ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ С УПРАВЛЯЕМЫМ СПЕКТРОМ Российский патент 2018 года по МПК H01L33/54 

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Может быть использовано для разработок и производства высокоэффективных источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, на транспорте, в быту.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Источники излучений в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолета (УФ, 100 нм) до дальне-инфракрасного (ИК, 20 мкм) - широко используются во всех сферах жизнедеятельности. Их действие основано на преобразовании энергии электрического поля или тока, электронного или светового потока в энергию излучений.

Основные положительные свойства источников излучения - высокие значения яркости, КПД преобразования, управляемость спектром. В последнее время злободневными становятся новые свойства - управление спектром излучения в готовом приборе.

Известны электролюминесцентные излучатели, в которых излучение возбуждается полевым воздействием на твердотельную пленочную структуру, например: тонкопленочный электролюминесцентный индикатор - патент РФ 2065259, тонкопленочный электролюминесцентный дисплей с высокой контрастностью и способ его изготовления - патент РФ 2119274, электролюминесцентная система, многослойная структура, осветительное устройство и способ получения электролюминесцентной системы - патент РФ 2305378.

Недостатками таких источников являются: малые значения яркости и КПД преобразования, высокие значения управляющего напряжения, узкий не управляемый спектральный диапазон.

Известен огромный класс монохромных светодиодов (СИД), в которых в гетероструктуре электрический ток преобразуется в свет [1, 2]. Они имеют присущие им недостатки - узкий спектральный диапазон и отсутствие управляемости спектром излучения в готовом приборе.

Широкое применение [1, 2] имеют белые светодиоды, в которых СИД синего света возбуждает люминофор иммерсионной линзы, создавая и смешивая гамму из двух-трех цветов - полупроводниковый источник света, патенты РФ 2114492, 2349988; светоизлучающий диод, патент РФ 2484363; светодиод с оптикой, патент РФ 2512110; осветительное устройство, патенты РФ 2511720, 2518198;

Всем перечисленным выше вариантам присущи существенные недостатки -плохая управляемость спектром излучения от прибора к прибору и отсутствие таковой в готовом приборе. Спектр излучения в этих приборах полностью зависит от состава материалов излучающей структуры, который постоянен для готового прибора, и не зависит от условий питания. Кроме того, спектр этих приборов ограничен диапазоном видимого излучения.

Некоторое улучшение свойства управляемости спектром добиваются интеграцией элементов и смешением их излучения в микро- и макроисполнении, например, способ формирования светоизлучающих матриц - патенты РФ 2474920, 2492550, 2465683; источник света, содержащий светоизлучающие кластеры - патент РФ 2462002; тонкопленочное светодиодное устройство с возможностью поверхностного монтажа - патент 2372671; светильник - патент 2366120; светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы (варианты) - патент 2295174.

Во всех этих вариантах решается задача управления спектром света только в диапазоне от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм). При этом в микроинтегральных вариантах значительно растут световые потери, а технологии их исполнений сложны и дороги. Макро-исполнения, в которых простыми способами смешивают свет разных цветов, проявляет худшие свойства по сравнению с обычным широко используемым (стандартным) решением - использованием чипа синего света и бело-желтой люминесценции от люминофора, внедренного в материал контактной с чипом иммерсионной линзы [3].

При протекании тока через излучающую структуру в ней происходит люминесценция и излучение в иммерсионную линзу-интегратор. Линза содержит порошок люминофора, который возбуждается излучением светодиода и вместе с этим излучением создает свет нужной цветности. Линза, таким образом, выполняет роль пространственного интегратора излучения светодиода и его преобразования в свет с результирующими спектральными и энергетическими характеристиками. Поскольку спектр излучения полностью определяется используемыми материалами, его характеристики не изменены. Кроме того, спектральный диапазон излучения жестко ограничен интервалом длин волн люминесценции светодиода и линзы - от синего (0,45 мкм) до красного (0,65 мкм).

Указанные принципиальные ограничения в свойствах излучения светодиодов частично преодолеваются в варианте [4], выбранном как прототип, благодаря использованию в качестве излучающей структуры вместо чипа - микроканальной пластины (МКП), в качестве люминесцирующей структуры - порошковые покрытия поверхности микроканалов, вместо линзы - специальных съемных пластинок. Устройство генерирует излучение в широком управляемом спектре в зависимости от свойств его элементов и режимов электропитания.

Ограничивающим недостатком прототипа является использование для возбуждения люминесценции эмиссии электронов в микроканалах, что усложняет структуру и существенно снижает эффективность преобразования.

