CN101184823A - 包括补偿彩色缺陷的发光材料的照明系统 - Google Patents
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Abstract
为了改善固体照明设备的彩色再现,提供一种照明系统,该照明系统包括能够发出一次辐射的辐射源和发光材料,发光材料包括第一磷光体和第二磷光体的混合物,第一磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的黄色范围的宽带发射,第二磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的红和绿色范围的多个窄带发射。
Description
技术领域
本发明涉及照明系统和包括磷光体混合物的发光材料,所说磷光体混合物用于借助发光的下行变换和基于发射紫外辐射或蓝色辐射的辐射源的附加彩色混合产生特定的彩色光,其中包括白光。特别关注的是作为辐射源的发光二极管。本发明还涉及用在这样一种照明系统中的发光材料。
背景技术
近来,对于使用发光二极管作为辐射源来提供发射白光的照明系统,进行了各种各样的尝试。
使用发光二极管发射白光的第一种类型的照明系统基于使用多个发射可见光的二极管。在这些系统中,组合使用两个单色的发光二极管(如蓝色和黄色的)或三种单色的发光二极管(例如红、蓝和绿色的)。混合来自多个发射可见光的二极管的光,产生白光。然而,当从单色的发射红、绿、蓝光的二极管的布置产生白光的时候,出现了这样一个问题:由于发光二极管的色调、照度、和其它因素随寿命的变化,不可能产生期望色调的白光。为了补偿每个发光二极管的逐渐微变的老化(differential aging)和色移,还必须有复杂的驱动电子学电路。
为了克服这些困难,开发了第二种类型的发光系统,借助包括磷光体的发光材料转换发光二极管的颜色,提供可见光照明,最好是白光照明。
这样一种通过磷光体转换的白光照明系统具体来说基于三原色(RGB)方案,即基于三种颜色(即红、绿、蓝)的混合,在这种情况下通过磷光体和/或通过发光二极管的一次发射提供蓝色输出光的分量,或者以第二种简化的解决方案,基于双色(BY)方法,混合黄色和蓝色,在这种情况下通过黄色磷光体提供输出光的黄色二次分量,并且通过磷光体或者通过蓝色发光二极管的一次发射可提供蓝色分量。后者是最普通的磷光体转换系统。
具体来说,例如在美国专利5998925中公开的双色方案使用基于InGaN的半导体材料的蓝色发光二极管再加上Y3Al5O12:Ce(YAG-Ce3+)石榴石磷光体。在InGaN发光二极管上涂敷YAG-Ce3+磷光体,通过磷光体将发光二极管发射的蓝光的一部分转换成黄光。通过磷光体发射来自发光二极管的蓝光的另一部分。黄色和蓝色发射的组合产生了令人信服的洁白的感觉,具有在70中间的典型CRI(彩色再现指数),色温Tc的范围可以从约6000K到约8000K。
这样一种磷光体转换的发光器件的限制主要来自低的彩色再现。
当通过这种类型的磷光体转换的发光二极管进行照明时,物体对于人的眼睛来说显得不自然。彩色显得过于真实,或者说比中午阳光下显现的颜色还要鲜艳,但各种颜色之间难以分辨,这是因为白光光源精确展现颜色的能力取决于来自这个光源的光中包含的颜色的数目和强度的缘故。
对于真实颜色再现有价值的数字是彩色再现指数(CRI)。彩色再现指数是一个相对的标度,范围从0到100,表示的是感觉到的颜色和实际的颜色的匹配程度。彩色再现指数度量的是由一个指定的光源照明的物体的感觉到的颜色相对于物体由一个参考标准光源照明时相同物体的所说颜色的符合程度。彩色再现指数越高,彩色移动或畸变发生的越少。
在典型的固体发光器件中,所说器件由蓝色发光二极管和黄色磷光体的组合构成,从这种发光器件发射的在红光范围(不小于600纳米(nm))以及蓝绿光范围(480-510纳米)的光的数量极其地少,并且从白色发光二极管发出的光具有低的普通彩色绘制指数以及低的特定彩色再现指数R5(R5代表在蓝绿光范围内的彩色再现性质)。
