СИД-МОДУЛЬ С ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЛЮМИНОФОРОМ С УЛУЧШЕННЫМИ ПЕРЕДАЧЕЙ БЕЛОГО ЦВЕТА И ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H01L33/50 F21S13/00 F21Y115/10 C09K11/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к осветительному устройству и преобразующему длину волны элементу для использования в таком осветительном устройстве.

Уровень техники, к которой относится изобретение

В области техники известны осветительные системы с несколькими люминофорами. Например, US 2012043552 описывает СИД (светодиодную) лампу накачки выбранных длин волн, имеющую несколько люминофоров. В различных вариантах осуществления этого предшествующего уровня техники светодиоды, испускающие излучение при фиолетовых и/или ультрафиолетовых длинах волн, используют для накачки люминофорных материалов, которые излучают свет иной частоты. СИДы для накачки характеризуются как имеющие длину волны пикового излучения от примерно 405 до 430 нм при нормальной работе. Их применяют в сочетании с по меньшей мере преобразующим в синий свет люминофором с сильным поглощением на длинах волн за пределами примерно 405 нм. В определенных вариантах осуществления СИДы, работающие в диапазонах различных длин волн, размещают в комбинации для уменьшения повторного поглощения излучения и улучшения эффективности светоотдачи. US 2012043552 предлагает оптическое устройство, которое содержит монтажный элемент и по меньшей мере один светоизлучающий диод, покрывающий часть монтажного элемента. СИД включает содержащую галлий и азот подложку, имеющую поверхностную область, и содержащий галлий и азот буферный слой, покрывающий поверхностную область. Активная область испускает электромагнитное излучение с максимумом при длинах волн в диапазоне от примерно 405 нм до примерно 430 нм. СИД имеет электрические контакты для подачи электрического тока в область перехода. Дополнительно данное устройство содержит смесь трех люминофорных материалов в связующем материале. Смесь люминофорных материалов, расположенная в окрестностях СИДа, взаимодействует с электромагнитным излучением от СИДа для преобразования электромагнитного излучения в диапазон длин волн от примерно 440 до 650 нанометров. В другом варианте осуществления устройство содержит преобразующий в синий свет люминофорный материал в окрестностях СИД-устройства, проявляющий сильное поглощение при длинах волн более чем примерно 405 нм.

WO 2014/068440 описывает осветительное устройство, содержащее источник синего света, источник зеленого света, первый источник красного света, содержащий первый красный люминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечения красного света со спектральным светораспределением в широкой полосе частот, и второй источник красного света, содержащий второй красный люминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечения красного света со спектральным светораспределением, включающим одну или более линий излучения красного света. В частности, первый красный люминесцентный материал содержит (Mg,Ca,Sr)AlSiN₃:Eu и/или (Ba,Sr,Ca)₂Si_5-xAl_xO_xN_8-x:Eu, а второй красный люминесцентный материал содержит K₂SiF₆:Mn.

US 2004217364 описывает излучающую белый свет лампу, включающую твердотельный ультрафиолетовый (УФ) излучатель, который испускает свет в спектре ультрафиолетовой длины волны. Преобразующий материал выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере некоторой части света, испускаемого УФ-излучателем, и повторного излучения света при одном или более иных значениях длины волны. Здесь присутствуют один или более комплементарных твердотельных излучателей, которые испускают свет при иных значениях длины волны, чем УФ-излучатель и преобразующий материал. Данная лампа излучает белый свет, представляющий собой комбинацию света, испускаемого комплементарными излучателями и из преобразующего материала, причем этот белый свет имеет высокую эффективности и хорошую цветопередачу. Другие варианты осуществления излучающей белый свет лампы в соответствие с настоящим изобретением содержат твердотельный лазер вместо УФ-излучателя.

Сущность изобретения

В продаже имеются СИД-лампы, содержащие светодиодные модули типа кристалл на печатной плате (CoB), демонстрирующие улучшенное воспроизведение белого света благодаря излучению в фиолетовом диапазоне спектра. Эти СИД-модули содержат в качестве основы, например, излучающие фиолетовый свет СИДы и смеси преобразующих в синий, зеленый и красный цвета люминофоров для формирования белого спектра с высоким индексом цветопередачи (ИЦП) и дополнительного излучения в фиолетовом диапазоне спектра вследствие рассеяния света накачки СИДами через люминофорный слой.

Даже несмотря на то, что эти СИД-лампы с фиолетовой накачкой демонстрируют превосходную цветопередачу и улучшенное воспроизведение белого света вследствие максимума излучения около 410 нм, преобразование высокоэнергетических фотонов фиолетового света в фотоны видимого света смесью преобразующих в красный, зеленый и синий (RGB) цвета люминофоров приводит к довольно низкой энергоэффективности из-за больших потерь Стокса (Stokes). Кроме того, доля непреобразованного фиолетового света должна быть довольно высокой, поскольку увеличенная оптическая толщина люминофорного слоя, приводящая к усиленному преобразованию с уменьшением частоты люминесценции, могла бы значительно снижать эффективность преобразования из-за потерь на рассеяние. Потери на рассеяние в рамках концепции люминофорного слоя с фиолетовой накачкой + RGB-люминофора являются высокими, потому что большая доля синего света, излучаемого преобразующим в синий свет люминофором на основе Eu(II) (M₃MgSi₂O₈:Eu или M₅(PO₄)₃Cl:Eu, где в качестве M, как правило, используются Ca, Sr, Ba), поглощается применяемыми излучающими зелено-желтый и красный свет люминофорам.

Однако высокое содержание фиолетового излучения в белом спектре считается вредным из-за повышенной фотореакционной способности фиолетового света по сравнению с синим светом. Усовершенствованная концепция относительно уменьшенного содержания фиолетового света в спектре и световой эффективности по мощности может представлять собой светодиодный модуль, в котором комбинируют СИДы фиолетового свечения с СИДами синего свечения и смесью люминофоров, демонстрирующий преобразование в свет от зеленого до красного, с обеспечением системы, в которой сочетаются высокая цветопередача и улучшенное воспроизведение белого света. Поскольку здесь комбинируют СИДы фиолетового свечения и СИДы синего свечения, потери Стокса уменьшаются, и, таким образом, СИД-модули являются более энергоэффективными. Содержание в спектре фотоактивного фиолетового света можно легче регулировать с этой концепцией без ущерба для эффективности преобразования света с понижением частоты люминофорами, чем в подходе со смесью СИД фиолетового свечения + RGB-люминофор. Однако у данной концепции остается недостаток, заключающийся в том, что описанные излучающие красный свет люминофоры, такие как (Ca,Sr)SiAlN₃:Eu или (Ba,Sr,Ca)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu, демонстирируют более сильное поглощение в фиолетовом, чем в синем диапазоне спектра, и, таким образом, фотоны фиолетового света в значительном количестве преобразуются в фотоны красного света.

Следовательно, аспектом изобретения является обеспечение альтернативного устройства с улучшенным воспроизведением белого света и улучшенной эффективностью преобразования, которые, таким образом, предпочтительно устраняют, по меньшей мере частично, один или более из описанных выше недостатков.

Таким образом, в первом аспекте изобретение предлагает осветительное устройство (СИД-модуль с преобразованием люминофором), включающий:

- первый твердотельный источник света (здесь также обозначен как "первый источник света"), выполненный с возможностью подачи УФ-излучения ("излучение первого источника света" или "УФ-свет") с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм;

- второй твердотельный источник света (здесь также обозначен как "второй источник света"), выполненный с возможностью подачи синего света (здесь также обозначен как "излучение второго источника света") с длиной волны, выбираемой из диапазона 440-470 нм;

- преобразующий длину волны элемент, содержащий:

- первый люминесцентный материал, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом от второго твердотельного источника света, света первого люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длины волны зеленого и желтого света, и причем возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом; и

- второй люминесцентный материал, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом от второго твердотельного источника света, света второго люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длины волны оранжевого и красного света, и причем возбуждаемость второго люминесцентного материала (также) УФ-излучением меньше, чем синим светом, как дополнительно охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.

