所要色彩(例如，白色)輸出之一基於LED之照明裝置，可使用通常稱作磷光體之一適合波長轉換材料，其將由LED發射之光之部分轉換成較長波長之光以便產生具有所要光譜特性之一光組合。可將波長轉換材料直接施加於LED晶粒上，或可將其配置於距磷光體之某一距離處(所謂的遠端組態)。

已將諸多無機材料用作磷光體材料以用於將由LED發射之藍色光轉換成較長波長之光。然而，無機磷光體具有相對昂貴之缺點。此外，無機磷光體係光散射顆粒，因此總會反射傳入光之一部分，此導致一裝置中之效率之損失。此外，無機LED磷光體(尤其對於發紅色LED磷光體而言)具有有限量子效率及一相對寬廣之發射光譜，此導致額外效率損失。

目前，正在考量用有機磷光體材料代替LED中之無機磷光體，在該等LED中期望將藍色光轉換為黃色光或橙色光，例如用於達成白色光輸出。有機磷光體之優點在於，可關於位置及頻寬容易地調整其發光光譜。有機磷光體材料亦通常具有一高透明度，此係有利的，此乃因與使用更具光吸收及/或反射磷光體材料之系統相比照明系統之效率得以改良。此外，有機磷光體比無機磷光體在成本上更低。然而，由於有機磷光體對在LED之電致發光活動期間所產生之熱敏感，因此有機磷光體主要用於遠端組態裝置中。

阻礙有機磷光體材料在基於遠端磷光體LED之照明系統中應用之主要缺點係其不良之光化學穩定性。

US2007/0273274(Horiuchi等人)揭示一種半透明層壓片，其包括一發光裝置且包括一有機磷光體，該有機磷光體配置於具有低氧濃度之一氣密腔中，以便減少磷光體之劣化。然而，保持一低氧濃度係困難且高成本的。

因此，此項技術中仍需要經改良之採用有機磷光體材料之發光裝置。

鑒於前文所提及及先前技術之其他缺點，本發明之一目標係提供包括具有增加之壽命之一磷光體之波長轉換元件。

根據本發明之一第一態樣，該目標及其他目標藉由包括一聚合物載體材料之一波長轉換元件而達成，該聚合物載體材料包括經調適以將一第一波長之光轉換為一第二波長之光之一第一有機波長轉換材料，其中該聚合物載體材料之氧擴散係數(D)在25℃下為8×10^-13 cm²/s或更小。該波長轉換元件包括於一發光裝置中，該發光裝置進一步包括經調適以發射一第一波長之光之一光源，其中該波長轉換元件經配置以接收該第一波長之光且經調適以將該第一波長之光之至少部分轉換為一第二波長之光。

在本發明之實施例中，該第一波長轉換材料可係包括苝衍生物之一有機磷光體材料。

可藉由將一有機磷光體材料併入於聚合物材料中以改良其穩定性，且此情況最近已在未公開申請案(EP 10181066.1)中予以進一步闡述，該未公開申請案以引用的方式併入本文中。

本發明人驚奇地發現：一波長轉換材料在含於一惰性氛圍中時之降級速率相比於在具有0.6%或更小之一氧濃度之一氛圍中之對應降級速率係基本相同，而對於高於0.6%之氧濃度，一波長轉換材料之降級速率隨氧濃度增加而快速增加，正如通常預期的那般。因此，本發明人已發現：可藉由提供具有0.6%或更小之一氧濃度之一氛圍來達成與在一惰性氛圍中所達成相同之一波長轉換材料之穩定性且因此壽命。藉此，不需要提供一完全惰性氛圍。

自上文所論述之發現來類推，本發明人已發現：包含於一聚合物載體材料中諸如一有機磷光體材料之一波長轉換材料展現完美穩定性且因此經改良之壽命，惟該聚合物載體材料之氧擴散係數(D)在25℃下為8×10^-13 cm²/s或更小。本發明人已展示：對於具有高於8×10^-13 cm²/s之一氧擴散係數(D)(因此大概對應於上文所論述之0.6%之上限氧濃度)之聚合物載體材料，波長轉換材料之降級速率隨氧擴散係數(D)增加而快速增加。

有利地，該聚合物載體材料之氧擴散係數(D)在25℃下可為4×10^-13 cm²/s或更小，諸如，舉例而言在25℃下為1×10^-13 cm²/s或更小。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該聚合物載體材料可有利地包括一半晶質聚合物材料。

有利地，該第一波長轉換材料包括一有機波長轉換材料。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該第一波長轉換材料可包括一苝衍生物。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該聚合物載體材料之玻璃轉變溫度可係60℃或以上，舉例而言，100℃或以上，諸如140℃或以上。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該聚合物載體材料有利地對該第一波長及該第二波長之光係透明的。