因此,为了补偿在由这些器件产生的白光双色光谱红光范围中的缺陷,对于磷光体的特性的控制、对于用另一种元素部分替换主体(host)和/或激活剂、对于混合磷光体的应用都进行了研究。图2表示的是现有技术的红色缺陷补偿磷光体YAG:Ce+Pr的发射光谱、激发光谱和反射光谱。
尽管如此,为了进行“颜色校正”或者降低其白光发射的CCT(经过校正的色温)在蓝-黄光谱上附加红色辐射通常导致看起来很不自然的粉红色光,并且降低了相邻物体之间的彩色对比度或具有不同颜色的打印图像中的彩色对比度。
发明内容
因此,仍旧需要一种高效廉价的固体照明系统,它能够产生具有较高彩色再现指数的白光,因此由这种照明系统照亮的物体对于人的眼睛来说显得更加自然。
为此,本发明提供一种照明系统,所说照明系统包括能够发出一次辐射的辐射源和包括第一磷光体和第二磷光体的混合物的发光材料,第一磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的黄色范围的宽带发射,第二磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的红和绿色范围的多个窄带发射。
对于磷光体进行选择,以便“充满”可见光谱,即磷光体在可见光谱基本上所有的波长提供发射,以便产生高彩色再现的磷光体混合物。除了已知的红色缺陷补偿磷光体,本发明的发光材料还可补偿在电磁光谱的绿色范围中的缺陷。黄色的宽带发射与在分立的红色和绿色光谱线的发射组合起来产生一种感觉到的白光,这种白光具有不同于由其它技术产生的白光的、特定的、期望的彩色特征,因为这种白光相对于颜色得到了很好的平衡。当与由现有技术的发光二极管产生的白色输出光的光谱分布相比,这种光谱分布的明显差别是峰值波长,所说的峰值波长在可见光的绿色范围。
与多线输出光谱组合起来的具有相对连续的输出光谱的这种照明系统提供的彩色再现指数范围在一般情况下从约65到85。
这一特征使这种设备在需要真实彩色再现的应用中成为理想的设备。本发明的这样一些应用尤其包括普通照明、交通照明、街道照明、安全照明、自动化工厂的照明、以及全光谱显示器的背光照明。
特别关注的是作为辐射源应用的发光二极管。
按照本发明的第一方面,提供一种白光照明系统,它包括作为辐射源使用的峰值发射波长在380-490纳米范围内的蓝光发光二极管。
这样一种照明系统在工作中提供白光。由发光二极管发射的蓝光激发磷光体,使磷光体发出黄、绿、红光。由发光二极管发出的蓝光是通过磷光体混合物发射的,并且与磷光体发出的绿、红、黄光混合。观察者感觉到蓝光和黄光、红光和绿光的混合为白光。
虽然这种照明系统具有简单的设计,但所说照明系统却以低的制造成本和高的产额实现了高的效能和高的彩色再现指数这两者,并且没有实质性的色移、寿命、或逐渐微变的老化的问题。
按照本发明的一个实施例,第一发射黄光的宽带磷光体是从包括一种激活剂离子的磷光体中选择出来的,所说的一种激活剂离子是从铈(III)或铈(III)再加上第二激活剂离子当中选择出来的,优选的是从下述的组中选择出来的:铕、镨、钐、铽、铥、镝、钬和铒。在一般情况下,第一磷光体是从包括石榴石主晶格的铈(III)激活的磷光体中选择出来的。
发射绿光和红光的多个窄带的第二磷光体是从包括一种激活剂的磷光体中选择出来的,所说的激活剂是从包括Pr(III)以及Pr(III)再加上铕和钐的组中选择出来的。在一般情况下,第二磷光体是从包括由氧和/或氟构成的主晶格的磷光体中选择出来的。
特别优选的是这样一些实施例:其中的第二磷光体是从包括一种主晶格的磷光体中选择出来的,所说的主晶格是从由通式(Y1-x-yGdxLuy)3(Al1-aGaa)5O12定义的石榴石中选择出来的,其中0≤x≤1,0≤y≤1,0≤a≤1.