Неожиданно оказалось, что такое устройство может обеспечивать белый свет с высокой эффективностью, высокой цветопередачей и высокой степенью воспроизведения белого света, в отличие от устройств предшествующего уровня техники, в которых, например, большой сдвиг Стокса приводит к значительным потерям. С помощью настоящего изобретения два люминесцентных материала могут обеспечивать белый свет, используя синий свет от второго твердотельного источника света. УФ-излучение дополнительно улучшает воспроизведение белого света для света осветительного устройства, который включает в конкретном варианте осуществления (по меньшей мере временно) излучение первого источника света (т.е. УФ-свет первого источника света), свет второго источника света или синий свет и свет люминесцентных материалов от двух люминесцентных материалов. Таким образом, источники света и люминесцентные материалы выполнены с возможностью преобразования длины волны никакой части или только части УФ-излучения первого источника света и с возможностью преобразования части синего света второго источника света в видимое излучение, испускаемое по меньшей мере в одной или более из зеленой, желтой, оранжевой и красной частей спектра. Таким образом, настоящее изобретение основано, в частности, на принципе УФКЖС (УФ, красный, желтый и синий) или принципе УФКЗС (УФ, красный, зеленый и синий), хотя также могут быть возможными их комбинации (т.е. УФКЖЗС). Например, некоторые люминесцентные материалы на основе легированного церием граната люминесцируют как зеленым, так и желтым светом. Выражение "с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм" и аналогичные выражения могут, в частности, указывать, что доминирующая длина волны находится в пределах этого диапазона длин волн. Таким образом, в частности, доминирующая длина волны первого источника света и доминирующая длина волны второго источника света, разумеется, являются неодинаковыми. Аналогичным образом, в частности, доминирующие длины волн первого люминесцентного материала и второго люминесцентного материала, разумеется, являются неодинаковыми (и обе они независимо отличаются от соответствующих доминирующих длин волн первого источника света и второго источника света). Таким образом, оптический спектр света осветительного устройства от УФ до красного может, в частности, включать по меньшей мере четыре максимума.

Термин "люминесцентный материал" может также относиться к множеству различных люминесцентных материалов. Таким образом, осветительное устройство может содержать более чем два различных люминесцентных материала, но по меньшей мере один, который квалифицируется как первый люминесцентный материал, и по меньшей мере один, который квалифицируется как второй люминесцентный материал. Таким образом, первый и второй люминесцентные материалы представляют собой различные люминесцентные материалы.

Термин "источник света" может также относиться к множеству источников света, такому как 2-20 (твердотельных) СИД-источников света. Таким образом, термин "СИД" может также относиться к множеству СИДов. Таким образом, осветительное устройство может содержать более двух различных источников света, но по меньшей мере один, который квалифицируется как первый источник света, и по меньшей мере один, который квалифицируется как второй источник света. Таким образом, первый и второй источники света представляют собой различные источники света. В частности, источники света включают твердотельные СИД-источники света (такие как СИД или лазерный диод).

Отличительная особенность этих люминесцентных материалов заключается в том, что возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом, и что возбуждаемость второго люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом. Другими словами, при регистрации спектра возбуждения люминесцентных материалов, более высокий максимум возбуждения будет в диапазоне синих длин волн, чем в диапазоне УФ длин волн. Можно также переопределить в отношении спектра поглощения или спектра отражения: максимум поглощения больше и минимум отражения меньше в диапазоне синих длин волн, чем максимум поглощения и минимум отражения в УФ-диапазоне длин волн, соответственно. Таким образом, поглощение УФ-излучения может быть относительно низким, приводя к большей эффективности и лучшей цветопередаче, в то время как поглощение синего света может быть относительно высоким, что, следовательно, также приводит к лучшей эффективности (меньше потери Стокса).

Для настоящего применения может оказаться подходящим ряд люминесцентных материалов. Далее здесь сначала приводится общее обсуждение некоторых классов люминесцентных материалов, а затем некоторые конкретные классы обсуждаются более подробно.

Общее обсуждение подходящих люминесцентных материалов

В данном общем обсуждении обозначения конкретных элементов в значительной степени унифицированы.

В конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из класса A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, класса MA₂O₄:Ce³⁺, класса MS:Ce³⁺ и класса A₃Z₆N₁₁:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из лантаноидов (таких как Gd, Tb, Lu), скандия, иттрия и лантана, где B выбирается из группы, состоящей из алюминия и галлия, M выбирается из группы, состоящей из щелочноземельных элементов (таких как Mg, Ca, Sr, Ba) и где Z выбирается из группы, состоящей из кремния и германия.

Первый класс (класс A₃B₅O₁₂:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺) представляет собой класс систем гранатов (которые дополнительно описываются ниже в более подробном обсуждении подходящих люминесцентных материалов). Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру (пространственная группа Ia3d). Примерами представителей данного класса являются Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ и т.д.

Второй класс (класс MA₂O₄:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс CaSc₂O₄:Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе скандатов щелочноземельных металлов. Материалы в составе этого класса имеют орторомбическую кристаллическую структуру типа CaFe₂O₄. Примером представителя данного класса является CaSc₂O₄:Ce³⁺.

Третий класс (класс MS:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе сульфидов щелочноземельных металлов, кристаллизующихся в кубическую кристаллическую структуру типа хлорида натрия. Примером представителя данного класса является CaS:Ce³⁺.

Четвертый класс (класс A₃Z₆N₁₁:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе нитридосиликатов редкоземельных элементов. Материалы в составе данного класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа Sm₃Si₆N₁₁. Примером представителя данного класса является La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺.

Отметим, что в качестве легирующего элемента каждая из этих систем имеет церий, хотя и не исключаются солегирующие элементы (такие как празеодим).

Дополнительные представители вышеупомянутых классов могут обеспечивать зеленый и/или желтый свет при возбуждении синим светом и могут лучше возбуждаться синим светом, чем УФ-излучением.

В дополнительном конкретном варианте осуществления второй люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из класса MD:Eu, класса MGB₃N₄:Eu и/или класса MM"₃ZN₄:Eu и/или класса M'B₂M"₂N₄:Eu (необязательно эти соединения можно рассматривать как принадлежащие к единому классу (также см. ниже)) и класса G₂ZF₆:Mn, где M выбирается из группы, состоящей из щелочноземельных элементов, где M' выбирается из группы, состоящей из Sr, Ba и Ca, где M" выбирается из группы, состоящей из Mg, Mn, Zn и Cd, где D выбирается из группы, состоящей из S и Se, где Z выбирается из группы, состоящей Si, Ge, Ti, Hf, Zr, Sn, где B выбирается из группы, состоящей из B, Al, Ga, Sc, и где G выбирается из группы, состоящей из щелочных элементов (таких как Li, Na, K и т.д.).

Первый класс (класс MD:Eu; здесь также обозначен как класс (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu) представляет собой класс систем на основе халькогенидов щелочноземельных металлов. Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру типа хлорида натрия (каменной соли). Примерами представителей данного класса являются SrS:Eu, CaS:Eu, CaSe:Eu и т.д.

Второй класс (класс MGB₃N₄:Eu; здесь также обозначен как класс SrLiAl₃N₄:Eu) представляет собой класс систем на основе нитридоалюминатов. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа плюмбата лития-калия. Примером представителя данного класса является SrLiAl₃N₄:Eu.

Третий класс (класс MM"₃ZN₄:Eu; здесь также обозначен как класс CaBe₃SiN₄:Eu) представляет собой класс систем на основе ортонитридосиликатов. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа силиката лития-натрия. Примером представителя данного класса является CaBe₃SiN₄:Eu.

