СВЕТОДИОДНЫЙ ИСТОЧНИК БЕЛОГО СВЕТА С УДАЛЕННЫМ ОТРАЖАТЕЛЬНЫМ МНОГОСЛОЙНЫМ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМ КОНВЕРТЕРОМ
LIGHT-EMITTING DIODE SOURCE OF WHITE LIGHT HAVING REMOTE REFLECTING MULTILAYER PHOTOLUMINESCENT CONVERTER

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.
Технология твердотельного освещения начинает завоевывать рынок белого освещения благодаря последним 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 YAG:Ce фосфором. 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 фосфором 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.
Целью настоящего изобретения является создание СИД лампы с малым форм-фактором для замены стандартных ламп, в которой преодолены проблемы известных технических решений.
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. На Фиг.1 показана схема, поясняющая принцип действия источника белого света такого типа.
Устройство содержит чип СИД, излучающий первичное относительно коротковолновое излучение, и конверсионную фотолюминофорную среду, облучаемую указанным относительно коротковолновым излучением, которая при облучении указанным относительно коротковолновым излучением возбуждается, излучая в ответ второе, относительно более длинноволновое излучение. В конкретном исполнении монохромное синее или УФ-излучение, выходящее из чипа, конвертируется в белый свет упаковкой чипа в органические и/или неорганические фосфоры (фотолюминофоры) в полимерной матрице.
На Фиг.2 показано устройство известного источника белого света на основе СИД с фотолюминофором-конвертером, описанного в патенте US 6351069.
Источник белого света 110 включает нитридный чип СИД 112, который при возбуждении испускает первичное синее излучение. Чип 112 размещен на проводящей рамке чаши отражателя 114, и электрически соединен с проводниками 116 и 118. Проводники 116 и 118 подводят электрическую мощность к чипу 112. Чип 112 покрыт слоем 120 прозрачной смолы, которая включает конверсионный материал для преобразования длины волны излучения 122. Тип конверсионного материала, используемого для формирования слоя 120, может выбираться в зависимости от желательного спектрального распределения вторичного излучения, которое продуцируется материалом 122. Чип 112 и флуоресцентный слой 120 накрыты линзой 124. Линза 124 обычно изготавливается из прозрачной эпоксидной смолы или силикона. При работе источника белого света электрическое напряжение прикладывается к чипу 112, при этом из верхней поверхности чипа испускается первичное излучение. Часть испускаемого первичного излучения поглощается конверсионным материалом 122 в слое 120. Затем конверсионный материал 122 в ответ на поглощение первичного света испускает вторичное излучение, то есть преобразованный свет, имеющий более длинноволновый пик. Остающаяся непоглощенной часть испускаемого первичного излучения передается через конверсионный слой вместе с вторичным излучением. Линза 124 направляет непоглощенное первичное излучение и вторичное излучение в общем направлении, обозначенном стрелкой 126 как выходящий свет. Таким образом, выходящий свет - сложный свет, который составлен из первичного излучения, испускаемого чипом 112, и вторичного излучения, испускаемого конверсионным слоем 120. Конверсионный материал может также быть сконфигурирован таким образом, чтобы лишь малая часть или вообще весь первичный свет не покидал устройства, как в случае чипа, который испускает УФ первичный свет, объединенный с одним или более конверсионных материалов, которые испускают видимый вторичный свет.
Вышеупомянутые известные устройства, в которых слой фотолюминофора сформирован на поверхности СИД, имеют несколько недостатков. Трудно достигнуть цветовой однородности, когда фотолюминофор находится в прямом механическом, оптическом и тепловом контакте с поверхностью СИД, из-за значительных изменений в длине пути света в зависимости от угла распространения излучения через толщу слоя фотолюминофора. К тому же высокая температура от нагретого СИД может нежелательным образом изменять цветовые координаты фотолюминофора или приводить к его деградации.
Для устранения указанных недостатков предложены источники белого света с удаленным от СИД конвертером длины волны, принцип действия которых поясняется на Фиг.3.
Устройство осветителя, построенного на данном принципе, описанного, например, в патенте US 6600175 (В1), поясняется Фиг.4.