这些磷光体能够提供多个窄带发射光谱,它们的光谱线在电磁光谱的青绿色(480-540纳米)和红色(>600纳米)范围。
在一般情况下,第一磷光体与第二磷光体的重量比范围从95∶5到75∶25。
本发明的另一方面提供一种包括磷光体混合物的发光材料。磷光体混合物包括至少两种磷光体,每一种磷光体都是从吸收蓝色的和/或近紫外的电磁辐射并且发射可见光范围的电磁辐射的那些磷光体组之一中选择出来的。
混合物的第一组分包括能够在电磁光谱的黄色范围宽带发射的第一磷光体,混合物的第二组分包括能够在电磁光谱的红色和绿色范围多个窄带发射的第二磷光体。
这些特殊的磷光体混合物在经过发射白光的磷光体转换的发光二极管当中具有特别的价值,它的色温很低并且可以改善彩色再现。
具体实施方式
本发明涉及一种照明系统,所说照明系统包括能够发射一次辐射的辐射源和包括一种混合物的发光材料,所说混合物的第一组分包括第一磷光体,所说混合物的第二组分包括第二磷光体,所说第一磷光体能够把一次辐射转换成在电磁光谱的黄色范围的宽带发射,所说第二磷光体能够把一次辐射转换成在电磁光谱的红色和绿色范围的多个窄带发射。
辐射源包括半导体光辐射发射体和能够响应电的激励发出光辐射的其它器件。半导体光辐射发射体包括发光二极管LED芯片、发光聚合物(LEP)、有机发光器件(OLED)、聚合物发光器件(PLED)等等。
而且,还可以预期诸如在放电灯和荧光灯中出现的那些发光组分,例如在低压和高压汞放电灯、硫放电灯、和基于分子辐射体的放电灯中出现的那些发光组分,都可以像本发明的磷光体组分那样用作辐射源。
在这里使用的术语“辐射”优选包括电磁光谱的紫外和可见范围(“光”)的辐射。
尽管设想本发明用于宽阵列的照明系统,但是本发明特别是参考发光二极管进行描述的,并在其中找到特殊的应用,所说发光二极管特别是紫外和蓝色发光二极管。
在本发明中关注的是照明系统的任意结构,所说照明系统包括一个发光二极管和一种发光材料,发光材料包括混合物,混合物的第一组分包括能够在电磁光谱的黄色范围宽带发射的第一磷光体,混合物的第二组分包括能够在电磁光谱的红色和绿色范围多个窄带发射的第二磷光体,最好还要附加能够组合的其它的众所周知的磷光体,以便当如以上所述通过发射一次紫光到蓝光的发光二极管照射时可以实现特定的彩色或白光。
现在描述包括如图1所示的辐射源和发光材料的这样一种照明系统的一个实施例的详细结构。
图1是具有包括发光材料的涂层的芯片类型的发光二极管的示意图。这个器件包括芯片类型的发光二极管(LED)1作为辐射源。二极管芯片1定位在反射体杯的引线框架(lead frame)2中。芯片1经过粘结线7连接到第一终端6并且直接连接到第二电终端6上。反射体杯的凹陷充以涂层材料,涂层材料包含按照本发明的发光材料,以形成嵌入反射体杯中的涂层。发光材料的磷光体3、4或者施加在单独的层中或者施加在一个混合物中。在一般情况下,发光材料包括树脂粘结剂5。
在工作中,向芯片提供电功率以激励芯片。当激励时,芯片发射一次光(primary light),如蓝光。所发射的一次光的一部分全部地或者部分地由涂层中的发光材料吸收。发光材料随后响应一次光的吸收发射二次光(secondary light),即具有较长的峰值波长的转换的光:充足宽带发射中的黄色(具体来说具有相当大比例的红色)加上多个红色的和绿色的窄带发射。所发射的一次蓝光的其余的未被吸收的部分通过发光层与二次光一起发射。所说封装在总(general)方向上引导未被吸收的一次光和二次光,以此作为输出光。于是,输出光是组合的多色光,它由从管芯发出的一次光和从包括磷光体混合物的发光材料发出的二次光组成。
按照本发明的照明系统的输出光的色温或色点根据光谱的分布以及二次光相对于一次光的强度而变化。
首先,可以通过适当选择发光二极管来改变一次光的色温或色点。
