ПОКРЫТАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЧАСТИЦА, ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ПРЕОБРАЗУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ, ИСТОЧНИК СВЕТА, ОСВЕТИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОКРЫТОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЧАСТИЦЫ Российский патент 2018 года по МПК C09K11/08 F21S13/00 F21Y111/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение предлагает люминесцентные частицы, которые имеют покрытие. Кроме того, настоящее изобретение предлагает способ изготовления покрытых люминесцентных частиц.

Уровень техники, к которой относится изобретение

Определенные люминесцентные материалы являются чувствительными по отношению к воде, и это означает, что люминесцентный материал реагирует с водой таким образом, что образуются другие материалы. Это может в значительной степени ухудшать эксплуатационные характеристики преобразующего свет элемента, который включает люминесцентный материал, и в результате этого могут также образовываться опасные и/или токсичные текучие среды и твердый материалы.

Определенные люминесцентные материалы часто используются как узкополосные световые излучатели, которые производят высококачественный белый свет при относительно высокой эффективности преобразования. Люминофоры на основе сульфидов, таких как сульфид кальция (CaS), сульфид стронция (SrS), селенид-сульфид кальция (CaSeS), легированный европием (Eu), являются потенциальными кандидатами, которые могут быть использованы для этой цели.

Однако эти люминофоры на основе сульфидов являются чрезвычайно чувствительными по отношению к воде, и они могут реагировать с ней, образуя гидроксид кальция или стронция и газообразный сероводород. Помимо ухудшения эксплуатационных характеристик люминофора, высвобождение H₂S также представляет собой проблему, потому что этот газ является ядовитым, воспламеняется и имеет неприятный запах. Кроме того, люминофоры на основе Ca(Se,S) в реакции с водой могут также высвобождать в небольших количествах газообразный H₂Se, который является чрезвычайно ядовитым. Таким образом, требуется защита люминофора с помощью покрытия.

Сущность изобретения

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить покрытые люминесцентные частицы, включающие чувствительный по отношению к воде люминесцентный материал, которые являются хорошо защищенным от воздействия воды, и которые можно изготавливать относительно эффективным способом.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения, предлагается покрытая люминесцентная частица. Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается люминесцентный преобразующий элемент. Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предлагается источник света. Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предлагается осветительное устройство. Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ изготовления покрытых люминесцентных частиц. Предпочтительные варианты осуществления определены в зависимых пунктах формулы настоящего изобретения.

Покрытая люминесцентная частица согласно первому аспекту настоящего изобретения включает люминесцентную частицу, первый покровный слой и второй покровный слой. Люминесцентная частица включает люминесцентный материал, который предназначается, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона. Люминесцентный материал может быть чувствительным по отношению к воде. Первый покровный слой образует первый водонепроницаемый слой (окружающий люминесцентную частицу) и включает покрытие на основе оксида металла или на основе нитрида, фосфида или сульфида. Второй покровный слой образует второй водонепроницаемый слой (окружающий люминесцентную частицу с первым покровным слоем) и включает полимер на основе кремния или включает непрерывный слой одного из материалов из группы AlPO₄ и LaPO₄. Первый покровный слой и второй покровный слой являются светопроницаемыми. Первый покровный слой инкапсулирует люминесцентную частицу, и второй покровный слой инкапсулирует люминесцентную частицу с первым покровным слоем.

Другими словами, на люминесцентную частицу наносится комбинированное покрытие, которое включает, по меньшей мере, два слоя, причем каждый из них представляет собой водонепроницаемый слой. В частности, посредством сочетания двух слоев образуется хороший водонепроницаемый слой, и люминесцентный материал не разрушается вследствие химических реакций с водой, а также, в процессе использование, сохраняются свойства непроницаемости, потому что второе покрытие является относительно устойчивым к царапанию.

Вследствие чувствительности люминесцентных частиц по отношению к воде, по-видимому, является логичным использование технологий нанесения покрытия, которые предотвращают воздействие воды на люминесцентный материал, или которые допускают воздействие воды на люминесцентный материал лишь в весьма ограниченной степени в процессе нанесения покрытия. В области технологий нанесения покрытий были предложены способы нанесения слоев (такие как атомно-слоевое осаждение, химическое парофазное осаждение или физическое парофазное осаждение) для образования водостойкого слоя оксида металла на поверхности чувствительной по отношению к воде частицы. Однако эти тонкие слои оксидов металлов (или покрытия на основе нитридов, фосфидов или сульфидов) обычно имеют неудовлетворительную устойчивость к царапанию, таким образом, что покрытие люминесцентной частицы может быть повреждено, например, в процессе изготовления люминофорных элементов или в процессе их использования. Таким образом, для создания относительно надежной водонепроницаемости согласно такой технологии слои оксидов металлов (или покрытия на основе нитридов, фосфидов или сульфидов) должны быть относительно толстыми, что приводит к относительно высокой стоимости.

Авторы настоящего изобретения понимают, что хотя люминесцентный материал является чувствительным по отношению к воде, пригодные для использования технологии нанесения покрытия не ограничиваются технологиями осаждения слоев.

Используя комбинированное покрытие, которое включает два различных слоя, и которое может быть изготовлено согласно двум различным технологиям нанесения покрытия, можно изготавливать высококачественный водонепроницаемый слой, окружающий люминесцентную частицу, сохраняя стоимость изготовления в приемлемых пределах и преодолевая специфические недостатки однослойного покрытия из оксида металла. Покрытые люминесцентные частицы включают первый тонкий покровный слой оксида металла, который в достаточной степени защищает люминесцентный материал от воды, таким образом, что можно изготавливать второй покровный слой, осуществляя технологию нанесения покрытия, в которой используется вода или другая жидкость. Такие технологии нанесения покрытия, в которых используется вода, как правило, оказываются значительно дешевле и обеспечивают возможности изготовления механически устойчивого покровного слоя на внешней поверхности покрытой люминесцентной частицы. В частности, такой механически устойчивый покровный слой является устойчивым к царапанию. Согласно настоящему изобретению, второй покровный слой изготавливают, используя, например, золь-гелевую технологию.

