СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК БЕЛОГО СВЕТА С БИОЛОГИЧЕСКИ АДЕКВАТНЫМ СПЕКТРОМ ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК F21V9/00 H01L33/50 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и электронной технике, более конкретно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), еще более конкретно к источникам белого света на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами.

Уровень техники

Технология твердотельного освещения завоевывает рынок освещения, благодаря достижениям в разработке эффективных СИД, особенно, нитридных (InGaN), и наиболее высокой достижимой эффективности освещения среди всех известных источников белого света. Светодиодные решения находят широкое применение в тех осветительных устройствах, типа линейных и уличных светильников, в которых осветитель относительно велик и сильно нагревающиеся СИД могут быть распределены так, чтобы облегчить эффективный отвод тепла от них. Разработка светодиодных заменителей традиционных ламп накаливания и галогенных ламп с малым форм-фактором, обладающих высоким световым потоком, ввиду значительных перспектив в решении проблемы энергосбережения является одной из наиболее актуальных современных научно-технических задач, но ее решение сильно затруднено ограничениями объема для размещения управляющей электроники (драйверов) и относительно малой поверхностью для отвода тепла, выделяемого СИД, в таких лампах. Белые СИД часто включают синий СИД, покрытый фотолюминофором YAG:Ce. Высокомощные (один ватт или больше) синие СИД имеют эффективность приблизительно 30-45%, при приблизительно 550-700 мВт, выделяемых на нагревание прибора из каждого приложенного ватта. Кроме того, считается, что при преобразовании фотолюминофором синего света в желтый свет в белых СИД приблизительно 20% падающей световой энергии уходит на нагревание фосфора. Технические спецификации указывают, что падение мощности излучения синих СИД составляет приблизительно 7% при температуре 25-125 °C, в то время как падение мощности белых СИД составляет приблизительно 20% при той же самой температуре. Таким образом, в высокомощных белых СИД имеются существенные ограничения на тепловые и световые потоки.

Основу любой СИД лампы, предназначенной для замены стандартных ламп белого свечения, составляют чипы СИД. Белый свет зачастую получается в результате смешения излучения комбинации чипов СИД с различными цветами излучения, например, синего, зеленого и красного, или синего и оранжевого и др.

Однако в последние годы на первый план по масштабам использования выходят источники белого света на основе СИД с фотолюминофорами-конвертерами, которые излучают желтое или оранжевое (красное) излучение при поглощении синего или УФ излучения чипа СИД.

Общим серьезным недостатком существующих светодиодных источников белого света является вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения с длиной волны 450-470 нм, непосредственно попадающего в глаз человека от светодиодных светильников в силу принципа их работы, при котором синее излучение СИД с относительно высокой интенсивностью именно в диапазоне длин волн 450-470 нм непосредственно формирует спектр белого излучения светодиодного светильника, смешиваясь, например, с желтым излучением фотолюминофора, возбуждаемого СИД. Лампы накаливания являются эталоном в смысле обеспечения естественного цветовоспроизведения освещаемых объектов, поскольку имеют близкий к 100 индекс цветопередачи (CRI), являющийся объективной мерой способности света, генерируемого источником, точно передавать широкий спектр цветов.

В связи с быстрым распространением светодиодных источников света обострился интерес к медико-биологическим аспектам их применения, в первую очередь, влиянию «нового» света на психофизиологическое состояние человека, а также возможным отдаленным последствия светодиодного освещения на здоровье. Актуальность проблемы сопряжена с тем, что спектр излучения наиболее массовых белых СИД с люминофорным покрытием на основе YAG:Ce заметно отличается от такового для ламп других типов, а также от спектра солнечного света наличием сильной полосы именно в синей области спектра 450-470 нм («избыточный синий») и провалом в области голубого света 480 нм, оказывающих сильное влияние на циркадный ритм (биоритм) человеческого организма.

Человеческие биоритмы, являясь плодом эволюции человека, происходившей под непосредственным воздействием Солнца, контролируются гормональной системой, которая, в свою очередь управляется воздействием внешнего освещения, практически единственным источником которого на протяжении существования человека как вида было Солнце, которое управляло биоритмами человеческого организма. Пламя костра или лучины, а затем свет свечи или лампочки накаливания, использовавшиеся для освещения в вечернее время на протяжении многих веков истории человека, не нарушали биоритмов человеческого организма, благодаря подобию их спектров солнечному спектру на закате. В вечернее время человеческий глаз ориентирован на восприятие красно-желтого цвета, синий свет повышает напряжение глаз и может снизить остроту зрения.

Последние зарубежные исследования по светодиодному освещению выявили механизмы влияния спектра прямого светодиодного освещения на биологические часы человека и его гормональную систему. Это влияние обусловлено значительным содержанием синей составляющей в спектре белого светодиода, возрастающей со временем вследствие высокой рабочей температуры светодиода и старения его люминофора.

«Избыточный синий» свет в вечернее время суток воспринимается гормональной системой как пребывание человека при дневном свете. Таким образом блокируется выработка мелатонина - гормона, который отвечает за качество сна - циркадные ритмы человека сбиваются и появляются проблемы со сном и нарушения режима работы гормональной системы, что мешает важным физиологическим процессам и ведет к ослаблению иммунной защиты, депрессивным расстройствам. снижению работоспособности и другим негативным последствиям для здоровья человека.