在根據本發明之波長轉換元件中，該聚合物載體材料包括：聚對苯二甲酸乙二酯(PET)及/或其一共聚物；及/或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)及/或其一共聚物；或聚丙烯腈、聚二氯亞乙烯、纖維素、聚醯胺及乙烯乙烯醇中之至少一者。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該第一波長轉換材料可分散於該聚合物載體材料，其中該第一波長轉換材料在波長轉換構件中之含量在重量上可係1%或更小。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該聚合物材料可呈一膜之形式，該膜具有介於自30微米至2毫米之範圍內之一厚度。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該波長轉換元件可包括經調適以將一第一波長之光轉換成一第三波長之光之一第二波長轉換材料。因此，使用一種以上波長轉換材料，可更方便地視需要來調適其光學性能。該第二波長轉換材料可係無機或有機的。

在根據本發明之發光裝置之實施例中，該光源及該波長轉換元件可經配置而相互間隔開，亦即呈所謂的遠端組態形式，其中該波長轉換元件較少曝露於LED之高操作溫度，藉此減少該磷光體材料之降級速率。

一種製造供在一波長轉換元件中使用之一聚合物材料之方法，其包括識別在25℃下具有8×10^-13 cm²/s或更小之一氧擴散係數(D)之一聚合物載體材料之步驟。

應注意，本發明係關於申請專利範圍中所述特徵之所有可能組合。

現將參照展示本發明之例示性實施例之隨附圖式更詳細地闡述本發明之此態樣及其他態樣。

在以下說明中，參照一波長轉換元件及包括此波長轉換元件之一發光裝置闡述本發明，該波長轉換元件包括其中具有分散或分子溶解之波長轉換材料之一聚合物載體材料。

本發明人已驚奇地發現：藉由選擇在25℃下具有為8×10^-13 cm²/s或更小之一氧擴散係數(D)之一聚合物載體材料達成該波長轉換材料之經改良穩定性且因此延長之壽命。該聚合物載體材料之氧擴散係數(D)可較佳地在25℃下為4×10^-13 cm²/s或更小，諸如，舉例而言，在25℃下為1×10^-13 cm²/s或更小。

該聚合物載體材料可有利地包括一半晶質聚合物。

此外，該聚合物載體材料可有利地具有一相對高之玻璃轉變溫度，例如，60℃或以上，較佳地100℃或以上，諸如140℃或以上。此乃因一聚合物之氧擴散係數通常在高於其玻璃轉變溫度之溫度下相對高。因此，具有一相對高玻璃轉變溫度之一聚合物載體材料即使在較高溫度(例如，LED之高操作溫度)下亦可維持一低氧擴散係數。

圖1a至圖1d展示根據本發明之一發光裝置104、105、106、107之例示性實施例之一剖面側視圖，該發光裝置 104、105、106、107包括複數個LED 100及至少一個波長轉換元件101、102、103、110，該至少一個波長轉換元件101、102、103、110在距LED 100之一距離配置為所謂的遠端組態以接收自LED 100發射之一第一波長之光且經調適以將第一波長之光之至少部分轉換成一第二波長之光。該聚合物載體材料通常係光透射式，使得由該等LED發射及/或由波長轉換元件101、102、103、110中所包括之波長轉換材料轉換之光可透射穿過。

如圖1a中所展示，一發光裝置104可包括複數個波長轉換元件101，每一波長轉換元件經配置以接收來自一單個LED 100之光，或如圖1b至圖1d中所展示，一發光裝置105、106、107包括經配置以接收來自所有該等LED 100之光之一單個波長轉換元件102、103、110。此外，如圖1c至圖1d中所圖解說明，波長轉換元件103、110可經定形為一拱頂形或圓球形。該波長轉換元件亦可呈一膜之形式，該膜可彎曲且可將其裝配至一玻璃管中或纏繞在一玻璃管上，且此管可具備發光二極體以用作一改裝螢光燈。當聚合物載體材料呈其中分散有波長轉換材料之一膜之形式時，該膜之厚度可在自30微米至2毫米之範圍內。

圖1d展示根據本發明之發光裝置之一實施例，此處，該發光裝置係提供為一改裝燈107，改裝燈107包括具備一傳統燈口108之一燈頭部分108。圖1d中之光轉換元件110呈一圓球形形式以適配光出口構件109之對應形式。

此外，熟習此項技術者應瞭解，本發明方法並非係關於任何特定有機磷光體化合物之使用，且因此，該波長轉換材料可包括具有針對該波長轉換元件之一既定應用之所要性能之任何有機磷光體化合物。然而，苝衍生化合物(諸如，苝雙醯胺及苝單醯胺，舉例而言，可自BASF購得之染料「F170」、「F240」、「F083」、「F300」或「F305」中任一者)可有利地用作展示高於其他磷光體化合物之穩定性及良好光學性能之此等磷光體化合物。