Все указанные выше недостатки аналогов и прототипа преодолеваются в предлагаемом варианте благодаря использованию нескольких оптически связанных излучающих ячеек, каждая из которых состоит из микроканального элемента (МКЭ), на поверхность микроканалов которого нанесен люминесцирующий состав, а к обоим торцам присоединены светодиодные чипы (СДЧ). Спектр излучения каждой ячейки зависит от состава люминесцирующего материала и излучения СДЧ. В зависимости от порядка и режима включения ячеек источник создает излучение сложного управляемого спектрального состава.

Структура излучающей ячейки изображена на фиг. 1. На нем отображено:

1 - микроканальный элемент (МКЭ); п - элемент в изометрическом разрезе;

2 - светодиодный чип 1, СДЧ-1;

3 - светодиодный чип 2, СДЧ-2;

4 - микроканалы сотовой структуры МКЭ.

На поверхность микроканалов МКЭ 1 нанесен микро- или нанопорошок люминесцирующего материала (полупроводника), создающего при его возбуждении излучение в некоторой спектральной полосе с длиной волны λ_люм и ее сателитами λ_J. Светодиодный чип 1 создает излучение с длиной волны λ_доп, проходящее в микроканалы МКЭ 1. Светодиодный чип 2 создает излучение с длиной волны λ_возб, проходящее в микроканалы и возбуждающее люминесцирующий материал на их поверхности.

Определяющее спектры излучения условие: λ_возб<λ_люм<λ_доп.

Ячейка действует следующим образом.

При включении светодиодного чипа 2 он создает излучение, проникающее в микроканалы МКЭ 1, под действием которого люминесцирующее покрытие на поверхности микроканалов излучает в своем спектральном интервале. Это излучение распространяется внутри всего элемента 1, выходя через его боковую поверхность во все стороны. При этом часть излучения чипа 2, отражаясь и рассеиваясь на поверхности микроканалов, выходит через боковую поверхность ячейки. Подбором режима питания чипа 2 можно добиться, чтобы его излучение полностью поглощалось и не выходило наружу.

При включении светодиодного чипа 1 он создает излучение, проникающее в микроканалы, отражаемое и рассеиваемое их поверхностью и выходящее через его боковую поверхность МКЭ 1 во все стороны.

Таким образом, в зависимости от порядка включения светодиодных чипов и их режима питания ячейка будет излучать в одной спектральной полосе - λ_изл или λ_люм; в двух спектральных полосах - λ_изл и λ_люм, или λ_возб и λ_люм; в трех спектральных полосах - λ_изл, λ_люм, λ_возб.

Источник может включать одну, две, три и более ячеек. Структурная схема источника в разрезе отображена на фиг. 2, где: 5, 6, 7 - ячейки; 8 - корпус с отражающей внутренней поверхностью; 9 - цилиндрическая линза. Форма отражающей поверхности корпуса и параметры линзы находятся расчетным или экспериментальным путем для того, чтобы иметь минимальные потери излучения и максимальный его выход.

Таким образом, в варианте из трех ячеек, например, можно иметь излучение в интервалах от одной до девяти спектральных полос.

Люминесцирующий материал в виде полупроводникового микро- или нанопорошка подбирается по требованиям цветности излучения. При этом могут быть использованы один, два и т.д. типов порошка, излучения которых разнесено по спектру. Таким образом, число спектральных полос излучения может быть существенно увеличено.

ПРИМЕРЫ ИСПОЛНЕНИЯ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ

Главное предназначение заявленного варианта источника излучений - использование в аппаратуре с высокими требованиями и широкими возможностями по спектральным характеристикам.

Источник способен излучать в широкоспектральном диапазоне от видимого до дальнеинфракрасного. При этом в определенных интервалах возможна перестройка спектра за счет порядка включения и изменений режима питания светодиодов. Кроме того, величиной спектральной полосы излучения можно управлять, изменяя составы люминофоров.

Примеры исполнения заявленного излучателя отличаются между собой числом ячеек - МКЭ и составами люминесцирующих материалов, подбираемых для каждого конкретного случая применений.

ПРИМЕР 1. Источник видимого излучения, света.

В качестве люминофоров на поверхности микроканалов МКП используются, например, нанопорошки GaN (синий цвет, 0,45 мкм) и GaP (красный цвет, 0,65 мкм), дырочной проводимости - легированные Mg, Са или Zn. Активное излучение от смешения этих цветов - от красного до синего.

Таким образом, можно получить излучение: красное, белое с желтизной, красно-зеленое, зеленовато-белое и др.