Влияние синей составляющей спектра на циркадный ритм осуществляется через пигменты глаз (меланопсин) и гормональную систему человека.

По современным представлениям человеческий глаз имеет два канала восприятия излучения:

- зрительный, сенсорами для которого являются известные 3 типа колбочек (цветное дневное зрение) и палочки («серое» сумеречное зрение);

- открытый сравнительно недавно незрительный или биологический канал на основе меланопсинсодержащих ганглиозных клеток, который определяет секрецию гормона мелатонина в кровь и, тем самым, регулирует состояния активности и расслабления. Неправильное освещение и, как следствие, нарушение биохимического состава крови, может вызывать не только расстройство сна и психики, но, при длительной экспозиции, способствовать развитию рака груди.

По этой причине при длительном нахождении человека при искусственном освещении особенно важен спектр света и соотношения его составляющих. Это говорит о том, что культивируемая концепция построения световых приборов для освещения на основе непосредственного использования излучения светодиодов не гарантирует безопасности для глаз человека и его здоровья в целом. Так, например, международная группа исследователей из Университета Хайфы (Израиль), Национального центра геофизических данных (США) и научно-технологического института светового загрязнения (Италия) выяснила, что светодиодные лампы наиболее опасны для здоровья, так как снижают выработку гормона мелатонина, регулирующего биологические часы и имеющего противоопухолевое и иммуностимулирующее действие. Желтые натриевые лампы, например, также обладают этим воздействием, однако в пять раз меньшим и не оказывают столь сильного влияния на здоровье человека.

Мелатонин регулирует работу биологических часов в организме человека, положительно влияет на иммунитет и как следствие частично препятствует развитию опухолей. О том, что синий свет подавляет выработку этого гормона, известно достаточно давно, однако впервые удалось выяснить количественные показатели того, как на человека воздействуют различные типы электрических ламп. Исследователи взяли за единицу уровень подавления выработки мелатонина, который вызывают дающие жёлтый свет натриевые лампы высокого давления. По сравнению с ними светодиодные лампы подавляют выработку мелатонина в пять с лишним раз сильнее (на единицу мощности).

Ряд зарубежных исследований показал, что светодиодные источники света наносят заметный вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза. Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет, который в спектре таких ламп имеет в ряде случаев повышенную до 30% интенсивность по сравнению с обычными лампами накаливания. Это коротковолновое излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов: фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии), фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки) и фотохимические (фотоны синего и фиолетового света могут вызывать химические изменения в структурах сетчатки). Зеленый и белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не было обнаружено.

Солнечный свет является основополагающим для всего живого на земле. Каждое живое существо в силу структурной организации светочувствительных клеток воспринимает ту часть спектра солнечного света, которая жизненно важна для него. Это часть спектра биологически адекватна для физиологии и может служить основой для качественной и количественной оценки того, насколько спектр излучения искусственных источников света подходит для данного биологического объекта, и, соответственно, для создания светодиодных источников белого света с биологически адекватным спектром. Биологически адекватный спектр света - совокупность фотонных потоков, которые формируют матрицу управляющих сигналов, обеспечивающую гармоничную работу функциональных элементов (клеток) зрительного анализатора, гормональной системы человека и биоритмов функционирования мозга.

В значительной степени биологическая адекватность спектра искусственного белого света может оцениваться по эффективности управления диаметром зрачка.

Защитные функции сетчатки глаза адаптированы к условиям солнечного света. Человеческий глаз функционирует как естественная диафрагма: большой поток света сужает зрачок, благодаря чему к сетчатке глаза проходит лишь малый поток света. В условиях же недостаточного освещения зрачок, наоборот, расширяется.

Коротковолновый синий свет может беспрепятственно проходить через роговицу, вызывая воспалительные процессы глаза. Главным механизмом защиты сетчатки от излучения синего света является желтое пятно (макула) в центре сетчатки глаза. Через расширенный зрачок весь избыточный поток синего света напрямую устремляется на сетчатку и попадает на край желтого пятна, которое служит защитой центральной части макулы, то есть туда, где ее плотность мала. Чем ниже плотность желтого пятна, тем выше вероятность возникновения окислительного стресса клеток сетчатки. Адекватное управление зрачком при солнечном свете сокращает диаметр зрачка, тем самым обеспечивая естественную защиту сетчатке глаза.

Провал в спектре традиционных светодиодных источников белого света при 480 нм, которого нет в солнечном спектре ни в дневное время, ни на закате, приходится на область максимальной чувствительности меланопсина, определяющего раскрытие зрачка глаза, и, тем самым ведет к неадекватному управлению раскрытием зрачка в условиях обычного светодиодного освещения, приводящему к увеличению площади зрачка и суммарной избыточной дозы синего света, увеличивая риск развития глазных заболеваний.

Положение особенно осложняется у детей, поскольку хрусталик детского глаза очень прозрачен и пропускает на 70% больше света, чем у взрослого человека. В таких условиях суммарная избыточная доза синего света травмирует сетчатку глаза, увеличивая риск развития глазных заболеваний. Острота проблемы особо отмечена в решении последнего третьего Всемирного конгресса педиатров-офтальмологов, в котором выделено, что общая тенденция безопасного освещения полупроводниковыми источниками света и видео-безопасного излучения дисплеев такова: необходимо иметь биологически адекватный спектр, который обеспечит гармоничную работу зрительного анализатора и гормональной системы человека.