Такой источник белого света включает оболочку 207, формируемую прозрачной средой 211, с внутренним объемом. Среда 211 может быть сформирована из любого подходящего материала, пропускающего свет, типа прозрачного полимера или стекла. Среда 211 содержит во внутреннем объеме чип светодиода (СИД) 213, размещенный на основании 214. Первый и второй электрические контакты 216 и 217 соединены с излучающей и тыльной сторонами 218 и 219 чипа СИД 213, соответственно, и с излучающей стороной 218 чипа СИД, присоединенной к первому электрическому контакту 216 проводником 212. Со светопропускающей средой 211 связаны флуоресцентные и/или фосфоресцентные компоненты, или их смеси, иначе говоря, фотолюминофорная среда, которая конвертирует излучение, испускаемое стороной 218 СИД 213, в белый свет. Фотолюминофор рассеян в оболочке 207 среды 211 и/или размещен в виде пленочного покрытия 209 на внутренней стенке поверхности оболочки 207. Альтернативно фотолюминофор может быть покрытием на внешней стенке оболочки сборки (не показано), если оболочка используется исключительно в условиях окружающей среды, в которых такое внешнее покрытие может удовлетворительно поддерживаться в рабочем состоянии (например, там, где оно не подвержено истиранию или деградации). Фотолюминофор может, например, быть распределен в полимере, или расплаве стекла, из которого затем сформирована оболочка, чтобы обеспечить гомогенный состав оболочки и обеспечить выход света со всей ее поверхности.
Известен светодиодный белый протяженный светильник с удаленным конвертером цилиндрической формы, описанный в патенте US 7618157 B1. Его устройство схематически показано на Фиг.5. Светильник 310 включает линейный теплоотвод 312, множество СИД 314, установленных на теплоотводе 312 вдоль длинной стороны теплоотвода, и светоиспускающий плафон 316, установленный на теплоотводе 312 в линию с СИД 314, где полукруглая в сечении часть 318 плафона 316, расположенная напротив СИД 314, включает фотолюминофор 320, который возбуждается светом от СИД. Теплоотвод 312 изготовлен из теплопроводящего материала, например алюминия. Плафон 316 изготовлен из прозрачного материала типа стекла или пластмассы. Фотолюминофор 320 может быть нанесен как покрытие на внутреннюю сторону плафона или введен в материал покрытия. Не содержащие фотолюминофора плоские части 326, которые прикреплены к теплоотводу по обе стороны от СИД, имеют внутренние отражательные поверхности 328, например алюминиевые покрытия, отражающие свет, попадающий на них от СИД 314, к части 318 плафона.
Конверсионный слой может включать фотолюминофорный материал, материал квантовых точек или совокупность таких материалов, а также может включать прозрачный материал-хозяин, в котором диспергированы материал фосфора и/или материал квантовых точек.
Известно, что слои, которые содержат порошковые фотолюминофорные материалы, могут пропускать, поглощать, отражать и рассеивать падающий на них свет. Когда такой слой рассеивает свет, он может также пропускать, поглощать и отражать часть рассеянного света.
В связи с этим обстоятельством общим недостатком упомянутых известных изобретений является то, что излучение, возбуждаемое в зернах фотолюминофора при воздействии излучения СИД, равно как и отраженное излучение СИД, неизбежно частично поглощаются в слое фотолюминофора и на внутренних элементах устройства, что приводит к уменьшению эффективности источника белого света.
2
Yamada [1] и Narendran [2] определили соотношение долей излучения, распространяющегося вперед и назад от конверсионного слоя фотолюминофора YAG:Ce, возбуждаемого синим излучением с длиной волны около 470 нм, которое конвертируется в излучение желтого диапазона длин волн. Narendran показал, что при этом более 60% света, испускаемого и отражаемого конверсионным слоем, распространяется назад к источнику возбуждения и большая часть этого света теряется в пределах СИД сборки [2]. В работе [3] показано, что даже в случае фотолюминофора YAG:Ce с коэффициентом оптического преломления 1,8, замешенного в эпоксидной смоле с коэффициентом оптического преломления 1,6 при плотности фотолюминофора 8 мг/см, позволяющей создавать сбалансированный белый свет, доли направленного обратно и прошедшего вперед излучения, включая синее и желтое излучение, составляют 53% и 47%, соответственно, а для только желтого излучения 55% и 45%, соответственно.
По этой причине значительного выигрыша в световом потоке и максимально возможной эффективности светодиодно-конверсионных источников белого света можно достичь при прочих равных условиях, направляя в выходную апертуру светодиодного источника с удаленным конвертером излучение, исходящее от поверхности фотолюминофора, непосредственно облучаемой излучением СИД,
Подобное техническое решение предложено в патенте US 7293908 B2, в котором один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, включает удаленный от СИД конверсионный слой, расположенный на отражателе света.