Четвертый класс (класс M'B₂M"₂N₄:Eu; здесь также обозначен как класс SrAl₂Mg₂N₄:Eu) представляет собой класс систем на основе нитридоалюминатов магния. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа карбида хрома-урана. Примером представителя данного класса является SrAl₂Mg₂N₄:Eu.

Пятый класс (класс G₂ZF₆:Mn; здесь также обозначен как K₂SiF₆:Mn класс) представляет собой класс систем на основе комплексных фторидов. Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру типа гиератита или гексагональную кристаллическую структуру типа демартинита. Примером представителя данного класса является K₂SiF₆:Mn(IV, т.е. четырехвалентный марганец).

Дополнительно, примеры представителей этого класса приведены ниже. Отметим, что большинство этих систем имеют в качестве легирующего элемента двухвалентный европий, хотя и не исключаются солегирующие элементы (такие как церий и/или двухвалентный марганец). Последний класс в группе содержит четырехвалентный марганец.

Таким образом, в конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, CaSc₂O₄:Ce³⁺, CaS:Ce³⁺ и La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, а второй люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaBe₃SiN₄:Eu, SrAl₂Mg₂N₄:Eu и K₂SiF₆:Mn.

Следовательно, в дополнительном аспекте изобретение также предлагает преобразователь света сам по себе, т.е. преобразователь света, включающий первый люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из класса (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, класса CaSc₂O₄:Ce³⁺, класса (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Ce и класса La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, и второй люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из класса (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, класса SrLiAl₃N₄:Eu, класса CaBe₃SiN₄:Eu, класса SrAl₂Mg₂N₄:Eu и класса K₂SiF₆:Mn, еще более конкретно преобразователь света содержит первый люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, CaSc₂O₄:Ce³⁺ и La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, и второй люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaBe₃SiN₄:Eu, SrAl₂Mg₂N₄:Eu и K₂SiF₆:Mn.

Термин "класс" здесь, в частности, относится к группе материалов, которые имеют одинаковую кристаллографическую структуру. Дополнительно, термин "класс" может также включать частичные замещения катионов и/или анионов. Например, в некоторых из вышеупомянутых классов фрагменты Al-O могут быть частично замещены фрагментами Si-N (или наоборот).

Дополнительно, тот факт, что вышеуказанные люминесцентные материалы обозначены как легированные европием (Eu) или церием (Ce), или марганцем (Mn), не исключает присутствия солегирующих элементов, таких как Eu, Ce, причем европий солегируется с церием; Ce, Pr, причем церий солегируется с празеодимом; Ce, Na, в котором церий солегируется с натрием; Ce, Mg, причем церий солегируется с магнием; Ce, Ca, причем церий солегируется с кальцием; и т.д. и т.п. Солегирование известно в области техники, и известно, что оно иногда повышает квантовую эффективность и/или регулирует спектр излучения.

В варианте осуществления отношение поглощения (или отношение возбуждения) для синего максимума относительно УФ максимума составляет по меньшей мере 1,5, такое как по меньшей мере 1,6 для первых люминесцентных материалов, излучающих свет от зеленого до желтого; отношение поглощения (или отношение возбуждения) для синего максимума относительно УФ максимума составляет по меньшей мере 1,1, такое как по меньшей мере 1,15 для второго люминесцентного материала, излучающего красный свет. В более конкретном варианте осуществления отношение поглощения (или отношение возбуждения) ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,5 для первых люминесцентных материалов, излучающих свет от зеленого до желтого, и причем отношение поглощения (или отношение возбуждения) ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,1 для второго люминесцентного материала, излучающего красный свет. Вышеуказанные отношения возбуждения относятся к отношениям возбуждения, когда наблюдается излучение в определенном свете (т.е., например, зеленом или желтом и красном, соответственно). Когда регистрируется спектр возбуждения, как правило, излучение измеряется при максимальной интенсивности излучение.

В частности, источники света выполнены с возможностью подачи менее чем 10%, в частности, менее чем 5% своей полной оптической мощности в диапазоне длин волн 380-430 нм, еще более конкретно, в диапазоне длин волн 400-430 нм.

Подробное обсуждение конкретных люминесцентных материалов

В более подробном описании конкретных люминесцентных материалов составы, которые определяют химические формулы, могут отличаться от представленных выше составов. Это было сделано, чтобы более подробно охарактеризовать эти конкретные люминесцентные материалы.

В конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал содержит A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu; где B выбирается из группы, состоящей из Al и Ga. Предпочтительно, M по меньшей мере содержит один или более из Y и Lu, где B по меньшей мере содержит Al. Материалы этих типов могут обеспечивать наиболее высокие эффективности. В конкретном варианте осуществления второй люминесцентный материал содержит по меньшей мере два люминесцентных материала типа A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из Y и Lu, где B выбирается из группы, состоящей из Al, и где отношение Y:Lu отличается для упомянутых по меньшей мере двух люминесцентных материалов. Например, один из них может быть исключительно на основе Y, таким как Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, и один из них может представлять собой систему на основе Y и Lu, такую как (Y_0,5Lu_0,5)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Варианты осуществления гранатов включают, в частности, гранаты A₃B₅O₁₂, где A содержит по меньшей мере иттрий или лютеций и где B содержит по меньшей мере алюминий. Такой гранат может быть легирован церием (Ce), празеодимом (Pr) или сочетанием церия и празеодима; однако, в частности, присутствует Ce. B содержит, в частности, алюминий (Al), однако B может также частично содержать галлий (Ga) и/или скандий (Sc) и/или индий (In), в частности, до примерно 20% Al, более конкретно до примерно 10% Al (т.е. ионы B, в частности, состоят из 90 мол.% или более Al и 10 мол.% или менее одного или более элементов из Ga, Sc и In); в частности, B может содержать до примерно 10% галлия. В другом вариант B и O могут по меньшей мере частично замещаться Si и N. Элемент A может, в частности, выбираться из группы, состоящей из иттрия (Y), гадолиния (Gd), тербия (Tb) и лютеция (Lu). Дополнительно, Gd и/или Tb, в частности, могут присутствовать только в количестве до примерно 20% A. В конкретном варианте осуществления люминесцентный материал на основе граната содержит (Y_1-xLu_x)₃Al₅O₁₂:Ce, где x равняется или более чем 0 и равняется или менее чем 1. Термины ":Ce" или ":Ce³⁺" (или аналогичные термины) указывают, что часть ионов металлов (т.е. в гранатах часть ионов "M") в люминесцентном материале замещается Ce (или другими люминесцентными частицами, когда в термине(ах) указывается подобно ":Yb"). Например, в случае (Y_1-xLu_x)₃Al₅O₁₂:Ce часть Y и/или Lu замещается церием. Такой способ записи известен специалисту в данной области техники. Как правило, Ce замещает M в количестве не более 10%; обычно концентрация Ce находится в диапазоне 0,1-4%, в частности, 0,1-2% (по отношению к M). Предполагая 1% Ce и 10% Y полная правильная формула может быть (Y_0,1Lu_0,89Ce_0,01)₃Al₅O₁₂. В составе гранатов Ce присутствует по существу или исключительно в трехвалентном состоянии, как известно специалисту в данной области техники.