Люминесцентный материал может проявлять чувствительность по отношению к воде. В контексте настоящего документа это означает, что люминесцентный материал реагирует с водой таким образом, что люминесцентный материал приобретает ухудшенные (люминесцентные) характеристики и/или разрушается. Как правило, когда люминесцентный материал реагирует с водой, образуются новые материалы, и в определенных ситуациях такие материалы могут оказаться опасными или ядовитыми.

Термин "инкапсулировать" используется в отношении первого покровного слоя и второго покровного слоя. Когда первый покровный слой инкапсулирует люминесцентные частицы, в контексте настоящего изобретения это означает, что люминесцентную частицу окружает первый покровный слой, или первый покровный слой заключает в себе люминесцентную частицу. Однако не является обязательным, чтобы первый покровный слой находился в непосредственном контакте с люминесцентным материалом. Другие слои могут находиться между люминесцентной частицей и первым покровным слоем. Второй покровный слой инкапсулирует люминесцентные частицы, которые окружает первый покровный слой. Таким образом, люминесцентную частицу и первый покровный слой окружает второй покровный слой; другими словами, второй покровный слой заключает в себе первый покровный слой и люминесцентную частицу. Однако не является обязательным, чтобы второй покровный слой был непосредственно нанесен на поверхность первого покровного слоя, и другие слои могут располагаться между первым покровным слоем и вторым покровным слоем.

Первый покровный слой и второй покровный слой образуют водонепроницаемый слой, и это означает, что вода практически не может проникать через покровные слои. Согласно практическим вариантам осуществления, это означает, что оказывается относительно затруднительным проникновение воды через первый покровный слой и/или второй покровный слой. Вода не может проникать, по меньшей мере, через сочетание первого покровного слоя и второго покровного слоя. Следует отметить, что это распространяется на первый покровный слой и второй покровный слой, когда они находятся в хорошем состоянии, и это означает, что они не повреждены. Когда соответствующие слои имеют локальные повреждения, не исключается, что соответствующий слой допускает некоторое локальное проникновение воды через соответствующие слои.

Первый покровный слой и второй покровный слой являются светопроницаемыми, и это означает, что, по меньшей мере, часть света, который попадает на соответствующие слои, проникает через соответствующий слой. Таким образом, первый слой и второй слой могут быть полностью или частично прозрачными, или они могут быть полупрозрачными. Согласно варианту осуществления, более чем 90% света, который попадает на покровные слои, проникает через покровные слои. Первый покровный слой и/или второй покровный слой могут быть светопроницаемыми вследствие характеристик материалов, из которых изготовлены данные покровные слои. Например, покровный слой может быть изготовлен из материала, который является прозрачным, даже если данный слой является относительно толстым. Согласно еще одному варианту осуществления, первый покровный слой и/или второй покровный слой являются достаточно тонкими, таким образом, что соответствующий слой становится светопроницаемым, хотя материал, из которого изготовлен данный слой, не является прозрачным или полупрозрачным, когда из него изготавливают относительно толстые слои.

Примеры оксидов металлов, которые используются в первом покровном слое, представляют собой ZnO, TiO₂, Al₂O₃ или ZrO₂. Примеры прозрачных нитридов, фосфидов и сульфидов, которые используются в первом покровном слое, представляют собой TiN, Si₃N₄, Hf₃N₄, Zr₃N₄, InP, GaP или ZnS.

Необязательно люминесцентный материал включает сульфид (S), или он включает селенид (Se). Существуют доступные люминесцентные материалы, который включают сульфид и селенид и которые имеют спектр светового излучения в зеленом или оранжевом/красном спектральном диапазоне. Эти материалы часто проявляют чувствительность по отношению к воде, в частности, когда, в процессе химических реакций образуются газы, а когда материалы включает сульфид или селенид, могут образовываться ядовитые и/или опасные газы, такие как газообразные H₂S или H₂Se. Использование комбинированного покрытия согласно настоящему изобретению предотвращает возможность протекания этих реакций. Люминесцентный материал можно также выбирать из групп ортосиликатов или тиогаллатов. Эти материалы могут также реагировать с водой, и в результате этого происходит, по меньшей мере, ухудшение свойств люминесцентного материала.

Необязательно люминесцентный материал включает, по меньшей мере, один из материалов, представляющих собой сульфид кальция (CaS), сульфид стронция (SrS), селенид-сульфид кальция (CaSeS). Эти материалы часто легируют, используя европий (Eu), чтобы усиливать их люминесцентные свойства. Материалы согласно данному необязательному варианту осуществления имеют спектр светового излучения в красном спектральном диапазоне, причем они имеют спектр светового излучения, который является относительно узким (значение полной ширины на половине высоты спектра светового излучения составляет менее чем 100 нм и необязательно менее чем 60 нм). Эти материалы являются предпочтительным для использования в целях получения высококачественного белого света с относительно высокой эффективностью преобразования.

Необязательно диаметр люминесцентной частицы составляет менее чем 200 мкм. Если люминесцентная частица является достаточно мелкой, она имеет относительно большую удельная поверхность и, таким образом, относительно большую площадь, на которую может попадать свет, и, таким образом, относительно большое количество света может поглощаться для преобразования в свет второго спектрального диапазона. Диаметр частицы определяется как максимальное значение из всех расстояний между точками пересечения всех возможных воображаемых линий, которые пересекают частицу. Согласно другим конкретным вариантам осуществления, может оказаться предпочтительным присутствие люминесцентной частицы, которая является достаточно большой, таким образом, что свет первого спектрального диапазона (представляющий собой свет, который поглощается люминесцентной частицей) не способен частично проходить через люминесцентную частицу, и это означает, что при использовании меньше света первого спектрального диапазона проходит через слой, который включает покрытые люминесцентные частицы.