Поэтому создания светодиодных источников освещения с биологически адекватным спектром белого света, решаемая в настоящем изобретении, становится все более актуальной, особенно для светодиодных источников света, предназначенных для использования в вечернее время, поскольку новейшие современные светодиодные устройства SunLike (Seoul Semiconductors и Toshiba Chemicals) и лиEye-Pleasing (LG Innotek), которые могут использоваться в дневное время в условиях недостаточного солнечного освещения как дополнительное освещение, непригодны для вечернего домашнего освещения в силу подавления генерации мелатонина высокой синей составляющей их спектра, несмотря на минимизацию провала в спектре при 480 нм. Кроме того, применение таких устройств в дневное время должно производиться с осторожностью, поскольку сегодня уже известно о катарактогенном влиянии на белки хрусталика и скорость развития катаракты коротковолнового излучения, положенного в их основу. В Индии зрительная среда с постоянным ярким солнцем вызывает существенный рост числа больных катарактой.

В патенте US8513873 B2, 20.08.2013, предлагается известное устройство излучения света, включающее в себя множество электрически активных полупроводниковых излучателей (например, светодиодов), имеющих различную спектральную выходную мощность; и/или люминофорный материал, включающий в себя один или несколько люминофоров, предназначенных для приема спектрального выхода по меньшей мере из одного из излучателей твердого тела и для ответного излучения выходного сигнала люминофора для обеспечения спектрального выхода. В одной компоновке несколько светодиодов и несколько фосфоров имеют разные пиковые длины волн и обеспечивают агрегированный световой поток с менее чем четырьмя пиками излучения света.

Светоизлучающее устройство включает в себя отражательную чашку или аналогичную опорную конструкцию, на которой установлен светодиодный чип первого цвета и светодиодный чип второго цвета. В конкретном устройстве такой много-чиповой матрицы первый светодиодный чип представляет собой синий светодиодный чип, а второй светодиодный чип является зеленым светодиодным чипом. Много-чиповая матрица покрыта люминофорным материалом, который в конкретном варианте может включать смесь двух люминофоров, диспергированных в полимерной матрице, такой как поликарбонат. Люминофоры в люминофорном материале выбираются таким образом, чтобы возбуждаться излучением, эмитируемым из много-чиповой матрицы, и в ответ излучать выходное излучение, так что интегральный выход светоизлучающего устройства, получаемый из много-чипового массива и люминофора, имеет желательный спектральный характер.

Чтобы охватить желаемый спектральный диапазон, используются два светодиода, темно-синий (имеющий спектральный выход с центром в 460 нм, простирающийся от 440 нм до 480 нм) и зеленый (имеющий спектральный выход с центром в 527 нм, простирающийся от 500 нм до 560 нм). Светодиоды функционируют как источники света и возбуждают смесь двух фотолюминофоров: CaGa₂S₄:Eu₂₊, который излучает желтовато-зеленый свет и который возбуждается светом с длиной волны менее 510 нм (50% поглощения), и ZnGa₂S₄:Mn₂₊, который испускает оранжево-красный свет при возбуждении светом с длиной волны менее примерно 480 нм (25% поглощения). Размер чипа каждого из двух светодиодных чипов и концентрация каждого из двух люминофоров в люминофорной смеси регулируются для достижения спектрального отклика, аналогичного естественному дневному свету в полдень.

Конверсионный слой может включать как единственный тип материала фотолюминофора или квантово-точечного материала, так и смесь материалов фотолюминофора и квантово-точечных материалов. Использование смеси более чем одного такого материала, целесообразно, если желателен широкий спектральный диапазон эмитируемого белого излучения (высокий коэффициент цветовоспроизведения). Один из типовых подходов к получению теплого белого света с высоким коэффициентом цветовоспроизведения состоит в том, чтобы использовать излучение смеси желтого и красного конверсионных фотолюминофоров.

Считается, что каскадное взаимодействие люминофоров, определяющееся перекрытием между спектром возбуждения фотолюминофора с длинноволновым излучением, например, красным, и спектром излучения фотолюминофора с коротковолновым излучением, например, зелено/желтым, приводящее результате к перепоглощению энергии коротковолновых (зеленых/желтых) фотонов с излучением длинноволновых (красных) фотонов, снижает эффективность светодиода и коэффициент цветопередачи белого излучения. В конкретном примере энергия зеленых/желтых квантов перерабатывается в красные фотоны и ширина дна щели межу спектральными кривыми излучения зеленого/желтого фотолюминофора и синего светодиода, возбуждающего зеленый/желтый фотолюминофор, возрастает. При этом ухудшается коэффициент цветовоспроизведения. Поэтому принято считать, что необходимо минимизировать взаимодействие «коротковолнового» и «длинноволнового» фотолюминофоров. С данным взаимодействием, наиболее ярко выраженным в смеси люминофоров, связана относительно низкая эффективность описанного известного устройства по патенту US8513873 B2.

Другими его недостатками являются наличие в спектре пика фототоксичного синего излучения в диапазоне 450-470 нм и провала в области голубого света 480 нм.