В еще дополнительном варианте осуществления, с которым может, в частности, сочетаться предшествующий вариант осуществления, второй люминесцентный материал содержит M_1-x-y-zZ_zA_aB_bC_cD_dE_eN_4-nO_n:ES_x,RE_y, с M, выбранным из группы, состоящей из Ca (кальция), Sr (стронция) и Ba (бария); Z, выбранным из группы, состоящей из одновалентных Na (натрия), K (калия) и Rb (рубидия); A, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца), Zn (цинка) и Cd (кадмия), в частности, А, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца) и Zn (цинка), еще более конкретно A, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца); B, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных B (бора), Al (алюминия) и Ga (галлия); C, выбранным из группы, состоящей из четырехвалентных Si (кремния), Ge (германия), Ti (титана) и Hf (гафния); D, выбранным из группы, состоящей из одновалентных Li (лития) и Cu (меди); E, выбранным из группы, состоящей из P (фосфора), V (ванадия), Nb (ниобия) и Ta (тантала); ES, выбранного из группы, состоящей из двухвалентных Eu (европия), Sm (самария) и иттербия, в частности, выбранного из группы, состоящей из двухвалентных Eu и Sm; RE, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных Ce (церия), Pr (празеодима), Nd (неодима), Sm (самария), Eu (европия), Gd (гадолиния), Tb (тербия), Dy (диспрозия), Ho (гольмия), Er (эрбия) и Tm (тулия); причем 0≤x≤0,2; 0≤y≤0,2; 0<x+y≤0,4; 0≤z<1; 0≤n≤0,5; 0≤a≤4 (например, 2≤a≤3); 0≤b≤4; 0≤c≤4; 0≤d≤4; 0≤e≤4; a+b+c+d+e=4; и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z. В частности, z≤0,9, например, z≤0,5. Дополнительно, в частности, x+y+z≤0,2.

Уравнения a+b+c+d+e=4 и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z, соответственно, в частности, определяют катионы Z, A, B, C, D и E и анионы O и N в решетке, и, таким образом, они также определяют нейтральность заряда системы. Например, компенсация заряда покрывается формулой 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z. Она покрывает, например, компенсацию заряда при уменьшении содержания O или компенсацию заряда при замещении катиона C катионом B или катиона B катионом A и т.д. Например, если x=0,01, y=0,02, n=0, a=3; то 6+3b+4c=10-0,02; причем a+b+c=4: b=0,02, c=0,98.

Как будет ясно для специалиста в данной области техники, a, b, c, d, e, n, x, y, z всегда равны или больше 0. Когда a определяется в сочетании с уравнениями a+b+c+d+e=4 и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z, то в принципе b, c, d и e не обязательно должны определяться. Однако для цели полноты здесь также определяются 0≤b≤4; 0≤c≤4; 0≤d≤4; 0≤e≤4.

Предположим систему подобную SrMg₂Ga₂N₄:Eu. Здесь a=2, b=2, c=d=e=y=z=n=0. В такой системе 2+2+0+0+0=4 и 2×2+3×2+0+0+0=10-0-0+0=10. Таким образом, выполняются оба уравнения. Предположим, что вводится 0,5 O. Система с 0,5 O может быть получена, например, когда 0,5Ga-N замещается 0,5Mg-O (что представляет собой электронейтральное замещение). Это приводит к SrMg_2,5Ga_1,5N_3,5O_0,5:Eu. Здесь в такой системе 2,5+1,5+0+0+0=4 и 2×2,5+3×1,5+0+0+0=10-0-0,5+0=9,5. Таким образом, здесь также выполняются оба уравнения.

Как указано выше, в предпочтительном варианте осуществления d>0 и/или z>0, в частности, по меньшей мере d>0. В частности, люминофор содержит по меньшей мере литий.

В еще одном варианте осуществления 2≤a≤3 и, в частности, также d=0, e=0 и z=0. В таких случаях люминофор характеризуются, среди прочих, условиями a+b+c=4; и 2a+3b+4c=10-y-n.

В дополнительном конкретном варианте осуществления, с которым могут сочетаться предшествующие варианты осуществления, e=0. В другом дополнительном конкретном варианте осуществления, с которым могут сочетаться предшествующие варианты осуществления, M представляет собой Ca и/или Sr.

Таким образом, в конкретном варианте осуществления люминофор имеет формулу M(Ca и/или Sr)_1-x-yMg_aAl_bSi_cN_4-nO_n:ES_x,RE_y (I), с ES, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Eu (европия), Sm (самария) и Yb (иттербия); RE, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных Ce (церия), Pr (празеодима), Nd (неодима), Sm (самария), Eu (европия), Gd (гадолиния), Tb (тербия), Dy (диспрозия), Ho (гольмия), Er (эрбия) и Tm (тулия), где y/x<0,1, в частности, y/x<0,01, и n≤0,1, в частности, n<0,01, еще более конкретно n<0,001, даже еще более конкретно n<0,0001. Таким образом, в этом варианте осуществления по существу описаны люминофоры, содержащие самарий и/или европий. Например, когда присутствует двухвалентный Eu, x=0,05, и, например, y1 для Pr может быть 0,001, и y2 для Tb может быть 0,001, приводя к y=y1+y2=0,002. В таком случае y/x=0,04. Еще более конкретно, y=0. Однако, как указано в других разделах, когда применяется Eu и Ce, отношение y/x может составлять более чем 0,1.

Условие 0<x+y≤0,4 показывает, что M может замещаться ES и/или RE в сумме до 40%. Условие "0<x+y≤0,4" в сочетании с тем, что x и y составляют от 0 до 0,2, указывает, что присутствует по меньшей мере один из ES и RE. Присутствие обоих типов не обязательно. Как указано выше, каждый из двух ES и RE может индивидуально относится к одному или более элементам, например, ES относится к одному или более из Sm и Eu, а RE относится к одному или более из Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er и Tm.

В частности, когда европий применяют как двухвалентный люминесцентный элемент или легирующий элемент, молярное отношение между самарием и европием (Sm/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001.

То же самое справедливо, когда европий применяют в сочетании с иттербием. Когда европий применяют как двухвалентный люминесцентный элемент или легирующий элемент, молярное отношение между иттербием и европием (Yb/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001. Когда совместно применяют все три элемента, могут применяться такие же молярные отношения, т.е. ((Sm+Yb)/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001.

В частности, x находится в интервале 0,001-0,2 (т.е. 0,001≤x≤0,2), подобном 0,002-0,2, таком как 0,005-0,1, в частности, 0,005-0,08. В частности, в случае двухвалентного европия в описываемых здесь системах, его молярное процентное содержание может быть в диапазоне 0,1-5% (0,001≤x≤0,05), таком как 0,2-5%, подобном 0,5-2%. Для других люминесцентных ионов в вариантах осуществления x может (но не обязательно) равняться или составлять более чем 1% (x может равняться или составлять более чем 0,01).

В конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu, (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu, (Sr,Ca)LiAl₃N₄:Eu и (Sr,Ca)Li_dMg_aAl_bN₄:Eu с a, b, d, которые охарактеризованы выше.

Как также указано здесь, обозначение "(Sr,Ca)" и аналогичные обозначения с другими элементами показывают, что позиции M занимают катионы Sr и/или Ca (или другие элементы, соответственно).

В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из Ba_,95Sr_,05Mg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₂Ga₂N₄:Eu, SrMg₃SiN₄:Eu, SrMg₂Al₂N₄:Eu, SrMg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₃SiN₄:Eu, CaLiAl₃N₄:Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu и SrLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu.

Дополнительные (неограничивающие) примеры таких люминофоров представляют собой, например, (Sr_0,8Ca_0,2)_0,995LiAl_2,91Mg_0,09N_3,91O_0,09:Eu_0,005; (Sr_0,9Ca_0,1)_0,905Na_0,09LiAl₃N_3,91O_0,09:Eu_0,005; (Sr_0,8Ca_0,03Ba_0,17)_0,989LiAl_2,99Mg_0,01N₄:Ce_0,01,Eu_0,001; Ca_0,995LiAl_2,995Mg_0,005N_3,995O_0,005:Yb_0,005 (YB(II)); Na_0,995MgAl₃N₄:Eu_0,005; Na_0,895Ca_0,1Mg_0,9Li_0,1Al₃N₄:Eu_0,005; Sr_0,99LiMgAlSiN₄:Eu_0,01; Ca_0,995LiAl_2,955Mg_0,045N_3,96O_0,04:Ce_0,005; (Sr_0,9Ca_0,1)_0,998Al_1,99Mg_2,01N_3,99O_0,01:Eu_0,002; (Sr_0,9Ba_0,1)_0,998Al_1,99Mg_2,01N_3,99O_0,01:Eu_0,002.