Необязательно толщина первого покровного слоя находится в интервале от 5 до 30 нм, и, согласно еще одному необязательному варианту осуществления, толщина первого покровного слоя находится в интервале от 10 до 20 нм. Если первый покровный слой имеет такую толщину, он образует эффективный водонепроницаемый слой, и требуется относительно небольшое количество материала и/или время обработки для изготовления слоя. Толщина измеряется вдоль линии, которая ориентирована перпендикулярно по отношению к первому покровному слою.

Необязательно толщина второго покровного слоя находится в интервале от 30 до 80 нм, и, согласно еще одному необязательному варианту осуществления, толщина второго покровного слоя находится в интервале от 40 до 60 нм. Если второй покровный слой имеет такую толщину, он образует эффективный водонепроницаемый слой, и требуется относительно небольшое количество материала и/или время обработки для изготовления слоя. Толщина измеряется вдоль линии, которая ориентирована перпендикулярно по отношению ко второму покровному слою.

Необязательно покрытая люминесцентная частица дополнительно включает третий покровный слой, который располагается между первым покровным слоем и вторым покровным слоем. Третий покровный слой представляет собой один из слоя оксида металла, слоя полимера на основе кремния или непрерывного слоя одного из материалов группы, которую составляют AlPO₄, SiO₂, Al₂O₃ и LaPO₄. Третий покровный слой является светопроницаемым и образует водонепроницаемый слой. Таким образом, другими словами, комбинированное покрытие на поверхности люминесцентных частиц включает дополнительный покровный слой, который имеет характеристики, аналогичные характеристикам первого покровного слоя и/или второго покровного слоя. Настоящее изобретение не ограничивается комбинированными покрытиями, состоящими из двух или трех слоев; можно также использовать более чем три слоя. Кроме того, третий покровный слой располагается между первым покровным слоем и вторым покровным слоем, но не обязательно должен находиться в непосредственном контакте с первым покровным слоем и/или вторым покровным слоем. Дополнительные слои могут располагаться между первым покровным слоем и вторым покровным слоем и, таким образом, между первым покровным слоем и третьим покровным слоем и/или между вторым покровным слоем и третьим покровным слоем. Покрытые люминесцентные частицы согласно данному необязательному варианту осуществления имеют лучшую защиту от воды посредством трех покровных слоев.

Необязательно полимер на основе кремния получается из материала группы, которую составляют соединения, имеющие формулу

в которой (a) R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, и R4 выбирают из линейных алкильных групп C1-C6, гидролизующихся алкоксильных групп и фенильной группы, или (b) R1, R2 и R3 индивидуально выбирают из -OCH₃ и -OC₂H₅, а R4 выбирают из -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильной группы. Когда полимер на основе кремния получается из этих материалов, может быть обеспечена хорошая водонепроницаемость при относительно тонком слое, окружающем люминесцентную частицу, который уже включает первый покровный слой.

Необязательно второй покровный слой изготавливают на основе золь-гелевой технологии, которая представляет собой относительно эффективный и надежный способ, или покровный слой изготавливают, используя обсуждаемые выше материалы.

Необязательно полимер на основе кремния получается из материала группы, которую составляют:

тетраметоксисилан

тетраэтоксисилан

триметокси(метил)силан

и

триэтокси(метил)силан

Материалы согласно данному необязательному варианту осуществления представляют собой предпочтительные материалы, которые обеспечивают хорошую водонепроницаемость при относительно тонком слое, который образуется вокруг частицы согласно золь-гелевой технологии.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения, предлагается люминесцентный преобразователь, который включает покрытые люминесцентные частицы согласно первому аспекту настоящего изобретения, а также включает связующий материал, который соединяет покрытые люминесцентные частицы в люминесцентном преобразующем элементе. Связующий материал представляет собой, например, матричный полимер, такой как, например, полиметилметакрилат (PMMA), полиэтилентерефталат (PET), полиэтиленнафталат (PEN), поликарбонат (PC), кремнийсодержащий материал или стеклянный материал.

Люминесцентный преобразователь согласно второму аспекту настоящего изобретения обеспечивает такие же выгоды, как покрытая люминесцентная частица согласно первому аспекту настоящего изобретения и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как соответствующие варианты осуществления покрытой люминесцентной частицы.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения, предлагается источник света, который включает световой излучатель, производящий световое излучение. Световое излучение включает, по меньшей мере, свет в первом спектральном диапазоне. Источник света дополнительно включает люминесцентный преобразующий элемент согласно второму аспекту настоящего изобретения. Люминесцентный преобразующий элемент располагается в источнике света таким образом, что он принимает свет, который производит световой излучатель. Люминесцентный преобразующий элемент может располагаться непосредственно на светоизлучающей поверхности светового излучателя (когда световой излучатель находится в процессе работы). Согласно другим вариантам осуществления, пространство, заполненное светопроницаемым материалом, может присутствовать между поверхностью светового излучателя, который производит свет в процессе работы, и люминесцентным преобразующим элементом. Данное пространство может иметь толщину, составляющую один или два миллиметра, хотя оно также может иметь толщину порядка одного сантиметра или более. Первая конфигурация называется термином "ближняя конфигурация", поскольку в ней люминесцентный преобразующий элемент располагается вблизи светоизлучающего элемента, а вторая конфигурация называется термином "удаленная конфигурация". Толщина данного пространства измеряется вдоль кратчайшей линии от светоизлучающей поверхности светового излучателя до люминесцентного преобразующего элемента. Кроме того, следует отметить, что световое излучение, которое производит световой излучатель, может также проходить не по прямому оптическому пути к люминесцентному преобразующему элементу, и направление данного оптического пути могут изменять, например, световоды, линзы и другие устройства, а также световое излучение могут отражать, например, зеркала и т.д.