В патенте US8847478 B2, 30.09.2014, наиболее близком к настоящему изобретению и принятому за прототип, предлагается светодиодная лампочка с матрицей светодиодных чипов и двумя материалами преобразования (люминофоры) для обеспечения белого света, которая включает в себя вспомогательное крепление, включающее в себя первую и вторую области монтажа матрицы чипов. Первый светодиодный чип установлен на первой области монтажа матрицы, а второй светодиодный чип установлен на второй области монтажа матрицы. Светодиодная лампа сконфигурирована так, чтобы излучать свет, имеющий спектральное распределение, включающее по меньшей мере четыре разных пика цвета для обеспечения белого света. Например, первый материал преобразования может, по меньшей мере, частично покрывать первый светодиодный чип и может быть выполнен с возможностью поглощения, по меньшей мере, части света первого цвета и повторного излучения света третьего цвета. Кроме того, второй материал преобразования может по меньшей мере частично покрывать первый и/или второй светодиодные чипы и может быть выполнен с возможностью поглощения, по меньшей мере, части света первого и/или второго цветов и повторного излучения света четвертого цвета. Связанные световые приспособления и способы также раскрыты.

Недостатками светодиодной лампочки по патенту US8847478 B2 также являются наличие в спектре пика фототоксичного синего излучения в диапазоне 450-470 нм и провала в области голубого света 480 нм.

Заявленное изобретение устраняет указанные недостатки и позволяет достичь заявленный технический результат.

Раскрытие изобретения

Технической задачей, которую решает предлагаемое решение, является создание светодиодных ламп с биологически адекватным спектром белого излучения, в которых значительно уменьшено вредное воздействие излучения на человеческий организм, присущее известным техническим решениям, и предназначенных для замены ламп накаливания и стандартных СИД ламп и увеличена надежность и эффективность источника света.

Технический результат заключается в уменьшении вредного воздействия излучения на человеческий организм, повышении надежности и эффективности источника света.

Для решения поставленной задачи с достижением заявленного технического результата светодиодный источник света с биологически адекватным спектром белого излучения включает не менее двух белых светодиодов, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную крышку, расположенную над печатной платой, причем каждый белый светодиод содержит в отражающем свет корпусе, по меньшей мере, один чип с синим излучением, залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, при этом на теплопроводящей печатной плате дополнительно размещен, по меньшей мере, один светодиод с голубым излучением, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.

Толщина композитной фотолюминесцентной пленки составляет 50-200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.

Композитная фотолюминесцентная пленка содержит фотолюминофор с составом, описываемым стехиометрической формулой Y_3-y-zLu_yCe_zAl_5-xGa_xO₁₂, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.

Поверхность фотолюминесцентной пленки дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем.

По меньшей мере, один белый светодиод дополнительно покрыт композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Схематичное изображение светодиодного источника света в разрезе;

Фиг.2. Схематичное изображение светодиода в увеличенном виде в разрезе;

Фиг.3. Устройство печатной платы светодиодного источника света;

Фиг.4. Спектр светодиодного источника белого света, показанного на Фиг.3;

Фиг.5. Устройство печатной платы светодиодного источника света;

Фиг.6. Спектр лампы со светодиодным источником, показанным на Фиг.5;

Фиг.7. Спектр фотолюминофора;

Фиг.8. Устройство светодиодной лампы;

Фиг.9. Устройство линейной светодиодной лампы;

Фиг.10. Спектр светодиодной ретрофитной лампы основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения - эквивалента лампы накаливания мощностью 100 Вт;

Фиг.11. Спектр линейной светодиодной лампы на основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения.

Осуществление изобретения

В основу предлагаемого изобретения поставлена техническая задача создания светодиодного источника белого света (осветителя) малым форм-фактором, использующего конверсию голубого и синего излучения нитридных светодиодов (СИД) с помощью композитных фотолюминесцентных материалов на основе гранатовых фотолюминофоров, при этом максимальная интенсивность излучения осветителя в диапазоне 445-475 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм при коэффициенте цветопередачи излучения осветителя не менее 90, высокой эффективности и цветовой температуре 2500-3500К.

Заявленный светодиодный источник света (осветитель) с биологически адекватным спектром белого излучения включает группу (не менее двух) типовых, например, плоских белых светодиодов, каждый из которых содержит, по меньшей мере, один нитридно-галлиевый чип, испускающий синие излучение, а также, по меньшей мере, один голубой светодиод с, по меньшей мере, одним нитридным чипом, излучающим голубое излучение, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную рассеивающую свет крышку, расположенную над печатной платой и предназначенную для вывода, смешения и рассеивания излучения светодиодов, причем на выходных поверхностях светодиодов (всех или только голубых) закреплены, отсутствующие в известных аналогах, композитные фотолюминесцентные пленки, содержащие в прозрачной основе фотолюминофорный материал, конвертирующий излучение чипов в зелено-голубое излучение, спектральный максимум которого расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина спектральной линии составляет не менее 105 нм. В качестве материала, использующегося в фотолюминесцентной пленке заявленного изобретения, отвечающего указанным требованиям, предлагается новый люминофор, состав которого описывается стехиометрической формулой Y_3-y-zLu_yCe_zAl_5-xGa_xO₁₂, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.

Толщина фотолюминесцентных пленок может быть 50 – 200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.