В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu и (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu. В еще одном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из Ba_0,95Sr_0,05Mg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₂Ga₂N₄:Eu, SrMg₃SiN₄:Eu, SrMg₂Al₂N₄:Eu, SrMg₂Ga₂N₄:Eu и BaMg₃SiN₄:Eu. В частности, эти люминофоры и, даже более конкретно, (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu и (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu могут представлять собой люминофоры, имеющие хорошие люминесцентные свойства, помимо прочих, в отношении спектрального положения и распределения люминесценции.

Особый интерес представляют люминофоры, которые удовлетворяют условиям 0≤x≤0,2, y/x<0,1, M содержит по меньшей мере Sr, z≤0,1, а≤0,4, 2,5≤b≤3,5, B содержит по меньшей мере Al, c≤0,4, 0,5≤d≤1,5, D содержит по меньшей мере Li, e≤0,4, n≤0,1 и в котором ES по меньшей мере содержит Eu.

В частности, y+z≤0,1. Дополнительно, в частности, x+y+z≤0,2. Дополнительно, в частности, a близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, b составляет примерно 3. Дополнительно, в частности, c близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, d составляет примерно 1. Дополнительно, в частности, e близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, n близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, y близко к 0 или равно нулю.

Особенно хорошими системами в отношении квантовой эффективности и устойчивости к гидролизу являются те, у которых z+d>0, т.е. присутствуют один или более из Na, K, Rb, Li и Cu(I), в частности, по меньшей мере Li, такие как, например, (Sr,Ca)LiAl₃N₄:Eu и (Sr,Ca)Li_dMg_aAl_bN₄:Eu, где a, b, d являются такими, как определяется выше. В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из CaLiAl₃N₄:Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu и SrLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu.

Дополнительными люминофорами, вызывающими особый интерес, являются (Sr,Ca,Ba)(Li,Cu)(Al,B,Ga)₃N₄:Eu, которые включают в качестве иона M по меньшей мере Sr, в качестве иона B по меньшей мере Al и в качестве иона D по меньшей мере Li.

Дополнительные варианты осуществления

Преобразующий длину волны элемент может быть порошковым слоем, распределенным в абсорбирующем материале матрицы порошком, пленкой, полимерной пластинкой, керамической пластинкой и т.д. В варианте осуществления преобразующий длину волны элемент может быть самостоятельным.

Преобразующий длину волны элемент, в частности, является по меньшей мере частично пропускающим для синего света и по меньшей мере частично пропускающим для УФ-излучения. Это подразумевает, что материал, толщина и содержание люминесцентных материалов выбираются, в частности, таким образом, что часть синего света и УФ-излучения проходит через преобразующий длину волны элемент и обнаруживается ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента. Таким образом, преобразующий длину волны элемент выполнен с возможностью эксплуатации, в частности, в режиме пропускания.

В варианте осуществления преобразующий длину волны элемент содержит матрицу, в которую внедряют первый люминесцентный материал и второй люминесцентный материал. Матрица может быть неорганической матрицей или органической матрицей, или гибридной матрицей, такой как силоксановая матрица. Кроме того, термин "матрица" может относиться к множеству матриц. Например, первый люминофор может внедряться в первую матрицу, а второй люминофор может внедряться во вторую матрицу, причем эти две матрицы образуют преобразующий длину волны элемент.

Необязательно, люминесцентный материал может быть матрицей для другого люминесцентного материала.

Когда люминесцентные материалы внедряются в матрицу, люминесцентные материалы могут распределяться, в частности, равномерно. Это также приводит к наилучшему распределению света осветительного устройства.

В другом варианте осуществления преобразующий длину волны элемент содержит основу, имеющую одно или более покрытий, причем одно или более из данных покрытий содержат один или более из первого люминесцентного материала и второго люминесцентного материала. Отметим, что необязательно основа может содержать вышеупомянутую матрицу.

В частности, преобразующий длину волны элемент располагается на ненулевом расстоянии от первого твердотельного источника света и второго твердотельного источника света. Таким образом, например, может быть создана смесительная камера. Следовательно, в дополнительном варианте осуществления преобразующий длину волны элемент выполнен как окно смесительной камеры, причем первый твердотельный источник света и второй твердотельный источник света выполнены с возможностью подачи собственного света этих твердотельных источников света в смесительную камеру, и при этом твердотельные источники света и преобразующий длину волны элемент выполнены с возможностью подачи света осветительного устройства ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента, при этом свет осветительного устройства содержит белый свет или при этом осветительное устройство может регулироваться для подачи света осветительного устройства, представляющего собой белый свет. Когда применяют более одного первого твердотельного источника света и более одного второго твердотельного источника света, в частности, эти источники света распределяются равномерно (например, в камере).

Выражение "при этом свет осветительного устройства включает белый свет или при этом осветительное устройство может регулироваться для подачи света осветительного устройства, представляющего собой белый свет" означает, что осветительное устройство в варианте осуществления может иметь практически фиксированное спектральное распределение света устройства. Однако осветительное устройство может также содержать регулятор, выполненный с возможностью регулирования одного или более твердотельных источников света. Таким образом, может регулироваться также спектральное распределение (и интенсивность) света устройства. В последнем варианте осуществления осветительное устройство может регулироваться для подачи света осветительного устройства, представляющего собой белый свет.

Помимо высоких эффективности и цветопередачи, основное преимущество настоящего изобретения заключается в том, что за счет присутствия двух люминесцентных материалов, преобразующих свет, ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента может быть создано практически равномерное распределение света. Таким образом, не требуются никакие оптические устройства ниже по потоку, и, в частности, не требуется никакого дополнительного рассеивателя, в то время как в решениях предшествующего уровня техники такой рассеиватель может быть необходим. Следовательно, в дополнительном варианте осуществления осветительное устройство не содержит расположенного ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента рассеивающего элемента.

Дополнительно, оказывается, что в настоящем решении относительное содержание (доля) УФ-излучения по отношению к полному излучению СИД-источника света может быть меньше, чем по сравнению с решениями предшествующего уровня техники. В некоторых вариантах осуществления мощность вторых твердотельных источников (синего света) может составлять более чем 80% от суммарной мощности (УФ-излучения и синего света) твердотельных источников света. Следовательно, в варианте осуществления мощность (в ваттах) второго твердотельного источника света равняется или составляет более чем 80% от суммарной мощности (в ваттах) первого твердотельного источника света и второго твердотельного источника света. Здесь термин "мощность" относится к мощности в ваттах, поданной в указанных спектральных областях, когда твердотельный источник света работает на максимальной мощности.

Термины "выше по потоку" и "ниже по потоку" относятся к расположению устройств или приспособлений по отношению к распространению света от генерирующего свет средства (в частности, здесь это первый источник света), причем по отношению к первому положению в пределах луча света от генерирующего свет средства второе положение в луче света, которое ближе к генерирующему свет средству, является расположенным "выше по потоку", а третье положение в пределах луча света, которое находится дальше от генерирующего свет устройства, является расположенным "ниже по потоку".

Осветительное устройство может быть частью или может применяться в, например, офисных осветительных системах, бытовых осветительных системах, осветительных системах магазинов, домашних осветительных системах, направленных осветительных системах, точечных осветительных системах, театральных осветительных системах, волоконно-оптических прикладных системах, проекционных системах, самоосвещаемых дисплейных системах, пикселированных дисплейных системах, сегментированных дисплейных системах, предупредительных указательных системах, осветительных системах для применения в медицине, индикаторных указательных системах, декоративных осветительных системах, портативных системах, автомобильных применениях, осветительных системах теплиц, осветительных системах для садоводства или подсветке жидкокристаллических дисплеев (ЖКД).