Источник света согласно третьему аспекту настоящего изобретения обеспечивает такие же выгоды, как люминесцентный преобразующий элемент согласно второму аспекту настоящего изобретения или как покрытая люминесцентная частица согласно первому аспекту настоящего изобретения, и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как соответствующие варианты осуществления частицы или элемента.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения, предлагается осветительное устройство, которое включает покрытые люминесцентные частицы согласно первому аспекту настоящего изобретения, или люминесцентный преобразователь согласно второму аспекту настоящего изобретения, или источник света согласно третьему аспекту настоящего изобретения. Осветительное устройство согласно четвертому аспекту настоящего изобретения обеспечивает такие же выгоды, как источник света, люминесцентный преобразующий элемент и покрытая люминесцентная частица согласно другим аспектам настоящего изобретения и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как соответствующие варианты осуществления частицы, элемент или источник света.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения, предлагается способ изготовления покрытых люминесцентных частиц. Данный способ включает следующие стадии: (a) изготовление люминесцентных частиц из люминесцентного материала, причем данные люминесцентные частицы предназначены для того, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона, и люминесцентный материал проявляет чувствительность по отношению к воде, (b) нанесение первого покровного слоя оксида металла на поверхность люминесцентных частиц, (c) нанесение второго покровного слоя на поверхность люминесцентных частиц с первым покровным слоем посредством золь-гелевой технологии или посредством технологии суспендирования наночастиц. Основу золь-гелевой технологии составляет сложный эфир кремниевой кислоты (представляющий собой материал, содержащий центральный атом кремния в молекуле). В технологии суспендирования наночастиц используется суспензия AlPO₄ и LaPO₄ в жидкости.

В частности, посредством нанесения второго покровного слоя на поверхность люминесцентных частиц, которые включает первый покровный слой, получаются люминесцентные частицы, которые имеют повышенную водостойкость и устойчивость к царапанию, а также производятся при относительно низкой стоимости изготовления.

Способ согласно пятому аспекту настоящего изобретения обеспечивает такие же выгоды, как покрытая люминесцентная частица согласно первому аспекту настоящего изобретения, и имеет аналогичные варианты осуществления с аналогичными эффектами, как соответствующие варианты осуществления частицы.

Необязательно стадию нанесения первый покровный слой оксида металла на поверхность люминесцентных частиц можно осуществлять, используя технологии химического парофазного осаждения, физического парофазного осаждения или атомно-слоевого осаждения.

Необязательно стадия нанесения второго покровного слоя включает стадию получения водного раствора первого материала. Первый материал представляет собой материал из группы, которую составляют соединения, имеющие формулу

в которой (a) R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, и R4 выбирают из линейных алкильных групп C1-C6, гидролизующихся алкоксильных групп и фенильной группы, или (b) R1, R2 и R3 индивидуально выбирают -OCH₃ и -OC₂H₅, а R4 выбирают из -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильной группы.

Эти и другие аспекты настоящего изобретения являются очевидными и будут проиллюстрированы со ссылками на варианты осуществления, описанные далее.

Специалисты в данной области техники должны понимать, что два или более из вышеупомянутых вариантов осуществления или реализации, и/или аспектов настоящего изобретения можно объединять любым способом, который считается пригодным для использования.

На основе настоящего описания специалист в данной области техники может осуществлять модификации и видоизменения покрытых люминесцентных частиц, люминесцентного преобразующего элемента, источника света, осветительного устройства и/или способа изготовление, которые соответствуют описанным модификациям и видоизменениям люминесцентной покрытой частицы.

Краткое описание чертежей

На данных чертежах:

фиг.1 схематически представляет вариант осуществления покрытой люминесцентной частицы,

фиг.2 схематически представляет еще один вариант осуществления покрытой люминесцентной частицы,

фиг.3a схематически представляет вариант осуществления люминесцентного элемента,

фиг.3b схематически представляет три варианта осуществления источников света,

фиг.4a схематически представляет еще один вариант осуществления источника света,

фиг.4b схематически представляет вариант осуществления осветительного устройства, и

фиг.5 схематически представляет вариант осуществления способа изготовления покрытых люминесцентных частиц.

Следует отметить, что элементы, обозначенные одинаковыми условными номерами на различных чертежах, имеют одинаковые структурные характеристики и выполняют одинаковые функции. Если уже была разъяснена функция и/или структура такого элемента, отсутствует необходимость их повторного разъяснения в подробном описании.

Данные чертежи являются чисто схематическими и не соответствуют действительному масштабу. Исключительно в целях ясности некоторые размеры являются существенно преувеличенными.

Подробное описание

Первый вариант осуществления проиллюстрирован на фиг.1. Фиг.1 схематически представляет вариант осуществления покрытой люминесцентной частицы 100. Покрытая люминесцентная частица 100 включает люминесцентную частицу 102, которую окружает первый покровный слой 104, а сочетание люминесцентной частицы 102 и первого покровного слоя 104 заключает в себе второй покровный слой 106.

Люминесцентная частица 102 включает люминесцентный материал. Люминесцентный материал предназначается, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона. В частности, в контексте настоящего изобретения, люминесцентный материал проявляет чувствительность по отношению к воде, и это означает, что люминесцентный материал реагирует с водой таким образом, что образуются другие соединения, и люминесцентный материал разрушается и/или исчезает.