Этот прибор наиболее близок к предлагаемому в настоящем изобретении и поэтому выбран в качестве прототипа.
Принцип действия источника белого света с боковым выводом излучения, выполненной согласно этому патенту, поясняется Фиг.6, на которой показан в разрезе один из заявленных вариантов системы освещения с боковым выводом излучения.
Система освещения с боковым выводом излучения включает СИД 402, первый отражатель 404, второй отражатель 406, выводную апертуру 412, конверсионный слой 602, дополнительный прозрачный покровный слой 408 и поддерживающие средства, которые поддерживают и отделяют второй отражатель 406 от первого отражателя 404. Поддерживающие средства включают плоский прозрачный элемент 502, боковые опоры 504 и основание 506. Боковые опоры 504 предпочтительно прозрачные или отражающие. Первый отражатель 404 прикреплен к основанию 506. Второй отражатель 406 прикреплен к плоскому прозрачному элементу 502. Конверсионный слой 602 расположен на поверхности второго отражателя 406 и преобразует, по крайней мере, часть первичного излучения, испускаемого активной областью СИД 402, в излучение с длиной волны, отличной от длины волны первичного излучения.
Взятые для примера лучи света 414, 415 и 416 иллюстрируют действие системы освещения с боковым выводом излучения. Луч света 414 первичного цвета испускается активной областью СИД 402 и направляется к выходной поверхности СИД 402. Луч света 414 первичного цвета проходит через выходную поверхность СИД 402 и направляется к прозрачному покровному слою 408. Луч света 414 первого цвета проходит через прозрачный покровный слой 408 и направляется в конверсионный слой 602, который конвертирует луч света 414 первого цвета в луч света 415 второго цвета, отличающегося от первого цвета. Свет второго цвета может испускаться в любом направлении от точки преобразования длины волны. Луч 415 второго цвета направляется через прозрачный покровный слой 408 и через выходную апертуру 412 к первому отражателю 404. Луч света 416 второго цвета отражается первым отражателем 404 и направляется к плоскому прозрачному элементу 502. Луч света 416 второго цвета проходит через плоский прозрачный элемент 502 и выходит из системы освещения с боковым выводом излучения.
Недостатком такой системы являются большие апертурные потери и потери света на границах поддерживающих средств и на отражателях.
Попытка устранить эти недостатки предпринята в другом известном источнике белого света прожекторного типа, описанном в патенте US 7810956 В2.
На Фиг.7, поясняющей конструкцию и принцип действия такого устройства, показан вид в разрезе прожекторной лампы согласно одному из вариантов исполнения изобретения по патенту US 7810956 В2. Источник света 730 размещен на креплении 734 и дополнительном тепловом радиаторе 736. Тепловой радиатор 736 может быть оребрен, как показано на Фиг.7. Свет, испускаемый от источника 730 и отраженный от зеркала 732, окружающего источник света 730, излучается в оптическую пластину 738. Слой преобразования длины волны 742 отделен от источника света 730 и расположен так, чтобы воспринимать свет от источника 730. Дополнительный тепловой радиатор 744 может охлаждать конверсионный слой 742. Собирающая оптика 740 коллимирует свет. Источником света 730 может быть СИД, который производит коротковолновый свет, например синий или ультрафиолетовый. Источник света 730 может быть установлен на дополнительном креплении 734 и присоединен к дополнительному тепловому радиатору 736. Оптическая пластина 738 может быть сформирована так, чтобы направлять свет к собирающей оптике 740. Например, стороны 748 могут быть наклонены или изогнуты так, что полное внутреннее отражение направляет свет в собирающую оптику 740.
Недостатком такой системы также являются относительно большие апертурные потери, потери света на границах оптической пластины с источником света, зеркалами и конверсионным слоем, снижающие ее эффективность. Кроме того, световой пучок, выходящий из коллимирующей оптической системы, достаточно узок, что неприемлемо при использовании подобного осветителя для замены традиционных ламп с малым форм-фактором, обладающих достаточно широким угловым раствором испускаемого светового потока, даже в случае галогенных ламп.