Как указывается выше, осветительное устройство может использоваться в качестве блока подсветки в устройствах ЖКД. Следовательно, изобретение предлагает также ЖКД дисплейное устройство, содержащее осветительное устройство, которое охарактеризовано здесь, выполненное в качестве блока подсветки. Изобретение также обеспечивает в дополнительном аспекте жидкокристаллическое дисплейное устройство, содержащее блок подсветки, причем данный блок подсветки содержит одно или более осветительных устройств, которые охарактеризованы здесь.

Термин белый свет, который обозначен здесь, известен специалисту в данной области техники. Он относится, в частности, к свету, имеющему коррелированную цветовую температуру (КЦТ) от примерно 2000 до 20000 K, в частности, 2700-20000 K; для общего освещения, в частности, в диапазоне от примерно 2700 K до 6500 K, и для целей подсветки, в частности, в диапазоне от примерно 7000 K до 20000 K, и, в частности, в пределах примерно 15-кратного стандартного отклонения выравнивания цвета (СОВС) от локуса черного тела (ЛЧТ), в частности, в пределах примерно 10 СОВС от ЛЧТ, еще более конкретно, в пределах примерно 5 СОВС от ЛЧТ.

Термины "фиолетовый свет" или "фиолетовое излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 380-440 нм. Термины "синий свет" или "синее излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 440-490 нм (включая некоторые фиолетовые и голубые оттенки). Термины "зеленый свет" или "зеленое излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 490-560 нм. Термины "желтый свет" или "желтое излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 540-570 нм. Термины "оранжевый свет" или "оранжевое излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 570-600 нм. Термины "красный свет" или "красное излучение", в частности, относятся к свету с длиной волны в диапазоне примерно 600-750 нм. Термин "розовый свет" или "розовое излучение" относятся к свету с синей и красной компонентами. Термины "видимый", "видимый свет" или "видимое излучение" относится к свету с длиной волны в диапазоне примерно 380-750 нм.

Термин "по существу (практически)", используемый здесь, такой как "по существу весь свет" или "состоит по существу", будет понятен специалисту в данной области техники. Термин "по существу" может также включать варианты значений, такие как "практически", "полностью", "весь" и т.д. Следовательно, в вариантах осуществления это определение также может быть исключено. В случае применения термин "по существу (практически)" может также относиться к 90% или более, такому как 95% или более, в частности, 99% или более, еще более конкретно 99,5% или более, в том числе 100%. Термин "включать/содержать" предусматривает также варианты осуществления, согласно которым термин "содержит" относится к "состоит из". Термин "и/или", в частности, относится к одному или более элементам, упоминаемых до и после термина "и/или". Например, выражение "элемент 1 и/или элемент 2" и аналогичные выражения могут относиться к одному или более из элемента 1 и элемента 2. Термин "включающий/содержащий" может в варианте осуществления относиться к "состоящий из", но может в другом варианте осуществления также относиться к "содержащий по меньшей мере определенные вещества и необязательно одно или более других веществ".

Кроме того, термины "первый", "второй", "третий" и подобные в описании и формуле используются в целях различения между аналогичными элементами и не обязательно для описания их последовательного или хронологического порядка. Следует понимать, что термины, используемые таким способом, являются взаимозаменяемыми в соответствующих обстоятельствах, и что варианты осуществления описанного здесь изобретения могут работать в иных последовательностях, чем описанные или проиллюстрированные здесь.

Кроме того, устройства здесь описываются в процессе эксплуатации. Как будет ясно специалисту в данной области техники, изобретение не ограничивается способами эксплуатации или эксплуатируемыми устройствами.

Отметим, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, но не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники способны разработать многочисленные альтернативные варианты осуществления без выхода за пределы объема прилагаемой формулы изобретения. В данной формуле изобретения никакие ссылочные позиции, помещенные в круглые скобки, не должны истолковываться как ограничивающие формулу изобретения. Использование глагола "включать/содержать" и форм его спряжения не исключает присутствия иных элементов или этапов, чем приведенные в формуле изобретения. Форма единственного числа перед элементом не исключает присутствия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано посредством аппаратного обеспечения, включающего несколько отдельных элементов, и посредством запрограммированного надлежащим образом компьютера. В пункте формулы изобретения на устройство, перечисляющем несколько средств, некоторые из этих средств могут быть воплощены одним и тем же элементом аппаратного обеспечения. Тот факт, определенные меры перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что не может быть использовано с преимуществом сочетание этих мер.

Изобретение дополнительно относится к устройству, включающему один или более отличительных признаков, которые представлены в описании и/или показаны на прилагаемых чертежах. Изобретение дополнительно предлагает способ или процесс, включающий один или более отличительных признаков, которые представлены в описании и/или показаны на прилагаемых чертежах.

Разнообразные аспекты, обсужденные в этой патентной заявке, могут сочетаться в целях обеспечения дополнительных преимуществ. Кроме того, некоторые из признаков могут образовывать основу для одной или более выделенных заявок.

Краткое описание чертежей

Варианты осуществления изобретения теперь будут описаны исключительно в качестве примера со ссылкой на сопровождающие схематичные чертежи, на которых соответствующие ссылочные позиции указывают соответствующие части и на которых:

Фиг. 1a-1b схематически иллюстрируют осветительное устройство согласно некоторым вариантам осуществления, которое описано здесь; и

Фиг. 2a-2c показывают отражение и люминесценцию некоторых возможных люминесцентных материалов, а также в отношении альтернативных решений, соответственно.

Данные схематические чертежи не обязательно выполнены в масштабе.

Подробное описание вариантов осуществления

Фиг. 1a и 1b схематически иллюстрируют осветительное устройство 100, содержащее первый твердотельный источник света 10, выполненный с возможностью подачи УФ-излучения 11 с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм, и второй твердотельный источник света 20, выполненный с возможностью подачи синего света 21 с длиной волны, выбираемой из диапазона 440-470 нм. Дополнительно, устройство 100 содержит преобразующий длину волны элемент 200. Преобразующий длину волны элемент 200 содержит первый люминесцентный материал 210, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом 21 от второго твердотельного источника света 20, света 211 первого люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длин волны зеленого и желтого света, и второй люминесцентный материал 220, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом 21 от второго твердотельного источника света 20, света 221 второго люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длин волн оранжевого и красного света.

Как указано выше, возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением 11 меньше, чем синим светом 21, и возбуждаемость второго люминесцентного материала УФ-излучением 11 меньше, чем синим светом 21 (см. также приведенные ниже примеры).

В обоих схематически проиллюстрированных вариантах осуществления преобразующий длину волны элемент 200 располагается на ненулевом расстоянии (d) от первого твердотельного источника 10 света и второго твердотельного источника 20 света. Расстояние d может составлять, например, в диапазоне 0,1-100 мм, таком как, в частности, 1-50 мм, например, 5-50 мм.

В обоих вариантах осуществления, в качестве примера, преобразующий длину волны элемент 200 выполнен в виде окна смесительной камеры 120.

В другом варианте осуществления, не показанном, твердотельные источники света полностью внедряются в материал матрицы, которая содержит преобразующие длину волны материалы. Эти преобразующие длину волны материалы могут равномерно распределяться в объеме матрицы или формировать однородный слой, который может образовываться при оседании порошка в матрице.