Люминесцентные частицы имеют спектр светового излучения, например, в зеленом или красном спектральном диапазоне, а также имеют спектр светопоглощения, в котором средняя длина волны является меньше, чем средняя длина волны спектра светового излучения. Согласно варианту осуществления, значение полной ширины на половине высоты (FWHM) спектра светового излучения составляет менее чем 100 нм. Согласно еще одному варианту осуществления, значение FWHM спектра светового излучения составляет менее чем 60 нм. Согласно варианту осуществления, люминесцентный материал включает сульфид и/или селенид, и/или люминесцентный материал может включать, по меньшей мере, один из материалов, представляющих собой сульфид кальция, сульфид стронция, селенид-сульфид кальция, или люминесцентный материал из групп ортосиликатов или тиогаллатов. В частности, материалы сульфид кальция, сульфид стронция, селенид-сульфид кальция имеют спектр светового излучения в оранжевом/красном спектральном диапазоне.

Как представлено на фиг.1, люминесцентная частица 102 имеет определенный диаметр d. Согласно варианту осуществления, диаметр d люминесцентной частицы составляет менее чем 200 мкм. Согласно еще одному варианту осуществления, диаметр d люминесцентной частицы составляет менее чем 100 мкм.

Первый покровный слой 104 состоит из оксида металла, причем первый покровный слой 104 является водостойким и образует водонепроницаемый слой. Первый покровный слой 104 может также содержать покрытие на основе нитрида, фосфида или сульфида. Материал первого покровного слоя 104 представляет собой, например, Al₂O₃, ZrO₂, ZnO или TiO₂. Первый покровный слой 104 является, по меньшей мере, светопроницаемым, и это означает, что когда свет попадает на первый покровный слой 104, по меньшей мере, часть света проходит через первый покровный слой 104. Как показывает фиг.1, первый покровный слой 104 имеет определенную толщину thl. Согласно варианту осуществления, толщина thl первого покровного слоя 104 находится в интервале от 5 нм до 30 нм. Согласно еще одному варианту осуществления, толщина thl первого покровного слоя 104 находится в интервале от 10 нм до 20 нм. Согласно варианту осуществления, первый покровный слой 104 изготавливают посредством технологии осаждения слоев, такого как, например, атомно-слоевое осаждение, химическое парофазное осаждение или физическое парофазное осаждение.

Второй покровный слой 106 включает полимер на основе кремния, или второй слой представляет собой непрерывный слой одного из материалов группы, которую составляют AlPO₄ и LaPO₄. Второй покровный слой 106 является светопроницаемым и образует водонепроницаемый слой, таким образом, что когда второй покровный слой 106 не поврежден и полностью покрывает люминесцентную частицу (с первым покровным слоем 104), вода не может проникать через второй покровный слой 106 и попадать в первый покровный слой 104.

Как показывает фиг.1, второй покровный слой 106 имеет определенную толщину th2. Согласно варианту осуществления, толщина th2 второго покровного слоя 106 находится в интервале от 30 нм до 80 нм. Согласно еще одному варианту осуществления, толщина th2 первого покровного слоя 104 находится в интервале от 40 нм до 60 нм.

Согласно варианту осуществления, когда второй покровный слой 106 включает один материал из группы AlPO₄ и LaPO₄, второй покровный слой 106 представляет собой непрерывный слой одного из этих материалов, и его образуют наночастицы одного из этих материалов. Образование такого слоя из наночастиц часто осуществляется посредством образования суспензии этих наночастиц и перемешивания люминесцентных частиц 102 с первым покровным слоем 104 в такой суспензии. После этого смесь высушивают, а затем подвергают обжигу. В статье "Регулирование содержащего наночастицы AlPO₄ покрытия на LiCoO₂ с использованием воды или этанола" (J. Cho и др., Electrochimica Acta, том 50, выпуск 20 от 25 июля 2005 г., с. 4182-4187) обсуждается способ покрытия частиц LiCoO₂ слоем AlPO₄. Таким способом или аналогичным способом люминесцентная частица 102 с первым покровным слоем 104 может быть покрыта наночастиц AlPO₄.

Согласно варианту осуществления, когда второй покровный слой 106 включает полимер на основе кремния, этот полимер на основе кремния получается из материала группы, которую составляют соединения, имеющие общую формулу

в которой R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, и R4 выбирают из линейных алкильных группы C1-C6, гидролизующиеся алкоксильные группы и фенильная группа, или в качестве R1, R2 и R3 индивидуально выбираются -OCH₃ и -OC₂H₅, в качестве R4 выбираются -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильная группа. Согласно еще одному варианту осуществления, полимер на основе кремния получают, используя один из следующих материалов:

,

и

Эти материалы, соответственно, представляют собой тетраметоксисилан, тетраэтоксисилан, триметокси(метил)силан и триэтокси(метил)силан.

Обсуждаемые выше материалы, которые составляют основу полимера на основе кремния второго покровного слоя 106, являются подходящими для использования в золь-гелевой технологии. Золь-гелевый процесс представляет собой влажную химическую технологию, которая используется для изготовления материалов и начинается с коллоидного раствора (золя), который служит в качестве предшественника интегрированной сетки (геля) сетчатых полимеров.