Спектры излучения чипов СИД находятся в спектральной области возбуждения предложенного фотолюминофора, причем максимум спектра излучения голубых светодиодных чипов попадает в область в пределах спектрального диапазона с границей, расположенной на коротковолновом крае излучения фотолюминофора на расстоянии равном полуширине спектра излучения фотолюминофора от положения максимума его спектра излучения. Это позволяет при определенных толщинах фотолюминесцентных пленок и концентрациях фотолюминофора в них обеспечить выполнение условия биологической адекватности спектра излучаемого белого света (максимальная интенсивность излучения осветителя в диапазоне 445-475 нм не превышает минимальную интенсивность в диапазоне 479-483 нм) при высокой эффективности осветителя. При этом расположение максимума спектра поглощения конверсионного слоя в диапазоне 450-470 нм обеспечивает подавление вредной синей составляющей в диапазоне 450-470 нм в излучении белых светодиодов осветителя, незначительно ухудшая при этом коэффициент цветовоспроизведения белого света, благодаря наличию сине-голубой составляющей в диапазоне длин волн около 480 нм, слабо выраженной, например, в излучении наиболее широко применяемых типовых белых СИД, в которых чипы СИД с длинами волн излучения из диапазона 450-470 нм покрыты желтым (желто-оранжевым) фотолюминофором YAG:Ce.

Заявленное изобретение детально поясняется Фиг.1-11.

На Фиг.1, схематически показан в разрезе заявленный светодиодный источник света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающий в себя подложку-печатную плату 1, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоский голубой светодиод 3 с фотолюминесцентной пленкой 4, и оптически полупрозрачную матовую крышку 5 для вывода света, охватывающую внутренний объем 6. Проводники, соединяющие светодиоды и электрические выводы не показаны.

На Фиг.2 схематически показан светодиод (белый/голубой) в увеличенном виде в разрезе: 7 –светодиодный чип, 8 - отражательная чашка – корпус исходного светодиода, 9 – собственный конверсионный материал (фотолюминофор или оптически прозрачная заливка) исходного светодиода, 4 – слой конверсионного материала (фотолюминесцентная пленка) для преобразования спектра излучения светодиода, 10 - слой оптически прозрачного клея. Проводники, соединяющие нитридные чипы с 1 подложкой-печатной платой, изображенной на Фиг.1, не показаны.

На Фиг.3 схематически показано устройство печатной платы светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения в варианте с одним белым светодиодом и шестью голубыми светодиодами, покрытыми фотолюминесцентной пленкой: 1 - теплопроводящая подложка - печатная плата, 2 – белые светодиоды с люминесцентной пленкой 50 мкм, 3 – голубой светодиод с люминесцентной пленкой 130 мкм. Проводники, соединяющие светодиоды между собой и с драйвером не показаны.

На Фиг.4 приведен спектр светодиодного источника белого света, показанного на Фиг.3.

На Фиг.5 схематически показано устройство печатной платы светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения в варианте с двадцатью четырьмя белыми светодиодами и шестью голубыми светодиодами, покрытыми фотолюминесцентной пленкой: 1 - теплопроводящая подложка - печатная плата, 2 – белые светодиоды с люминесцентной пленкой 50 мкм, 3 – голубой светодиод с люминесцентной пленкой 130 мкм. Проводники, соединяющие светодиоды между собой и с драйвером не показаны.

На Фиг.6 приведен спектр лампы со светодиодным источником белого света, показанным на Фиг.5.

На Фиг.7 приведен спектр фотолюминофора Y_2,79Ce_0,12Lu_0,09Al_3,1Ga_1,9O_12.

На Фиг.8 схематически показано устройство светодиодной лампы на основе предлагаемого в изобретении одного из вариантов осуществления светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающей в себя составную наружную часть, охватывающую внутренний объем 6. Рядом с базовым концевым электрическим контактом 11 расположены изолятор 12 и электрический контактный цоколь 13. Между оптически полупрозрачной матовой крышкой для вывода света 5, и цоколем 13 расположен корпус 15, который включает в себя множество охлаждающих ребер 14. В одном варианте осуществления корпус 15 выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность (например, алюминия) с множеством ребер 14, образованных в нем. Оптическая полупрозрачная матовая крышка для вывода света 5 может быть изготовлена из материала, имеющего высокий коэффициент пропускания, иметь разную толщину, качество поверхности или рисунки и/или содержать различные материалы для придания различных оптических свойств лучам, излучаемым в разных направлениях из лампы, например, выше или ниже теплопроводящей подложки-печатной платы, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоский голубой светодиод 3 с фотолюминесцентной пленкой 4. Проводники, соединяющие контакты с драйвером и подложкой-печатной платой не показаны.