Осветительное устройство подает свет 201 ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента 200. В вариантах осуществления свет 201 осветительного устройства представляет собой белый свет. Необязательно, для регулирования света осветительного устройства может быть выполнен регулятор 50. Таким образом, осветительное устройство 100 может регулироваться для подачи света 201 осветительного устройства, представляющего собой белый свет или цветной свет. Таким образом также можно регулировать цветовую температуру. В частности, регулируемость света 201 устройства может улучшаться при добавлении одного или более других источников света, в частности, выполненных с возможностью излучения при длине волны в иных диапазонах, чем первый твердотельный источник 10 света и второй твердотельный источник 20 света. В частности, такой дополнительный источник света, в частности, дополнительный твердотельный источник света, выполняется с возможностью подачи света (твердотельного) источника света на длинах волн, когда по меньшей мере один из люминесцентных материалов 210, 220 (практически) не поглощает. Таким образом, доминирующая длина волны света от источника света, представляющего собой такой дополнительный источник света, в частности, отличается от доминирующих длин волн первого источника света и второго источника света, соответственно, и она может даже, в частности, отличаться от доминирующих длин волн излучения первого люминесцентного материала и излучения второго люминесцентного материала, соответственно.

На фиг. 1a преобразующий длину волны элемент 200 содержит матрицу 230, в которую внедряются первый люминесцентный материал 210 и второй люминесцентный материал (220). Это может быть люминесцентный материал в виде частиц, внедренный, например, в полимер, такой как полимер, выбранный из группы, которую составляют полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиэтиленнафталат (PEN, поликарбонат (PC), полиметилакрилат (PMA), полиметилметакрилат (PMMA, плексиглаз или перспекс), ацетобутират целлюлозы (CAB), поливинилхлорид (PVC), полиэтилентерефталат (PET), модифицированный гликолем полиэтилентерефталат (PETG), полидиметилсилоксан (PDMS) и циклоолефиновый сополимер (COC). Однако в другом варианте осуществления матрица может содержать неорганический материал. Предпочтительные неорганические материалы выбираются из группы, состоящей из стекол, (плавленого) кварца, прозрачных керамических материалов и силиконов. Кроме того, могут применяться гибридные материалы, содержащие как неорганические, так и органические компоненты. В частности, предпочтительными в качестве материала для матрицы являются PMMA, прозрачный PC, силикон или стекло. В частности, могут представлять интерес силикон, а также PDMS и полисилсесквиоксан. Таким образом, преобразующий элемент может также использоваться в качестве волновода.

На фиг. 1b преобразующий длину волны элемент 200 содержит основу 240, содержащую одно или более покрытий 241, причем одно или более из данных покрытий содержат один или более из первого люминесцентного материала 210 и второго люминесцентного материала 220. Отметим, что основа 240 необязательно может представлять собой матрицу по описанному выше варианту осуществления. Здесь, в качестве примера, покрытия 241 предусмотрены со стороны ниже по потоку от основы 240. Однако в качестве альтернативы или дополнительно, одно или более покрытий могут быть предусмотрены со стороны выше по потоку от основы 240. Дополнительно, в качестве примера, первое покрытие 241a содержит первый люминесцентный материал 210, а второе покрытие 241b содержит второй люминесцентный материал 220.

Чтобы реализовать заявленную СИД-систему, должны выбираться люминофорные системы, которые проявляют наибольшее светопоглощение в синем диапазоне спектра и лишь низкое поглощение в фиолетовом диапазоне спектра. Хорошо известные и широко применяемые люминофоры, излучающие свет от зеленого до желтого, представляют собой материалы на основе гранатов, легированных Ce(III), такие как Lu₃Al₅O₁₂:Ce (LuAG) или Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG). Альтернативные системы материалов, которые имеются в продаже от компании Mitsubishi Chemical Company, представляют собой, например, легированные Ce(III) скандаты, такие как CaSc₂O₄:Ce (зеленый), или легированные Ce(III) нитриды, такие как La₃Si₆N₁₁:Ce (желтый). Для красного диапазона спектра применяются легированные Eu(II) люминофоры, в которых высоко симметричные позиции для легирующей примеси (октаэдрическая или кубическая координация) сочетаются с сильным полем лигандов. Примерами являются сульфиды щелочноземельных металлов, такие как SrS:Eu или Ca(Se,S):Eu, или нитриды состава SrLiAl₃N₄:Eu или SrAl₂Mg₂N₄:Eu. Другие возможные материалы для преобразующих в красный свет люминофоров представляют собой легированные Mn(IV) фторидные материалы, такие как K₂SiF₆:Mn, которые проявляют узкие полосы поглощения в синем диапазоне спектра за счет перехода 3d-электронов из октаэдрического состояния ⁴A₂ в состояние ⁴T₂.

В частности, СИД-система содержит сочетание Lu₃Al₅O₁₂:Ce (LuAG) или Y₃Al₅O₁₂:Ce (YAG) в качестве излучающих зеленый и желтый свет люминофоров и SrLiAl₃N₄:Eu в качестве преобразующего в красный свет люминофора. Сочетание этих люминофоров особенно эффективно в случае эксплуатации при высоких температурах, которые, как правило, достигаются в СИД-модулях, используемых, например, для точечного освещения, вследствие высоких требуемых плотностей потока. Фиг. 2a иллюстрирует спектры коэффициента отражения толстого порошкового слоя из предпочтительных материалов по изобретению. Эти материалы проявляют значительно более сильное поглощение в синем диапазоне спектра, чем в фиолетовом диапазоне спектра, в то время как, например, преобразующий в красный свет люминофорный материал, такой как CaSiAlN₃:Eu, проявляет сильное поглощение в фиолетовом диапазоне спектра (не показано). Для того чтобы достичь желательного выигрыша в эффективности преобразования, люминофорные системы, подходящие для настоящего изобретения, должны иметь соотношения (ABS=1 - REF) поглощения для возбуждения при 460 нм и 410 нм, составляющие по меньшей мере ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ > 1,6 для люминофоров, излучающих свет от зеленого до желтого, и ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ > 1,17 для люминофоров, излучающих красный свет, в спектрах отражения порошкообразных образцов, имеющих бесконечную оптическую толщину и измеряемых на воздухе при комнатной температуре.

Примеры

Фиг. 2a иллюстрирует спектры коэффициентов отражения толстого порошкового слоя Ca(0,7Se,0,3S):Eu (1); (0,25Ca,0,75Sr)S:Eu (2); CaS:Eu (3); K₂SiF₆:Mn (4); SrLiAl₃N₄:Eu (5); Lu₃Al₅O₁₂:Ce (6); и Y₃Al₅O₁₂:Ce (7) (отражение представлено на оси y как функция длины волны (нм), представленной на оси x).

Был изготовлен источник света, содержащий 30 кристаллов на основе СИДов синего свечения, излучающих при 455 нм, и 6 кристаллов на основе СИДов фиолетового свечения, излучающих при 415 нм, и люминофор в слое силикона, содержащий LuAG (GAL515), YAG (NYAG4653) и SrLiAl₃N₄:Eu(0,3%). Смесь люминофоров СИД-модуля была отрегулирована для обеспечения максимальной цветопередачи в красном диапазоне спектра (R9=97, ИЦП(8)=90) и увеличения цветового разделения излучения на желтую и красную части (провал излучения при ~600 нм) с улучшением насыщенной цветопередачи, аналогично решениям предшествующего уровня техники. При изменении соотношения, например, люминофоров LuAG и YAG, спектр может регулироваться и оптимизироваться, например, на максимальную световую эффективность или полную цветопередачу. Таблица 1 обобщает данные характеристик примерной заявленной осветительной системы. Благодаря выбору люминофора, который проявляет лишь слабое поглощение в фиолетовом диапазоне спектра, число кристаллов на основе СИДов фиолетового свечения может уменьшаться, и световая эффективность дополнительно повышается по сравнению с осветительными системами предшествующего уровня техники, имеющими улучшенное воспроизведение белого света.