Согласно одному конкретному необязательному варианту осуществления, слой полимера на основе кремния, который изготавливают, используя тетраэтоксисилан, образуется в результате следующего процесса: 100 г порошка люминесцентных частиц (с первым покровным слоем 104) перемешивают в 1000 мл этанола (EtOH) с добавкой 1 мл тетраметоксисилана в течение 10 минут в двухлитровой трехгорлой колбе. Затем добавляют 150 мл концентрированного раствора аммиака (NH₃). В результате добавления аммиака образуется вода. После добавления аммиака по каплям добавляют 75 мл тетраэтоксисилан в 500 мл EtOH в течение одного часа в закрытой системе при перемешивании. Каждые 15 минут суспензию обрабатывают ультразвуком в течение 10 секунд. После перемешивания в течение 3 часов суспензию фильтруют, и люминесцентные частицы (содержащие первый и второй покровный слой 104, 106) промывают EtOH и высушивают при 200°C в течение 24 часов. Тетраметоксисилан (TMOS) действует в качестве инициатора, и его добавляемое количество может находиться в интервале от 0,5 до 10 мл. Добавляемое количество тетраэтоксисилана (TEOS) определяет толщину второго покровного слоя 106 (которая также зависит от площади поверхность люминесцентной частицы 102 с первым покровным слоем 104). Интервал для TEOS может представлять собой интервал от 10 мл до 150 мл (все в расчете на 100 г порошка люминесцентных частиц, 10 мас.% суспензия в EtOH). Ультразвуковая обработка препятствует агломерации люминесцентных частиц 102 с первым покровным слоем 104 в процессе реакции гидролиза. Продолжительность перемешивания не имеет решающего значения в том смысле, что увеличение продолжительности перемешивания не приводит к образованию нежелательных продуктов. Если порошок люминесцентных частиц 102 с первым покровным слоем 104 проявляет чувствительность по отношению к гидролизу, можно, в качестве варианта, сначала добавлять меньшее количество аммиака, а затем добавлять остальное количество. Суммарное количество аммиака может составлять от 50 до 350 мл (все в расчете на 100 г порошка люминесцентных частиц, 10 мас.% суспензия в EtOH). В качестве варианта, можно увеличивать скорость реакции посредством нагревания суспензии в процессе реакция. В качестве общего правила, повышение температуры на 10 К должно приводить к удвоению скорости реакции. В качестве еще одного варианта, можно заменять часть этанола другими спиртами, такими как метанол или изопропанол. Это же относится к сложным эфирам кремниевой кислоты, в которых часть этоксильных групп можно заменять на метоксильные или, например, пропоксильные группы.

Согласно конкретному необязательному варианту осуществления, первый покровный слой 104 Al₂O₃ наносят на поверхность люминесцентных частиц 102 посредством атомно-слоевого осаждения. В течение множества циклов образуется первый покровный слой 104 до тех пор, пока первый покровный слой не приобретает требуемую толщину. Исходные люминесцентные частицы 102 помещают в реактор. Температура реактора находится в интервале от 50 до 250°C, а температура люминесцентных частиц поддерживается в интервале от 150 до 300°C. Типичное значение температуры реактора составляет 95°C, а типичная температура, при которой содержатся люминесцентные частицы, составляет 200°C. Давление внутри реактора находится в интервале от 10^-6 до 10^-2 Па, и его типичное значение составляет 10^-4 Па. Один цикл атомно-слоевого осаждения включает выдерживание триметилалюминия (TMA) в реакторе в течение 2 секунд, после чего осуществляется выпуск в течение 5 секунд, затем поступление воды в реактор в течение 5 секунд и выпуск в течение 30 секунд. Полное число требуемых циклов зависит от требуемой толщины первого покровного слоя 102. Контакт с водой должен иметь минимальную возможную продолжительность, и, таким образом, период времени пребывания воды в реакторе может быть сокращен. Вместо воды может быть использован озон.

Фиг.2 схематически представляет еще один вариант осуществления покрытой люминесцентной частицы 200. Покрытая люминесцентная частица включает люминесцентную частицу 102, которая имеет такие же характеристики и варианты осуществления, как люминесцентная частица 102 на фиг.1, первый покровный слой 104, который имеет такие же характеристики и варианты осуществления, как первый покрытие слой 104 на фиг.1, третий покровный слой 202, и второй покровный слой 106, который имеет такие же характеристики и варианты осуществления, как второй покровный слой 106 на фиг.1. Третий покровный слой 202 располагается между первым покровным слоем 104 и вторым покровным слоем 106. Третий покровный слой 202 может включать полимер на основе кремния, или он может представлять собой слой оксида металла, или он может представлять собой непрерывный слой одного из материалов из группы AlPO₄, SiO₂, Al₂O₃ и LaPO₄. Возможные варианты осуществления таких слоев уже обсуждались в контексте фиг.1.

Фиг.3a схематически представляет вариант осуществления люминесцентного элемента 300. Люминесцентный элемент включает связующий материал 302 и покрытые люминесцентные частицы 100. Связующий материал представляет собой, например, матричный полимер, такой как, например, содержащие полиметилметакрилат (PMMA), полиэтилентерефталат (PET), полиэтиленнафталат (PEN), поликарбонат (PC), содержащие кремний материалы, сополимеры, стеклянные шарики материалы или их сочетания. Функция связующего материала заключается в том, чтобы удерживать покрытые люминесцентные частицы 100 друг с другом и придавать определенную форму люминесцентному элементу 300. Люминесцентный элемент может также включать другие люминесцентные частицы или люминесцентные материалы. Когда используются другие люминесцентные частицы или люминесцентные материалы, их можно также смешивать со связующим материалом, или люминесцентный элемент распределяется на отдельные объемы, в каждом из которых содержится только один определенный люминесцентный материал, другими словами, различные люминесцентные материалы являются разделенными в пространстве.