其他實例包含二氟-硼二環戊二烯並苯衍生物(BODIPY)螢光染料、茀衍生物、香豆素染料、呫噸染料、吡咯甲烷-BF2(P-BF2)錯合物、二苯乙烯衍生物、羅丹明染料、諸如聚伸苯基乙烯(PPV)聚苯基衍生物之發光聚合物、螢光金屬錯合物，及其他。

在本發明之一實施例中，該第一波長轉換材料可包括諸如所謂量子點之奈米磷光體，舉例而言，包括硒化鎘及磷化銦。

在根據本發明之波長轉換元件之實施例中，該波長轉換元件可包括經調適以將一第一波長之光轉換為一第三波長之光之一第二波長轉換材料。該第二波長轉換材料可係一無機磷光體材料或一有機磷光體材料。因此，使用一種以上波長轉換材料，可更方便地視需要調適輸出光之光譜組成。

無機磷光體材料之實例可包括但不限於Ce摻雜之YAG(Y₃Al₅O₁₂)或LuAG(Lu₃Al₅O₁₂)。Ce摻雜之YAG發射淡黃色光，且Ce摻雜之LuAG發射黃綠色光。發射紅色光之無機磷光體材料之其他實例可包括但不限於ECAS(ECAS，其係Ca_1-xAlSiN₃：Eu_x；其中0<x≦1；尤其x≦0.2)及BSSN(BSSNE，其係Ba_2-x-zM_xSi_5-yAlyN_8-yO_y：Eu_z(M=Sr、Ca；0≦x≦1，尤其x≦0.2；0≦y≦4，0.0005≦z≦0.05)。

在本發明中，有利地，光源係一固態光源，諸如，舉例而言，較佳地以光譜中之藍紫色或紫外光部分發射光之一LED或一雷射。

另外，在實踐所請求本發明中，熟習此項技術者可自對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之一研究而瞭解及實現所揭示實施例之變化形式。例如，圖1a至圖1d僅係其中可使用本發明之波長轉換元件之發光裝置之例示性實施例，應瞭解該波長轉換元件可經調適且用於其中期望將光自一個波長轉換至另一波長之近乎任何類型之發光裝置中。此外，該波長轉換元件可施加為任何發光裝置上一塗層。本發明亦涵蓋，波長轉換構件可係一自支撐層，諸如獨立於具有任何適合形狀之一發光裝置之一膜或片。

根據本發明之方法之優點已在實驗中證實。

實例

在一實驗中，在一聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基質中使用0.1%濃度之紅色F305染料(其係一市售有機磷光體)。圖2展示自所製備PMMA基質之一30微米厚之層之發射，該所製備PMMA基質包括以作為時間之一函數之4.2 W/cm²之一光通量密度用450奈米之藍色光照明之磷光體材料。該層中初始吸收係10%，因此該密度與染料濃度直接相關。如可見，該密度由於光化學反應而隨時間不可逆地下降，以一衰減速率k而呈時間之一指數函數下降。

接著以4.2 W/cm²一光通量密度用450奈米藍色光照明含磷光體材料之所製備聚合物材料，且針對各種氧濃度以不同溫度量測該磷光體材料之衰減速率。在圖3中，衰減速率(其係壽命之一度量)繪製為溫度倒數之一函數。如在圖3中可見，對應於一給定氧濃度之平行線隨氧濃度之增加而朝向較高降級速率向上移位。

在圖4中，在120℃下量測之磷光體材料之降級速率在一對數標度上繪製為氧濃度(在氮中)之一函數。可見，可識別兩種不同型態。直到0.1%氧之所量測點，濃度對於降級速率僅具有一輕微影響。因此，本發明人可藉由繪畫圖4中所展示之直線來定義兩種型態。此等線在一0.6%氧濃度處交叉。本發明人定義兩種型態：直到大約0.6%氧，降級速率保持在第一型態中且氧濃度對於降級速率僅具有一輕微影響。在較高氧濃度下，降級速率隨氧濃度之增加而非常快速地增加。

以相同方法，本發明人使用具有不同氧擴散常數之各種聚合物，及在60℃下量測其中所含之苝紅色F305材料之降級速率。結果展示於表1並繪製在圖5中，其中所量測之磷光體材料之降級速率繪製為聚合物之氧擴散係數之一函數。如圖5中所展示，磷光體之降級速率對於具有高於8×10^-13 cm²/s之氧擴散常數(D)之聚合物相對恆定，而當D約為或低於8×10^-13 cm²/s時，磷光體之降級速率顯著降低。