На Фиг.9 схематически показано устройство линейной светодиодной лампы на основе предлагаемого в изобретении одного из вариантов осуществления светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения, включающей в себя составную наружную часть, охватывающую внутренний объем 6. Между оптически полупрозрачной матовой крышкой для вывода света 5 и теплопроводящей подложкой-печатной платой 1 расположен корпус 15. В одном варианте осуществления корпус 15 может быть выполнен из материала, имеющего высокую теплопроводность (например, алюминия) с множеством ребер, образованных в нем. Оптическая полупрозрачная матовая крышка для вывода света 5 может быть изготовлена из материала, имеющего высокий коэффициент пропускания, иметь разную толщину, качество поверхности или рисунки и/или содержать различные материалы для придания различных оптических свойств лучам, излучаемым в разных направлениях из лампы, например, выше или ниже теплопроводящей подложки-печатной платы 1, на которой размещены плоские белые светодиоды 2 и плоские голубые светодиоды 3 с фотолюминесцентной пленкой, отражатель-рассеиватель 16, выполненный, например, из пленки WhiteOptics® F16-98 фирмы White Optics, LLC (США). Проводники, соединяющие контакты с подложкой-печатной платой не показаны.

Типичный белый светодиод включает в себя, по крайней мере, один нитридно-галлиевый чип с синим излучением в диапазоне 445-465 нм, размещенный в отражательной чашке (в отражающем свет корпусе светодиода), залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, конвертирующим излучение чипа в желтое или желто-красное излучение, дающее в смеси с излучением чипа тепло-белое излучение с коррелированной цветовой температурой 2500-3500К и коэффициентом цветопередачи более 90.

Голубой светодиод включает в себя по крайней мере, один чип с голубым излучением в диапазоне 475-490 нм, размещенный в отражательной чашке (в отражающем свет корпусе светодиода), залитый оптически прозрачным материалом.

В заявленном решении, в отличии от известных, в источник света дополнительно включают, по крайней мере, один светодиод с голубым излучением в диапазоне 475-490 нм, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор, преобразующий указанное голубое излучение в зеленое излучение со спектральной линией, пик которой расположен в диапазоне 510-530 нм, а полуширина линии составляет не менее 105 нм, причем в суммарном белом излучении указанного светодиодного источника белого света максимальная интенсивность излучения в спектральном диапазоне 459-464 нм не превышает минимальной интенсивности излучения в спектральном диапазоне 479-483 нм. При определенной толщине композитной фотолюминесцентной пленки и концентрации фотолюминофора в ней обеспечивается выполнение условия биологической адекватности спектра излучаемого белого света. Вышеуказанной композитной фотолюминесцентной пленкой могут быть покрыты белые светодиоды.

Светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения работает следующим образом. Излучение голубого светодиодного нитридного чипа 7, в том числе отраженное от отражательной чашки – корпуса 8 исходного голубого светодиода, проходит через оптически прозрачную заливку 9 светодиода и попадает на поверхность слоя конверсионного материала 4 (фотолюминесцентной пленки), служащего для преобразования спектра излучения голубого светодиода в зелено-голубое излучение, далее выходит во внутренний объем, где смешивается с белым излучением плоских белых светодиодов 2, которые также могут быть покрыты слоями конверсионного материала 4, и затем выходит наружу через полупрозрачную матовую крышку для вывода света, которая дополнительно рассеивает и гомогенизирует излучение источника света, при этом создается необходимое спектральное распределение белого цвета, определяемое в значительной степени свойствами материалов конверсионных слоев, в первую очередь составом, дисперсностью фотолюминофоров и толщинами конверсионных слоев. Заявленное решение позволяет исключить или значительно уменьшить вредное воздействие на человеческий организм интенсивного синего излучения.

Фотолюминесцентные пленки изготавливаются в виде дисперсии в оптически прозрачном для излучений СИД и фотолюминофора материале.

Прозрачные материалы могут включать полимерные и неорганические материалы. Полимерные материалы включают (но не ограничиваются): акрилаты, поликарбонат, флуороакрилаты, перфлуороакрилаты, флуорофосфинатные полимеры, флуоросиликоны, флуорополиимиды, политетрафлуорэтилен, флуоросиликоны, золь-гели, эпоксидные смолы, термопласты, термоусадочные пластмассы и силиконы. Фторсодержащие полимеры особенно полезны в диапазонах ультрафиолетовых длин волн менее, чем 400 нм, и инфракрасных длин волн более, чем 700 нм, вследствие их низкого светопоглощения в этих диапазонах длин волн. Типичные неорганические материалы включают (но не ограничиваются): диоксид кремния, оптические стекла и халькогенидные стекла.

В некоторых случаях предпочтительно введение фотолюминофора в материал фотолюминесцентной пленки, например, прозрачной пластмассы типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила, сформированных экструзией. Фотолюминесцентная пленка при этом может быть предварительно изготовлена в листах. При этом суспензия фотолюминофора, поверхностно-активных веществ (ПАВ) и полимера готовится в органическом растворителе. Суспензия затем может быть сформована в лист экструзией или литьем в форму, или выливаться на плоскую подложку, например, стеклянную, с последующим высыханием. Полученный лист может быть отделен от временной подложки, раскроен и прикреплен к светодиоду, используя растворитель или цианакрилатный клей. В конкретном случае из суспензии частиц экспериментального фотолюминофора на основе алюмограната иттрия-гадолиния-церия (Y,Gd,Ce)₃Al₅O₁₂ в растворе поликарбоната в хлористом метилене были сформованы экструзией листы разной толщины. Пленка должна иметь достаточно большую толщину, чтобы обеспечить достижение необходимых спектральных значений смешанного белого света. Эффективная толщина определяется процессами оптического рассеяния в используемых фотолюминофорах и лежит, например, между 50 и 200 мкм.