К тому же известно, что существуют определенные требования к значению коэффициента цветовоспроизведения CRI (индекс цветового рендеринга) светодиодных источников белого света, с помощью которого излучение осветителя сравнивается по цветовоспроизведению с излучением абсолютно черного тела или с излучением ламп накаливания. В частности, цветовая коррелированная температура светодиодных белых осветителей с малым форм-фактором, предназначенных для замены стандартных ламп накаливания, называемых иначе ретрофитными СИД лампами, должна быть ниже 3500 К (вплоть до 2750 К). Нижний предел при этом соответствует супертеплому цвету белого свечения, тогда как верхнее значение - тепло-белому свечению. При этом необходимое значение CRI должно превышать 90%. Необходимо отметить, что с учетом важности того, чтобы световой выход излучения ретрофитных СИД ламп превышал значение 100-150 лм/Вт, светодиодные белые осветители, полностью отвечающие этим требованиям, в литературе не описаны.
+3
Известные устройства на основе удаленного фотолюминесцентного конвертера чаще всего содержат только один фотолюминофор, например, наиболее употребительный YAG:Ce, и обладают относительно невысоким значением CRI, не обеспечивающим адекватной цветопередачи освещаемых объектов.
Для увеличения значения CRI обычно используют смеси фотолюминофоров, включающие наряду с фотолюминофором желтого цвета свечения фотолюминофор с красным и зеленым свечением.
Однако, как показывает наш анализ, для выполнения всех указанных выше требований, покрытие конвертера должно содержать, по крайней мере, смесь трех люминесцентных материалов с излучением в сине-зеленом, зелено-желтом и оранжево-красном поддиапазонах спектра. Однако известная конструкция однослойного многокомпонентного конвертера имеет, как было установлено нами, неустранимые недостатки. Прежде всего, такие конвертеры имеют очень низкую световую отдачу. Последнее связано с тем, что на долю каждого из входящих в состав смеси люминофоров может приходиться не более трети излучающей поверхности конвертера, все попытки увеличить эту долю сопровождаются ухудшением качественного состава излучаемого цвета - белое излучение приобретает нежелательные цветовые оттенки.
Нами было установлено, что все двух- или трехкомпонентные смеси, изготовленные для получения высокого коэффициента цветовоспроизведения, могут необратимо расслаиваться на составляющие их фотолюминофорные компоненты. Это приводит к сложностям при формировании слоев фотолюминесцентного конвертера и нарушению цветности излучения.
3
3
3
Поэтому одним из существенных недостатков двух- или трехкомпонентных смесей, используемых для получения однослойного конвертера, является возможное разделение зерен фотолюминофора из-за различия в их гравитационной плотности. Так, ортосиликатный фотолюминофор зелено-голубого цвета свечения имеет плотность 4,0 г/см, для фотолюминофора желто-зеленого цвета свечения характерна плотность 5,25 г/см, тогда как для излучающего красный свет фотолюминофора на основе силикатного граната плотность равна 4,75 г/см. Исходя из этих данных при естественном осаждении трехкомпонентной смеси будет происходить осаждение самой тяжелой желто-зеленой компоненты, затем красно-оранжевой, верхним слоем композиции будут являться зерна фотолюминофора зелено-голубого свечения. Такая последовательность будет способствовать возможному оптическому взаимодействию между фотолюминофорами, посредством процесса фотонного переизлучения, при котором коротковолновые фотоны поглощаются эмиссионным материалом, который переиспускает фотоны с большими длинами волн. Перекрытие между спектральной областью поглощения красного фотолюминофора и спектральной областью эмиссии зеленого/желтого фотолюминофоров приводит к переизлучению зеленых фотонов в красные и в результате отрицательно воздействует на эффективность осветителя и значение CRI.
Подтверждение этому обстоятельству можно найти в работе [4], в которой показано, что использование в белых СИД удаленного конвертера с отдельными красными и желтыми слоями фотолюминофоров ведет к увеличению более чем на 18% светового потока по сравнению с обычным хаотично смешанным фотолюминофором при той же самой коррелированной цветовой температуре.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача обеспечения максимальной эффективности светодиодного источника белого света с удаленным конвертером, обеспечения высоких цветовой однородности и рендеринга, а также широкого углового раствора испускаемого светового потока при малом форм-факторе осветителя. В предложенном техническом решении рассматривается новая техническая идея создания многослойной конструкции отражательного пленочного фотолюминесцентного конвертера, в соответствии с которой фотолюминесцентный конвертер представляет собой стопу последовательно наложенных непосредственно друг на друга пленочных монолюминофорных слоев, размещенных на отражающей свет подложке, располагающихся по толщине конвертера по направлению от подложки по мере уменьшения длины волны спектрального максимума излучения фотолюминофоров в монолюминофорных слоях.