其次,可以修改一次和二次发射带的相对贡献以优化发光二极管的发光效率和总发射的彩色特征。通过改变包围管芯的含磷光体的树脂的厚度,或者通过改变在树脂中悬浮的磷光体的浓度,就可以实现这些调整。
第三,通过适当地选择发光材料中的磷光体混合物、它的颗粒大小、以及它的浓度,就可以改变二次光的色温或色点。此外,这些安排还有益地提供在发光材料中使用不同的磷光体混合物的可能性,其结果是,可以更加精确地设定期望的色调,这是有益的。
按照本发明的一个优选方面,照明系统的输出光的光谱分布显示出“白色”光。
在本发明的第一实施例中,通过选择发光材料以使由发射蓝光的二极管发出的蓝色辐射能够转换成补充的波长范围来有利地制造发射白光的照明系统,以便形成多色的白光。
利用发射的最大值在380-490纳米的蓝色发光二极管可以实现特别优良的结果。已经发现,优化值为445-468纳米,其中特别考虑了铈(III)激活的和镨(III)激活的磷光体的激发光谱。
作为发射蓝光的发光二极管的一种替换,可以使用发射紫外光的发光二极管与附加的发射蓝光的磷光体的组合。
按照本发明的发光材料包括第一组分和第二组分的磷光体混合物。
当磷光体混合物的第一组分由辐射源产生的从紫色到蓝色的辐射激发时,磷光体混合物的第一组分展示的发射光谱的中心通常在可见光谱的绿色到黄色的范围内。磷光体混合物的第二组分展示的是主要定位在深红当中以及在可见光谱的青绿范围内的多线发射或极窄带的发射。
用如下方法对于上述的磷光体组分的相对比例进行选择,即当上述的磷光体组分的发射与由放电产生的可见光发射(如果有的话)混合时产生预定的ICI坐标的白光,因为所产生的辐射的光谱是经过选择的,所以由此照明的物体的彩色再现是优秀的。
合适的发射通用宽带黄绿光的磷光体包括发射带最大值在550纳米和590纳米之间的磷光体,更加优选的是在570纳米和580纳米之间的磷光体,它的半值宽度在50纳米和150纳米之间,更加优选的在90纳米和120纳米之间。
在一般情况下,发射绿色到黄色的宽带磷光体包括掺有铈(Ce)的钇-铝石榴石系列的磷光体:(YmA1-m)3(AlnB1-n)5O12在这里,0≤m≤1,0≤n≤1;A包括稀土元素铈、镨、钕、钐、钆、镝、钬、铒、铥、镱和镥;B包括硼、镓、铟和它们的组合。
已使用的最普遍的磷光体材料是YAG:Ce,因为它能吸收由蓝色发光二极管提供的光并将其转换成相当宽的但主要是黄色的发射。YAG:Ce磷光体包括主体材料和铈(Ce),主体材料由钇和铝的复合氧化物(yttrium and aluminum composite oxide)(Y3Al5O12)组成,在YAG:Ce磷光体中加入铈(Ce)作为发光中心离子。
由通式(Y1-x-yGdxLuy)3Al5O12 Cez确定的磷光体也可用作第一发射黄光的宽带磷光体,其中的0≤x≤1,0≤y≤1,0.001<z<0.02。
这些磷光体还发射峰值在545-580纳米范围内的宽光谱的光。
而且,通过在第二实施例的磷光体晶体中包括钆Ga,可以增加460纳米及其以上的波长范围内的激发的光辐射的效率。当Gd的含量增加时,发射的峰值波长向较长的波长方向移动,并且整个发射光谱向较长波长的方向移动。这就意味着,如果需要的话,通过增加用Gd替换的程度,就可以实现更加带红色的光的发射。当Gd的含量增加时,在蓝光下由光致发光发射的光的亮度趋向于减小。
在与补偿红色和绿色的第二磷光体组合时,可以期望用部分铝代替镓,以便向较短的波长移动所发射的光的波长。
合适的在电磁光谱的红色和绿色范围发光的、发射多个窄带红光的磷光体包括:具有最大值在620纳米和660纳米之间以及峰值半宽度在1纳米和30纳米之间(更加优选的在5纳米和25纳米之间)的至少一个发射带的那些磷光体;和具有最大值在480纳米和540纳米之间以及峰值半宽度在1纳米和30纳米之间(更加优选的在5纳米和25纳米之间)的至少一个发射带的那些磷光体。