Использованные в примерах к настоящему изобретению фотолюминесцентные пленки изготовлены на основе двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning (ОЕ) с добавлением специально разработанных фотолюминофоров (ЛФ) с общей стехиометрической формулой: Y_3-y-zLu_yCe_zAl_5-xGa_xO₁₂, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.

В частности:

- ЛФ-5870 [Lu_2,85Ce_0,15Al₄Ga₁O₁₂] с λ_p= 510,8 нм;

- ЛФ-4940 [Y_2,79Ce_0,12Lu_0,09Al_3,1Ga_1,9O₁₂] с λ_p = 528 нм;

- ЛФ-5115 [Y_2,88Ce_0,12Al₃Ga₂O₁₂] с λ_p = 525 нм;

- ЛФ-5260 [Y_2,88Ce_0,12Al_2,9Ga_2,1O₁₂] с λ_p = 525 нм.

В таблице 1 представлены данные по весовым соотношениям силиконовой основы (ОЕ) и люминофоров (ЛФ), а также толщинам использованных пленок:

Таблица 1

№ п/п ЛФ Соотношение
ОЕ : ЛФ Толщина пленок, мкм 1 ЛФ-5870 1 : 1,5 50-180 2 - ” - 1 : 1,8 120-140 3 ЛФ-4940 1 : 1 50-60 4 - ” - 1 : 1,5 170-200 5 - ” - 1 : 1,3 130 6 - ” - 1 : 1,8 120-130 7 - ” - 1 : 2 130-140 8 ЛФ-5115 1: 1,8 120-140 9 ЛФ-5260 1: 1,8 120-130

Фотолюминесцентные пленки изготавливались путем тщательного размешивания соответствующих навесок фотолюминофора в предварительно подготовленной смеси из двух исходных компонент силиконового оптического компаунда OE 6636 с последующим нанесением на лавсановую пленку фотолюминесцентной смеси нужной толщины с помощью аппликатора и последующего отжига в воздушной среде в течение 1 часа при температуре 100 °С. После отжига фотолюминесцентная пленка легко отделяется от лавсановой пленки и после раскройки приклеиваются к SMD светодиодам силиконовым оптическим компаундом OE 6636.

Фотолюминофор может быть конформно нанесен как покрытие на поверхность светодиода, например, методами пульверизации, намазывания пасты, осаждения или электрофореза из суспензии фотолюминофора в жидкости. Одна из проблем, связанных с покрытием светодиода фотолюминофором - нанесение однородного воспроизводимого покрытия на светодиод. При покрытии методами пульверизации, нанесения пасты и осаждения используют жидкие суспензии для нанесения частиц фотолюминофора на светодиод. Однородность покрытия сильно зависит от вязкости суспензии, концентрации частиц в суспензии, и факторов окружающей среды, таких, например, как окружающая температура и влажность. Дефекты покрытия, возникающие из-за потоков в суспензии перед высыханием, и ежедневные изменения толщины покрытия, относятся к числу рядовых проблем.

Поверхность фотолюминесцентной пленки может быть дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем, который предохраняет от проникновения влаги и/или кислорода в пленку, увеличивая надежность источника света, поскольку некоторые типы фотолюминофоров, например, сульфидных, подвержены повреждениям от воздействия влаги. Защитный слой может быть изготовлен из любого прозрачного материала, который задерживает влагу и кислород, например, из неорганических материалов типа двуокиси кремния, нитрида кремния или окиси алюминия, а также органических полимерных материалов или комбинации полимерных и неорганических слоев. Предпочтительные материалы для защитного слоя – двуокись кремния и нитрид кремния.

Защитный слой может также выполнять функцию оптического просветления границы зерна фотолюминофора с атмосферой и уменьшать отражение первичного излучения СИД и вторичного излучения фотолюминофора на данной границе, уменьшая поглотительные потери собственного излучения фотолюминофора в его зернах, и тем самым увеличивая эффективность источника света.

Защитный слой может наноситься также путем финишной поверхностной обработки зерен фотолюминофора, при которой, например, на поверхности зерен формируется наноразмерная пленка силиката цинка толщиной 50-100 нм, просветляющая границу зерна фотолюминофора. Состав и толщина пленок подбираются опытным путем для получения биологически адекватного спектра светильника для конкретных типов используемых серийных светодиодов.

Пример 1.

Светодиодный источник с биологически адекватным спектром белого излучения для автономных светильников изготовлен с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 6 белых типа GTM30302 и одного голубого СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 50 мкм. Фотолюминесцентные пленки созданы на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Lu_2,85Ce_0,15Al₄Ga₁O₁₂ в соотношении 1:1,5. Пленки приклеены тем же двухкомпонентным компаундом OE 6636, обладающим высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра. Установившийся световой поток 200 лм при питании от трех последовательно соединенных батареек AA, при CRI 92,6% и Т_C 2354К.

Пример 2.

Светодиодный источник с биологически адекватным спектром белого излучения для автономных светильников, конфигурация светодиодов которого показана на Фиг.3, а спектр на Фиг.4, изготовлен с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 6 белых типа GTM30302, покрытых фотолюминесцентной пленкой толщиной 100 мкм, и одного голубого СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 150 мкм. Фотолюминесцентные пленки созданы на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Lu_2,85Ce_0,15Al₄Ga₁O₁₂ в соотношении 1:1,5. Пленки приклеены тем же двухкомпонентным компаундом OE 6636, обладающим высокой прозрачностью в видимом диапазоне спектра. Спектр использованного фотолюминофора показан на Фиг. 7 (λ_p = 528 нм). Установившийся световой поток 105 лм при питании от трех последовательно соединенных батареек AA, при CRI 92,6% и Т_C 2354К.