Фиг. 2b иллюстрирует в сравнении спектры излучения СИД системы по изобретению (кривая B) и двух альтернативных доступных решений (кривые A и C) (интенсивность, представленная на оси y, выражена в условных единицах как функция длины волны (нм), представленной на оси x). Во всех случаях коррелированная цветовая температура составляет 3000 K. СИД-система по изобретению проявляет по меньшей мере четыре максимума.

Таблица 1. Данные характеристик СИД осветительной системы по изобретению

СИД-система Соотношение интенсивностей синего и фиолетового света u' v' Светоотдача [лм/Вт] Эффективность преобразования [лм/Вт_опт.] ИЦП (8) R9 B 85% 0,247 0,516 272 184 90 97 A 60% 0,256 0,518 262 169 97 90 C 0% 0,247 0,518 251 156 97 97 D 88% 0,258 0,525 316 210 93 86 E 79% 0,247 0,519 315 208 94 56

Пример D: CaSc₂O₄:Ce, YAG:Ce, K₂SiF₆:Mn

Пример E: CaSc₂O₄:Ce, Ca(Se,S):Eu

На основании данной таблицы можно сделать вывод о том, что эффективность является очень высокой, и при этом также наблюдается хороший индекс цветопередачи (ИЦП) и хорошая цветопередача R9.

Фиг. 2c иллюстрирует спектры излучения (на оси y представлена интенсивность в условных единицах как функция длины волны (нм), которая представлена на оси x) примерных подходящих материалов: CaS:Eu (1); C_a0,75Sr_0,25:Eu (2); Ca_0,5Sr_0,5:Eu (3); Ca_0,25Sr_0,75S:Eu (4); SrS:Eu (5); Ca(S,Se):Eu (6); CaS:Ce (7); K₂SiF₆:Mn (8); SrLiAl₃N₄:Eu (9); YAG:Ce (10); Lu₃A₅O₁₂:Ce (LuAG) (11); Y₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce (12); Lu₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce (13); (Lu,Y)₃Al₅O₁₂:Ce (14).

Изобретение может быть использовано для получения белого света в осветительных устройствах. Осветительное устройство (100) содержит первый твердотельный источник (10) света, выполненный с возможностью подачи УФ-излучения (11) с длиной волны 380-420 нм; второй твердотельный источник (20) света, выполненный с возможностью подачи синего света (21) с длиной волны 440-470 нм; преобразующий длину волны элемент (200), содержащий первый люминесцентный материал (210) и второй люминесцентный материал (220). Первый люминесцентный материал (210) излучает зеленый или желтый свет (211), а второй люминесцентный материал (220) излучает оранжевый или красный свет (221), в результате чего получают белый свет (201). Преобразующий длину волны элемент (200) расположен на ненулевом расстоянии (d) от твердотельных источников света (10, 20) и выполнен в виде окна смесительной камеры (120). Осветительное устройство (100) не содержит рассеивающего элемента, но дополнительно содержит регулятор твердотельных источников света (10, 20). Преобразующий длину волны элемент (200) может содержать матрицу, в которую внедрены первый (210) и второй (220) люминесцентные материалы. Повышается эффективность преобразования излучения в белый свет. 11 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

1. Осветительное устройство (100), содержащее:

- первый твердотельный источник (10) света, выполненный с возможностью подачи УФ-излучения (11) с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм;

- второй твердотельный источник (20) света, выполненный с возможностью подачи синего света (21) с длиной волны, выбираемой из диапазона 440-470 нм;

- преобразующий длину волны элемент (200), причем данный преобразующий длину волны элемент (200) содержит:

- первый люминесцентный материал (210), выполненный с возможностью подачи при возбуждении синим светом (21) от второго твердотельного источника (20) света, света (211) первого люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длин волн зеленого и желтого света, и при этом возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением (11) меньше, чем синим светом (21); и

- второй люминесцентный материал (220), выполненный с возможностью подачи при возбуждении синим светом (21) от второго твердотельного источника (20) света, света (221) второго люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длин волн оранжевого и красного света, и при этом возбуждаемость второго люминесцентного материала УФ-излучением (11) меньше, чем синим светом (21);

причем данное осветительное устройство (100) выполнено с возможностью подачи света (201) осветительного устройства, который включает в себя упомянутое УФ-излучение (11), упомянутый синий свет (21), упомянутый свет (211) первого люминесцентного материала и упомянутый свет (221) второго люминесцентного материала.

2. Осветительное устройство (100) по п. 1, в котором первый люминесцентный материал (210) выбирается из группы, состоящей из класса A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, класса MA₂O₄:Ce³⁺, класса MS:Ce³⁺ и класса A₃Z₆N₁₁:Ce³⁺, причем A выбирается из группы лантаноидов, скандия, иттрия и лантана, причем B выбирается из группы алюминия и галлия, причем M выбирается из группы щелочноземельных элементов, и причем Z выбирается из группы кремния и германия.

3. Осветительное устройство (100) по п. 1, в котором второй люминесцентный материал (220) выбирается из группы класса MD:Eu, класса MGB₃N₄:Eu, класса M'B₂M"₂N₄:Eu, класса MM"₃ZN₄:Eu и класса G₂ZF₆:Mn, причем M выбирается из группы щелочноземельных элементов, причем M' выбирается из группы Sr, Ba и Ca, причем M" выбирается из группы Be, Mg, Mn, Zn и Cd, причем D выбирается из группы S и Se, причем Z выбирается из группы Si, Ge, Ti, Zr, Hf, Sn, причем B выбирается из группы B, Al, Ga, Sc, и причем G выбирается из группы щелочных элементов.

4. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором первый люминесцентный материал (210) содержит A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, причем A выбирается из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu, и причем B выбирается из группы, состоящей из Al и Ga.

5. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором первый люминесцентный материал (210) выбирается из группы, состоящей из (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, CaSc₂O₄:Ce³⁺, CaS:Ce³⁺ и La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, и в котором второй люминесцентный материал (220) выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaBe₃SiN₄:Eu, SrAl₂Mg₂N₄:Eu и K₂SiF₆:Mn.

6. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором преобразующий длину волны элемент (200) расположен на ненулевом расстоянии (d) от первого твердотельного источника (10) света и второго твердотельного источника (20) света.

7. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором преобразующий длину волны элемент (200) выполнен в виде окна смесительной камеры (120), причем первый твердотельный источник (10) света и второй твердотельный источник (20) света выполнены с возможностью подачи света (11, 21) этих твердотельных источников света в смесительную камеру (120), и при этом твердотельные источники (10, 20) света и преобразующий длину волны элемент (200) выполнены с возможностью подачи света (201) осветительного устройства ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента (200), причем свет (201) осветительного устройства включает в себя белый свет, или при этом осветительное устройство (100) дополнительно содержит регулятор, выполненный с возможностью регулирования одного или более твердотельных источников света (10, 20), так что осветительное устройство (100) может регулироваться для подачи света (201) осветительного устройства, представляющего собой белый свет.

8. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором преобразующий длину волны элемент (200) содержит матрицу (230), в которую внедрены первый люминесцентный материал (210) и второй люминесцентный материал (220).

9. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором преобразующий длину волны элемент (200) содержит основу (240), включающую одно или более покрытий (241), причем одно или более покрытий содержат один или более из первого люминесцентного материала (210) и второго люминесцентного материала (220).

10. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором осветительное устройство (100) не содержит рассеивающего элемента, расположенного ниже по потоку от преобразующего длину волны элемента (200).

11. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором мощность (в ваттах) второго твердотельного источника света (20) равна или составляет более 80% суммарной мощности (в ваттах) первого твердотельного источника света (10) и второго твердотельного источника света (20), причем число вторых твердотельных источников света (20) больше чем в 4 раза числа первых твердотельных источников света (10).

12. Осветительное устройство (100) по любому из пп. 1-3, в котором соотношение поглощения ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,5 для первого люминесцентного материала (210) и в котором соотношение поглощения ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,1 для второго люминесцентного материала (220).