Фиг.3b схематически представляет три варианта осуществления источников света 350, 370, 390. Каждый источник света 350, 370, 390 включает световой излучатель 354, который представляет собой, например, светодиод (LED), органический светодиод (OED) или лазерный диод, а также присутствует люминесцентный элемент 352 согласно вариантам осуществления люминесцентного элемента 300 на фиг.3a. Световые излучатели производят, например, синий свет, и покрытые люминесцентные частицы люминесцентного элемента 352 поглощают часть синего света и преобразуют часть поглощенного света в зеленый свет, или в оранжевый свет, или в красный свет. Другая часть синего света может проходить через люминесцентный элемент 352 и может выходить вместе со светом, который производят покрытые люминесцентные частицы, в среду, окружающую источники света 350, 370, 390. В источнике света 350 люминесцентный элемент 352 непосредственно нанесен на светоизлучающую поверхность светового излучателя 354. В источниках света 370 и 390 существует пространство 372, 392, расположенное между световым излучателем 354 и люминесцентным элементом 352. Данное пространство заполняется светопроницаемым материалом, таким как газ, жидкость или, например, прозрачный полимер. В источнике света 370 люминесцентный элемент 352 располагается вблизи светового излучателя 354, и ширина данного пространства составляет лишь несколько миллиметров. В источнике света 390 люминесцентный элемент 352 располагается в удаленной конфигурации, и это означает, что существует относительно большое расстояние между световым излучателем 354 и люминесцентным элементом 352. Глубина пространства 392 составляет, например,, по меньшей мере, 1 см. Глубина пространства измеряется вдоль кратчайшей линии между световым излучателем 354 и люминесцентным элементом 352.

Фиг.4a схематически представляет еще один вариант осуществления источника света 400. Источник света 400 представляет собой модернизированную электрическую лампу, которая включает световой излучатель с люминесцентным элементом 402. Люминесцентный элемент 402 имеет характеристики согласно вариантам осуществления, аналогичным люминесцентному элементу 300 на фиг.3a. Согласно еще одному варианту осуществления, модернизированная осветительная трубка (не представленная на чертеже) может содержать световые излучатели и люминесцентные элементы, которые включают покрытые люминесцентные частицы согласно первому аспекту настоящего изобретения.

Следует отметить, что использование покрытых люминесцентных частиц не ограничивается использованием в источниках света и/или в осветительных устройствах. Согласно конкретным примерам, покрытые люминесцентные частицы можно использовать в устройствах дисплеев, датчиков или детекторов.

Фиг.4b схематически представляет вариант осуществления осветительного устройства 450, которое включает покрытые люминесцентные частицы (не представленные на чертеже) согласно первому аспекту настоящего изобретения, люминесцентный элемент (не представленный на чертеже) согласно второму аспекту настоящего изобретения или источник света (не представленный на чертеже) согласно третьему аспекту настоящего изобретения.

Фиг.5 схематически представляет вариант осуществления способа 500 изготовления покрытых люминесцентных частиц. Способ 500 включает следующие стадии: (i) изготовление 502 люминесцентных частиц люминесцентного материала, причем данные люминесцентные частицы предназначается, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона, и люминесцентный материал проявляет чувствительность по отношению к воде, (ii) нанесение 504 первого покровного слоя оксида металла на поверхность люминесцентных частиц, и (iii) нанесение 506, 510 второго покровного слоя на поверхность люминесцентных частиц с первым покровным слоем.

Изготовление второго покровного слоя можно включает изготовление 506 второй покровный слой на основе золь-гелевой технологии, или можно в качестве альтернативы, включают изготовление 510 второго покровного слоя с использованием технологии суспендирования наночастиц. Основу золя и геля в золь-гелевой технологии представляет собой материал, который включает центральный атом кремния (сложный эфир кремниевой кислоты). В технологии суспендирования наночастиц используется суспензия AlPO₄ или LaPO₄ в жидкости.

Согласно варианту осуществления способа 500, стадия изготовления 506 второго покрытия на основе золь-гелевой технологии может включать стадию получения водного раствора первого материала. Первый материал представляет собой материал из группы соединений, имеющих следующую формулу:

в которой R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, и в качестве R4 выбираются линейные алкильные группы C1-C6, гидролизующиеся алкоксильные группы и фенильная группа, или в качестве R1, R2 и R3 индивидуально выбираются -OCH₃ и -OC₂H₅, в качестве R4 выбираются -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильная группа.

Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают настоящее изобретение, и что специалисты в данной области техники будут способны разработать многочисленные альтернативные варианты осуществления без выхода за пределы объема прилагаемой формулы настоящего изобретения.

В формуле настоящего изобретения любые условные обозначения, помещенные в скобках, не следует истолковывать как ограничивающие соответствующий пункт формулы изобретения. Использование глагола "включать" и форм его спряжения не исключает присутствия элементов или стадий, которые не представляют собой элементы или стадии, заявленные в соответствующем пункте формулы изобретения. Неопределенный артикль "a" или "an", предшествующий элементу, не исключает присутствия таких элементов во множественном числе. В заявляющем устройство пункте формулы изобретения несколько таких устройств могут находиться в составе одного и того же предмета, или они могут быть распределены по нескольким предметам. Тот факт, что некоторые параметры представлены во взаимно зависимых пунктах формулы изобретения, не представляет собой свидетельство того, что сочетание этих параметров не может быть выгодно использовано.

Изобретения относятся к неорганической химии и могут быть использованы в источниках света и осветительных устройства. Частица из люминесцентного материала покрыта первым покровным водонепроницаемым слоем на основе оксида металла или на основе нитрида, фосфида или сульфида и вторым покровным водонепроницаемым слоем, выполненным из полимера на основе кремния или одного из AlPO₄ и LaPO₄. Первый и второй покровные слои являются светопроницаемыми. Второй покровный слой изготовлен посредством золь-гелевой технологии или технологии суспендирования наночастиц. В качестве предшественника полимера на основе кремния использовано соединение следующей формулы:

,

в которой R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, R4 выбран из линейных алкильных групп C1-C6, гидролизующихся алкоксильных групп и фенильной группы или R1, R2 и R3 выбраны из -OCH₃ и -OC₂H₅, а R4 выбран из -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильной группы. Указанная частица из люминесцентного материала имеет диаметр менее 200 мкм. Толщина первого покровного слоя 5-30 нм, толщина второго покровного слоя 30-80 нм. Изобретения позволяют получить водонепроницаемые и устойчивые к царапанию покрытые люминесцентные частицы эффективным способом. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Покрытая люминесцентная частица (100, 200), причем данная покрытая люминесцентная частица (100, 200) включает:

люминесцентную частицу (102) из люминесцентного материала, причем данный люминесцентный материал предназначается, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона,

первый покровный слой (104), образующий первый водонепроницаемый слой, причем первый покровный слой (104) включает покрытие на основе оксида металла или на основе нитрида, фосфида или сульфида,

второй покровный слой (106), образующий второй водонепроницаемый слой, причем второй покровный слой (106) включает полимер на основе кремния или второй покровный слой (106) включает непрерывный слой одного из материалов из группы, состоящей из AlPO₄ и LaPO₄,

причем первый покровный слой (104) и второй покровный слой (106) являются светопроницаемыми, первый покровный слой (104) инкапсулирует люминесцентную частицу (102) и второй покровный слой (106) инкапсулирует люминесцентную частицу (102) с первым покровным слоем (104), при этом второй покровный слой вокруг люминесцентных частиц с первым покровным слоем изготовлен посредством золь-гелевой технологии или технологии суспендирования наночастиц.

2. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой, когда второй покровный слой (106) включает полимер на основе кремния, полимер на основе кремния получают, используя материал из группы соединений, имеющих следующую формулу:

,

в которой

R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, а R4 выбирают из линейных алкильных групп C1-C6, гидролизующихся алкоксильных групп и фенильной группы или

R1, R2 и R3 индивидуально выбирают из -OCH₃ и -OC₂H₅, а R4 выбирают из -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильной группы.

3. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 2, в которой полимер на основе кремния получают, используя материал из группы, которую составляют тетраметоксисилан, тетраэтоксисилан, триметокси(метил)силан и триэтокси(метил)силан.

4. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой люминесцентный материал включает сульфид и/или селенид или люминесцентный материал из групп ортосиликатов или тиогаллатов.

5. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 3, в которой люминесцентный материал включает по меньшей мере один из материалов, представляющих собой сульфид кальция, сульфид стронция, селенид-сульфид кальция.

6. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой диаметр (d) люминесцентной частицы (102) составляет менее чем 200 мкм.

7. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой толщина (th1) первого покровного слоя (104) находится в интервале от 5 до 30 нм.

8. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой толщина (th2) второго покровного слоя (106) находится в интервале от 30 до 80 нм.

9. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, дополнительно включающая третий покровный слой (202), который располагается между первым покровным слоем (104) и вторым покровным слоем (106), причем третий покровный слой (202) представляет собой один из следующих:

- слой оксида металла,

- слой полимера на основе кремния,

- непрерывный слой одного из материалов из группы, состоящей из AlPO₄, SiO₂, Al₂O₃ и LaPO₄,

причем третий покровный слой (202) является светопроницаемым и образует водонепроницаемый слой.

10. Покрытая люминесцентная частица (100, 200) по п. 1, в которой, когда второй покровный слой включает непрерывный слой одного из материалов из группы, состоящей из AlPO₄ и LaPO₄, непрерывный слой получают из наночастиц соответствующих материалов.

11. Люминесцентный преобразующий элемент (300, 352) включающий:

- покрытые люминесцентные частицы (100, 200) по любому из пп. 1-10 и

- связующий материал (302), который соединяет покрытые люминесцентные частицы (100, 200) в люминесцентном преобразующем элементе (300, 352).

12. Источник света (350, 370, 390, 400), включающий:

световой излучатель (354), который производит световое излучение, причем световое излучение включает свет в первом спектральном диапазоне,

люминесцентный преобразующий элемент (300, 352) по п. 11 или покрытые люминесцентные частицы по п. 1, причем люминесцентный преобразующий элемент или покрытые люминесцентные частицы предназначаются, чтобы принимать свет, который производит световой излучатель (354).

13. Осветительное устройство (450), включающее:

- покрытые люминесцентные частицы (100, 200) по любому из пп. 1-10, или

- люминесцентный преобразователь (300, 352) по п. 11, или

- источник света (350, 370, 390, 400) по п. 12.

14. Способ (500) изготовления покрытых люминесцентных частиц, причем способ (500) включает следующие стадии:

- изготовление (502) люминесцентных частиц люминесцентного материала, при этом указанные люминесцентные частицы предназначены для того, чтобы поглощать свет в первом спектральном диапазоне и преобразовывать часть поглощенного света в свет второго спектрального диапазона,

- нанесение (504) первого покровного слоя оксида металла на поверхность люминесцентных частиц,

- нанесение (506, 510) второго покровного слоя на поверхность люминесцентных частиц с первым покровным слоем посредством золь-гелевой технологии или технологии суспендирования наночастиц, причем основу золь-гелевой технологии представляет собой сложный эфир кремниевой кислоты, и при этом в технологии суспендирования наночастиц используется суспензия AlPO₄ или LaPO₄ в жидкости.

15. Способ (500) изготовления покрытых люминесцентных частиц по п. 14, в котором стадия нанесения (506) второго покровного слоя включает стадию получения (508) водного раствора первого материала, причем первый материал представляет собой материал из группы соединений, имеющих следующую формулу:

,

в которой

R1, R2 и R3 представляют собой гидролизующиеся алкоксильные группы, а R4 выбирают из линейных алкильных групп C1-C6, гидролизующихся алкоксильных групп и фенильной группы или

R1, R2 и R3 индивидуально выбирают из -OCH₃ и -OC₂H₅, а R4 выбирают из -CH₃, -C₂H₅, -OCH₃, -OC₂H₅ и фенильной группы.