优选地,第二磷光体是由镨(III)激活的磷光体,或者是由镨(III)再加上钐(III)和/或铕(III)激活的磷光体。
优选由镨(III)激活,因为镨(III)在450和490纳米之间有一个相对强烈的吸收带,这是由于十分强烈的3HJ-3PJ和3HJ-1I6跃迁的缘故。
优选在镨(III)离子和周围的配合基之间提供高电荷密度的主晶格,因为它们具有较高的共价。较高的共价导致的结果是,与镨(III)的能级簇(level manifold)内相反奇偶性项(parity term)状态的混合增加了,并且因此具有较高的吸收线振荡器强度以及较快的衰变的发射跃迁。
满足这一要求的晶格必须是相对共价的,并且优选包括氧和/或氟的配合基离子。这样的晶格例如是:LA2Ti2O7,(Y1-xGdx)VO4,其中的0≤x≤1;CaTiO3,(Sr,Ca)(Zr,Al)O3(Y1-x-yGdxLuy)2O3,其中的0≤x≤1,0≤y≤1;(Sr1-xCax)2SiO4,其中的0≤x≤1;以及立方石榴石(Y1-x-yGdxLuy)3(Al1-aGaa)5O12,其中的0≤x≤1,0≤y≤1,0≤a≤1。
合适的用于本发明的立方石榴石主体材料例如包括,例如:
钇-铝石榴石Y3Al5O12,钇-钆-铝石榴石((Y,Gd)3Al5O12),钆铝石榴石,钆镓石榴石(Gd3Ga5O12),钆钪镓石榴石(Gd3Sc2Ga3O12),钆钪镓石榴石(Gd3Sc2Ga3O12),镥铝石榴石Lu3Al5O12,钇镓石榴石Y3Ga5O12。在以上的例子中,B位置(即在通式A3B5O12中)可由两个元素占据。在另外的石榴石中,A位置可由两个元素占据。
这些晶格通过0.01-10%的Pr3+进行掺杂,优选的是通过0.1-1.0%的Pr3+进行掺杂,这种掺杂导致磷光体在发射光谱的红色和绿色范围具有强烈的多个狭窄的发射线,见图4至7。
除了镨作为发光激活剂以外,在主体材料中还可以包括其它的元素。例如,镱、钐和铕都可以作为共激活剂加入。
图5表示Y3Al5O12:1%Pr的激发、发射、和反射光谱,图6表示(Y,Gd)Al5O12:1%Pr的激发、发射和反射光谱,图7表示Gd3Al5O12:1%Pr的发射光谱。
这些第一和第二磷光体相互兼容,并可以作为磷光体涂层或单片陶瓷颜色转换体使用现有技术中众所周知的技术进行制备、混合及应用。
虽然所用的磷光体的特定数量取决于色温,但是本发明的全光谱磷光体混合物最好是按照下面的比例进行组合的下述材料的两种磷光体的混合物:
(1)能够在电磁光谱的黄色范围宽带发射的第一磷光体,约占70-95%,优选占75-85%(该量随着CCT的减小而增加)。
(2)能够在电磁光谱的红色和绿色范围多个窄带发射的第二磷光体,约占5-30%,优选占15-25%,其中的百分数基于磷光体混合物的整个重量,组合起来的百分数等于总数100%。
通过附加的发射红光的磷光体组分可以进一步改善灯的彩色再现,所说发射红光的磷光体组分的最大发射波长在630±15纳米,它的最大值的一半处的全宽度大于50纳米。
为了与现有技术比较,图3表示的是包括附加的掺杂剂Pr(III)的、红色缺陷补偿的、铈(III)激活的石榴石的发射、激发、和反射光谱。
特定实施例
1、包括YAG:2%Ce和YAG:1%Pr的白光发光二极管
一种磷光体混合物由70-80%YAG:2%Ce和20-30%YAG:1%Pr构成,将这种混合物悬浮在硅氧烷先驱体中,加入聚合催化剂,并且将一滴这种悬浮液淀积在发光二极管管芯上,发光二极管管芯基于发射460纳米的InGaN。塑料盖密封所说的发光二极管,在大约一个小时内聚合硅氧烷。在图3中描述了具有三个不同涂层厚度的发光二极管的光谱。