При нанесении на поверхность микроканалов одного люминофора в виде квантовых точек разного размера можно получить практически все цвета радуги, изменяя состав и размеры квантовых точек.

ПРИМЕР 2. ИК-источник.

Источник инфракрасного (ИК) излучения получается при использовании в качестве люминесцирующего материала узкозонного полупроводника, например, InSb (7 мкм). Возбуждение проводится излучением, близким по спектру, например, InAs (3 мкм) или GaAs (0,9 мкм), или GaSb (1,5 мкм).

Преимуществами заявленного варианта источника излучения являются: получение многообразия спектральных характеристик в одном приборном исполнении, возможность управления спектральными свойствами, высокая эффективность преобразований. Использование полупроводниковых квантовых точек позволяет получать на одном типе материала узкие управляемые спектральные полосы в широком спектральном диапазоне.

Благодаря этим свойствам заявленный источник излучений может иметь применения в направлениях использования в спектральных приборах в медицине, промышленности, науке, бытовых источниках «умный свет».

Источники информации

1. Ю. Давиденко. Высокоэффективные современные светодиоды. СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. Октябрь 2004. www.soel.ru/cms/f/?/311513.pdf/311513.pdf.

2. Светодиодное освещение. http://specelec.ru/reference-book/item/38-spravochnik-svetodiodnoe-osveschenie-2.html.

3. Светодиодный блок. Патент РФ №2474928. Авторы: Сиденко К.П., Полкунов С.В., Подкупов В.А., Ширанков А.Ф., Хорохоров А.М., Павлов В.Ю., Штыков С.А. Патентообладатель: ООО "Новые экологические технологии и оборудование" (RU). Приоритеты: подача заявки: 07.10.2011, начало действия патента: 07.10.2011, публикация патента: 10.02.2013.

4. Патент РФ 2557358. Источник излучения с изменяемым спектром. Приоритет 03.04.2014. Автор и патентообладатель Жуков Н.Д.

Изобретение относится к оптоэлектронике, светотехнике, приборам, излучающим в видимом, инфракрасном и терагерцовом диапазонах, может быть использовано для разработок и производства х источников с управляемым спектром излучения в медицине, технике, на транспорте, в быту. Источник излучения с управляемым спектром выполнен в виде полого цилиндрического корпуса, внутренняя поверхность которого является цилиндрическим отражателем излучения, а окно - цилиндрической линзой. Внутри корпуса сформирована светоизлучающая микроканальная структура с нанесенными на поверхность ее микроканалов полупроводниковыми микро- или нанопорошками, возбуждаемыми светодиодным излучением и люминесцирующими в разнесенных спектральных полосах λ_J. Светоизлучающая микроканальная структура выполнена в виде одного, или двух, или более микроканальных ячеек-элементов (МКЭ) в виде одинаковых цилиндров, присоединенных друг к другу по образующей, к торцам каждого из которых механически и оптически присоединены по два светодиода: один, возбуждающий - с излучением в спектральной полосе λ_возб, другой, дополняющий - с излучением в спектральной полосе λ_доп. Спектральные полосы излучения всех МКЭ и их дополняющих светодиодов не совпадают и для каждого из них распределены в соотношении - λ_возб<λ_J<λ_доп. Ожидаемый технический эффект - расширение спектрального диапазона, управление спектральными характеристиками, повышение эффективности фотонных преобразований. 2 ил.

Источник излучения с управляемым спектром, имеющий полый корпус с окном для вывода излучения, внутри которого сформирована светоизлучающая микроканальная структура с нанесенными на поверхность ее микроканалов полупроводниковыми микро- или нанопорошками, возбуждаемыми светодиодным излучением и люминесцирующими в разнесенных спектральных полосах λ_J, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра так, что его внутренняя поверхность является цилиндрическим отражателем излучения вовнутрь, а окно - цилиндрической линзой, с геометрическими параметрами отражателя и линзы, подбираемыми расчетным или экспериментальным способами; светоизлучающая микроканальная структура выполнена в виде одного, или двух, или более микроканальных ячеек-элементов (МКЭ) в виде одинаковых цилиндров, присоединенных друг к другу по образующей и расположенных вдоль оси цилиндрического корпуса, к торцам каждого из которых механически и оптически присоединены по два светодиода: один, возбуждающий - с излучением в спектральной полосе λ_возб, другой, дополняющий - с излучением в спектральной полосе λ_доп; спектральные полосы излучения всех МКЭ и их дополняющих светодиодов не совпадают и для каждого из них распределены в соотношении - λ_возб<λ_J<λ_доп.