在另一實驗中，在一聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基質中使用0.01%之溶劑黃98(一非苝衍生之化合物)，並與一PET基質中之一類似實驗比較。實驗條件同上。如表2中所展示，觀察到，比較PMMA(其係具有一相對高氧擴散係數之一聚合物(參見表2))中之降級速率，PET(其係具有一相對低氧擴散係數(參見表2)之一聚合物)中之一降級速率較低。

使用具有在各種照明裝置中使用之範圍介於0.03毫米至2毫米之一厚度之層獲得此處所觀察之趨勢。所進行之實驗加快測試速度，其中非常高之藍色光密度導致合理之實驗時間。在標稱照明條件下，藍色光密度低得多導致一緩慢的多之衰減，使得在某些條件下可滿足LED燈之壽命要求(通常為50000小時)。

在申請專利範圍中，詞語「包括(comprising)」並不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一(a)」或「一(an)」並不排除複數。一單個處理器或其他單元可完成申請專利範圍中所陳述之數個項目之功能。在相互不同附屬請求項中陳述之某些措施之單純事實並不指示無法有利地使用此等措施之一組合。

100‧‧‧固態光源/光源/複數個發光二極體

101‧‧‧波長轉換元件/至少一個波長轉換元件/複數個波長轉換元件

102‧‧‧波長轉換元件/單個波長轉換元件/至少一個波長轉換元件

103‧‧‧波長轉換元件/單個波長轉換元件/至少一個波長轉換元件

104‧‧‧發光裝置

105‧‧‧發光裝置

106‧‧‧發光裝置

107‧‧‧發光裝置/改裝燈

108‧‧‧傳統燈口/燈頭部分

109‧‧‧光出口構件

110‧‧‧波長轉換元件/單個波長轉換元件/至少一個波長轉換元件

圖1a至圖1d展示根據發明之一發光裝置之實施例之一側面剖視圖；圖2展示來自包括一磷光體材料之一聚合物材料之一層作為時間之一函數之發射之一曲線圖；圖3展示一聚合物材料中所包括之一磷光體材料在不同氧濃度下作為溫度倒數之一函數之衰減速率之一曲線圖；圖4展示一聚合物材料所中包括之一磷光體材料作為氧濃度(在N₂中)之一函數在一對數標度上之衰減速率(在120℃下所量測)之一曲線圖；及圖5展示不同聚合物材料中所包括之一磷光體材料作為該等不同聚合物材料之氧擴散常數(D)之一函數之衰減速率(在60℃下所量測)之一曲線圖。

100‧‧‧固態光源/光源/複數個發光二極體

107‧‧‧發光裝置/改裝燈

108‧‧‧傳統燈口/燈頭部分

109‧‧‧光出口構件

110‧‧‧波長轉換元件

Claims

一種發光裝置(104、105、106、107)，該發光裝置(104、105、106、107)包括：一固態光源(100)，其經調適以發射一第一波長之光；及一波長轉換元件(101、102、103、110)，其中該波長轉換元件經配置以接收該第一波長之光且經調適以將該第一波長之該光之至少部分轉換為一第二波長之光，該波長轉換元件(101、102、103、110)包括對該等第一及第二波長之光透明之一聚合物載體材料，該聚合物載體材料包括經調適以將一第一波長之光轉換為一第二波長之光之一第一有機波長轉換材料，其中該聚合物載體材料之氧擴散係數(D)在25℃下為8×10^-13 cm²/s或更小，其中該聚合物載體材料包括聚對苯二甲酸乙二酯(PET)及/或其一共聚物，及/或聚萘二甲酸乙二酯(PEN)及/或其一共聚物，或聚丙烯腈、聚二氯亞乙烯、纖維素、聚醯胺及乙烯乙烯醇中之至少一者。
如請求項1之發光裝置，其中該聚合物載體材料之該氧擴散係數(D)在25℃下為4×10^-13 cm²/s或更小。
如請求項1之發光裝置，其中該聚合物載體材料之該氧擴散係數(D)在25℃下為1×10^-13 cm²/s或更小。
如前述請求項中任一項之發光裝置，其中該聚合物載體材料包括一半晶質聚合物材料。
如請求項1、2或3之發光裝置，其中該第一波長轉換材料包括苝衍生物。
如請求項1、2或3之發光裝置，其中該聚合物載體材料具有60℃或以上之一玻璃轉變溫度。
如請求項1、2或3之發光裝置，其中該聚合物載體材料具有100℃或以上之一玻璃轉變溫度。
如請求項1、2或3之發光裝置，其中該聚合物載體材料包括經調適以將一第一及/或一第二波長之光轉換為一第三波長之光之一第二波長轉換材料。
如請求項1、2或3之發光裝置，其中該第一波長轉換材料在波長轉換構件中之含量在重量上為1%或更小。
如請求項1、2或3之發光裝置(104、105、106、107)，其中該光源(100)及該波長轉換元件(101、102、103、110)經配置而相互間隔開。