2、包括(Y,Gd)AG:2%Ce和(Y,Gd)AG:1%Pr的白光发光二极管
一种磷光体混合物由70-80%(Y,Gd)AG:2%Ce和20-30%(Y,Gd)AG:1%Pr构成,将这种混合物悬浮在硅氧烷先驱体中,加入聚合催化剂,并且将一滴这种悬浮液淀积在发光二极管管芯上,发光二极管管芯基于发射460纳米的InGaN。塑料盖密封所说的发光二极管,在大约一个小时内聚合硅氧烷。在图4中描述了具有两个不同涂层厚度的发光二极管的光谱。
按照本发明的另一方面,除了白光以外,还可以从磷光体的其它混合物产生其它颜色的光,所说的磷光体混合物包括从以上公开的组中以合适的比例选择出来的磷光体混合物。
虽然已经表示和描述了本发明的优选实施例,但是落在由所附的权利要求书定义的本发明的范围内的各种其它的其它实施例和改进对于本领域的普通技术人员来说都是显而易见的。
附图说明
图1是双色白光发光二极管灯的示意图,所说灯包括定位在由发光二极管结构发出的光的路径中的本发明的磷光体;
图2表示现有技术的补偿红光缺陷的YAG:Ce+Pr的发射、激发和反射光谱;
图3表示基于发射460纳米的InGaN半导体的白光发光二极管的发射光谱,所说半导体涂敷YAG:2%Ce和YAG:1%Pr的混合物;
图4表示基于发射460纳米的InGaN半导体的白光发光二极管的发射光谱,所说半导体涂敷(Y,Gd)AG:2%Ce和(Y,Gd)AG:1%Pr的混合物;
图5表示Y3Al5O12:1%Pr的发射、激发和反射光谱;
图6表示(Y,Gd)Al5O12:1%Pr的发射、激发和反射光谱;
图7表示Gd3Al5O12:1%Pr的发射光谱。
Claims (10)
1.一种照明系统,所说照明系统包括能够发出一次辐射的辐射源和发光材料,发光材料包括第一磷光体和第二磷光体的混合物,第一磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的黄色范围的宽带发射,第二磷光体能够转换一次辐射为在电磁光谱的红和绿色范围的多个窄带发射。
2.根据权利要求1所述的照明系统,其中所说的辐射源能够发出峰值发射波长在380-490纳米范围的一次辐射。
3.根据权利要求1所述的照明系统,其中所说的辐射源是发光二极管。
4.根据权利要求1所述的照明系统,其中第一宽带磷光体是从包括激活剂离子的磷光体中选择出来的,所说激活剂离子是从由铈(III)和铈(III)再加上第二激活剂离子构成的组中选择出来的。
5.根据权利要求4所述的照明系统,其中第一宽带磷光体是从包括石榴石主晶格的铈(III)激活的磷光体中选择出来的。
6.根据权利要求1所述的照明系统,其中第二多窄带磷光体是从包括激活剂的磷光体中选择出来的,所说激活剂是从由镨(III)和镨(III)再加上第二激活剂离子构成的组中选择出来的。
7.根据权利要求6所述的照明系统,其中第二多窄带磷光体是从包括主晶格的镨(III)激活的磷光体中选择出来的,所说主晶格包括氧和/或氟。
8.根据权利要求6所述的照明系统,其中第二多窄带磷光体是从包括主晶格的磷光体中选择出来的,所说主晶格是从由通式(Y1-x-yGdxLuy)3(Al1-aGaa)5O12定义的石榴石中选择出来的,其中的0≤x≤1,0≤y≤1,0≤a≤1。
9.根据权利要求6所述的照明系统,其中第一磷光体与第二磷光体的重量比范围是95∶5到75∶25。
10.一种包括第一组分和第二组分的混合物的发光材料,所述第一组分包括能够在电磁光谱的黄色范围宽带发射的第一磷光体,所述第二组分包括能够在电磁光谱的红色和绿色范围多个窄带发射的第二磷光体。
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