Предлагается осветитель, включающий источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД, теплоотводящее основание с плоской периферийной частью, на которой закреплены указанные СИД, отражатель с обращенной к СИД светоотражающей поверхностью, многослойный пленочный фотолюминесцентный конвертер для преобразования первичного излучения во вторичное излучение, расположенный между СИД и отражателем. Поставленная задача решается тем, что в теплоотводящем основании для вывода излучения выполнено апертурное отверстие, вблизи от края которого на теплоотводящем основании размещены СИД, а указанная поверхность многослойного пленочного фотолюминесцентного конвертера, облучаемая СИД, и поверхность светоотражателя имеют вогнутую форму, обращенную вогнутостью к источнику первичного излучения и апертурному отверстию.
Сущность изобретения поясняется фиг.8, на которой схематически показан в разрезе предлагаемый осветитель.
Осветитель включает источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких СИД 1, теплоотводящее основание 2 с апертурным отверстием 3 и периферийной частью 4, на которой закреплены указанные СИД 1, отражатель 5 с обращенной к СИД вогнутой светоотражающей поверхностью 6, многослойный пленочный фотолюминесцентный конвертер 7, состоящий из монолюминофорных слоев 7а, 7b и 7с, для преобразования первичного излучения 8 во вторичное излучение 9, с вогнутой поверхностью 10, обращенной к СИД 1, и второй выпуклой поверхностью 11, обращенной к светоотражающей поверхности 6, причем конвертер 7 расположен между СИД 2 и поверхностью отражателя 6, а конверсионные слои 7а, 7b и 7с расположены по толщине конвертера по направлению от светоотражающей поверхности 6 по мере уменьшения длины волны спектрального максимума излучения фотолюминофоров в соответствующих монолюминофорных слоях.
Осветитель работает следующим образом. Первичное излучение 8 СИД 1 попадает на поверхность 10 конверсионного слоя 7а, частично отражается от поверхности 10, выходя в апертурное отверстие 3 теплоотводящего основания 2, частично отражается от поверхностей зерен фотолюминофора, рассеиваясь в конверсионном слое 7а, частично поглощается материалом конверсионного слоя 7а с преобразованием во вторичное излучение конверсионного слоя 7а, при этом часть первичного излучения 8 и часть вторичного излучения слоя 7а, прошедшие к конверсионному слою 7b, частично поглощаются материалом конверсионного слоя 7b с преобразованием во вторичное излучение слоя 7b, далее часть первичного излучения 8 и часть вторичного излучения слоя 7b, прошедшие к конверсионному слою 7с, частично поглощаются материалом конверсионного слоя 7с, преобразуясь во вторичное излучение слоя 7с, и далее оставшаяся непоглощенной часть первичного излучения 8 и часть вторичного излучения слоя 7с, прошедшие к светоотражающей поверхности 6, отражаются обратно в конверсионный слой 7с, при этом отраженная светоотражающей поверхностью 6 часть первичного излучения 8 снова частично поглощается материалами конверсионных слоев 7а, b и c с преобразованием в смешанное вторичное излучение 9 фотолюминофорами конверсионных слоев 7а, b, c. Определенная часть первичного излучения 8 при этом выходит из конвертера в апертурное отверстие 3 светильника и, смешиваясь со вторичным излучением 9, образует излучение белого цвета, спектральное распределение которого определяется свойствами материалов конверсионных слоев, в первую очередь, составом, дисперсностью фотолюминофоров и толщиной конверсионных слоев 7а, b, c.
2
3
2
4
2
3
15
12
2
3
5
4
3
11
19
4
5
10
10
17
2
4
2
4
Фотолюминофорами обычно являются оптические неорганические материалы, допированные ионами редкоземельных элементов (лантанидов), или альтернативно, ионами типа хрома, титана, ванадия, кобальта или неодима. Лантанидные элементы - лантан, церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций. Оптические неорганические материалы включают (но не ограничиваются): сапфир (AlO), арсенид галлия (GaAs), алюмоокись бериллия (BeAlO), фторид магния (MgF), фосфид индия (InP), фосфид галлия (GaP), алюмоиттриевый гранат (YAG или YAO), тербий-содержащий гранат, иттрий-алюминий-лантанид окисные составы, компаунды окисей иттрий-алюминий-лантанид-галлий, окись иттрия (YO), галофосфаты кальция, или стронция, или бария (Ca,Sr,Ba)(PO)(Cl,F), состав CeMgAlO, фосфат лантана (LaPO), лантанид-пентаборатные материалы ((lanthanide)(Мг, Zn)BO), состав BaMgAlO, состав SrGaS, соединения (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)S, состав SrS, состав ZnS и нитридосиликаты.