Пример 3.

Светодиодная ретрофитная лампа с биологически адекватным спектром белого излучения, спектр которой показан на Фиг.10, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 12-ти белых типа L130-3090003000W21 и трех голубых СИД типа L135-B475003500001. Выходные поверхности голубых СИД покрыты фотолюминесцентной пленкой толщиной 130 мкм, созданной на основе оптического двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Y_2,79Ce_0,12Lu_0,09Al_3,1Ga_1,9O₁₂ в соотношении 1:1. Пленки приклеены компаундом OE 6636. Установившийся световой поток лампы 800 лм при потребляемой мощности 8,5 Вт, коэффициент мощности 0,45, светоотдача 94,12 лм/Вт, CRI 93%, Т_C 3000К.

Пример 4

Светодиодная ретрофитная лампа основе светодиодного источника света с биологически адекватным спектром белого излучения - эквивалента лампы накаливания мощностью 100 Вт, спектр которой показан на Фиг. 10, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: шести голубых СИД типа L135-B475003500001 с приклеенной фотолюминесцентной пленкой толщиной 120-130 мкм и 24 белых СИД типа GTM30302. Фотолюминесцентная пленка создана на основе оптического силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы DowCorning с добавлением фотолюминофора Y_2,79Ce_0,12Lu_0,09Al_3,1Ga_1,9O₁₂ в соотношении 1:1,8. Пленки приклеены двухкомпонентным компаундом OE 6636. Спектр использованного фотолюминофора показан на Фиг.7.

Установившийся световой поток лампы 1580 лм при потребляемой мощности 16,4 Вт, коэффициент мощности 0,46, светоотдача 96 лм/Вт, CRI 92% и Т_C 3000К.

Пример 5.

Линейная светодиодная лампа длиной 560 мм, спектр которой показан на Фиг. 11, изготовлена с использованием SMD СИД производства фирмы Lumileds: 48-ми белых типа L130-3090003000W21 и 12-ти голубых СИД типа L135-B475003500001. Выходные поверхности голубых СИД покрыты фотолюминесцентной пленкой толщиной 200 мкм, созданной на основе оптического двухкомпонентного силиконового компаунда OE 6636 производства фирмы Dow Corning с добавлением фотолюминофора Y_2,79Ce_0,12Lu_0,09Al_3,1Ga_1,9O₁₂ в соотношении 1:1. Пленки приклеены компаундом OE 6636. Установившийся световой поток лампы 3 110 лм при потребляемой мощности 30,7 Вт (постоянное напряжение 51,13В), светоотдача 101 лм/Вт, CRI 92%, Т_C 2900К.

Изобретение относится к электротехнике и электронной технике, более конкретно к источникам света на основе полупроводниковых светоизлучающих диодов (СИД), еще более конкретно к источникам белого света на основе СИД с конверсионными фотолюминофорами. Светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения включает не менее двух белых светодиодов, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную крышку, расположенную над печатной платой, причем, каждый белый светодиод содержит в отражающем свет корпусе, по меньшей мере, один чип с синим излучением, залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, при этом на теплопроводящей печатной плате дополнительно размещен, по меньшей мере, один светодиод с голубым излучением, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор. Технический результат заключается в уменьшении вредного воздействия излучения на человеческий организм, повышении надежности и эффективности источника света. 4 з.п. ф-лы, 1 табл., 11 ил.

1. Светодиодный источник белого света с биологически адекватным спектром излучения, включающий не менее двух белых светодиодов, размещенных на теплопроводящей печатной плате с электрическими выводами для подключения светодиодов к источнику электропитания, и полупрозрачную крышку, расположенную над печатной платой, причем, каждый белый светодиод содержит в отражающем свет корпусе, по меньшей мере, один чип с синим излучением, залитый полимерной композицией с собственным фотолюминофором или смесью фотолюминофоров, отличающийся тем, что на теплопроводящей печатной плате дополнительно размещен, по меньшей мере, один светодиод с голубым излучением, покрытый композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.

2. Светодиодный источник белого света по п.1, отличающийся тем, что толщина композитной фотолюминесцентной пленки составляет 50-200 мкм, при содержании фотолюминофора в диапазоне от 1:1 до 2:1 весовых долей по отношению к прозрачной основе.

3. Светодиодный источник белого света по п.1, отличающийся тем, что композитная фотолюминесцентная пленка содержит фотолюминофор с составом, описываемым стехиометрической формулой Y_3-y-zLu_yCe_zAl_5-xGa_xO₁₂, где 1,8<х<2,1, 0≤y≤2,86, 0,12≤z≤0,15.

4. Светодиодный источник белого света по п.1, отличающийся тем, что поверхность фотолюминесцентной пленки дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем.

5. Светодиодный источник белого света по п.1, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один белый светодиод дополнительно покрыт композитной фотолюминесцентной пленкой, содержащей в прозрачной основе фотолюминофор.