2
3
11
19
4
5
10
10
17
5
4
3
3
5
12
2
3
4
2
4
2
4
2
4
2
4
+3
+3
+3
+3
+3
+3
+2
+2
+3
+3
+3
+2
+3
+2
+2
Есть несколько типичных фотолюминофоров, которые могут быть возбуждены УФ-излучением с длиной волны 250 нм или вблизи нее. Типичный фотолюминофор красного свечения - YO:Eu. Типичный фотолюминофор желтого свечения - YAG:Ce. Типичные фотолюминофоры зеленого свечения включают: CeMgAlO:Tb<3+>, (lanthanide) PO:Ce,Tb и GdMgBO:Ce,Tb. Типичный фотолюминофор синего свечения - BaMgAlO:Eu и (Sr,Ba,Ca)(PO)Cl:Eu. Для более длинноволнового СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-450 нм или вблизи него типичные оптические неорганические материалы включают алюмоиттриевый гранат (YAG или YAlO), тербийсодержащие гранат, окись иттрия (YO), YVO, SrGaS, (Sr,Mg,Ca,Ba)(Ga,Al,In)S, SrS и нитридосиликаты. Типичные фотолюминофоры для СИД возбуждения в диапазоне длин волн 400-450 нм включают YAG:Ce, YAG:Ho, YAG:Pr, SrGaS:Eu, SrGaS:Ce, SrS:Eu и нитридосиликаты, допированные Eu.
Квантово-точечные материалы - мелкие частицы неорганических полупроводников, имеющие размеры менее чем приблизительно 30 нм. Типичные квантово-точечные материалы включают (но не ограничиваются ими) частицы CdS, CdSe, ZnSe, InAs, GaAs и GaN. Квантово-точечные материалы могут поглощать свет одной длины волны и затем переизлучать свет с различными длинами волн, которые зависят от размера частицы, свойств поверхности частицы и неорганического материала полупроводника.
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 максимально широкий спектральный диапазон эмитируемого белого излучения с значением CRI, превышающим 90%.
Прозрачные материалы хозяина 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.
Фотолюминофоры конверсионных слоев могут быть последовательно конформно нанесены как покрытия на поверхность светоотражателя, например, методами пульверизации, намазывания пасты, осаждения или электрофореза из суспензии фотолюминофора в жидкости. Одна из проблем, связанных с покрытием отражателя фотолюминофорами, - нанесение однородного воспроизводимого покрытия на отражатель, особенно, если отражатель имеет неплоскую поверхность, например цилиндрическую или полусферическую. При покрытии методами пульверизации, нанесения пасты и осаждения используют жидкие суспензии для нанесения частиц фотолюминофора на подложку. 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.
В некоторых случаях предпочтительно введение фотолюминофора в материал покрытия, например прозрачной пластмассы типа поликарбоната, ПЭТ, полипропилена, полиэтилена, акрила, сформированных экструзией. Конверсионный слой при этом может быть предварительно изготовлен в листах, которые затем термически отформованы до требуемой формы. Перед формовкой на одну из поверхностей листа может быть вакуумным напылением нанесено отражающее свет покрытие, например, из алюминия или серебра.
Конверсионные слои, предварительно отформованные конформно отражательной поверхности теплового радиатора, могут быть приклеены к ней, например, силиконовым адгезивом, расположенным между конверсионными слоями и между ближним к тепловому радиатору конверсионным слоем и отражающей поверхностью теплового радиатора. Клеевой слой в этом случае может быть тонким, тоньше, например, чем конверсионные слои, и не оказывать большого термического сопротивления отводу тепла от конверсионного слоя.
В одном из конкретных исполнений осветителя используется предварительно отформованный лист многослойного фотолюминесцентного конвертера, который приклеивают к медному или латунному цилиндрическому отражателю с тонким слоем алюминия (0,5 мкм), нанесенным методом вакуумного термического напыления.
С целью создания осветителя с высокой световой отдачей и большим значением индекса цветовоспроизведения (CRI) в конкретном варианте предлагаемого изобретения использовали трехкомпонентную композицию на основе силикатных и гранатных фотолюминофоров:
0,85
0,12
0,03
2
3,96
0,02
(BaSrEu)SiOF голубовато-зеленого цвета свечения
0,75
0,25
0,05
3
2
3,94
0,03
0,03
3
(YGdCe)Al[(AlOFN)] желто-зеленого цвета свечения
3
2
3
12
(CaMg)LuSiO:Ce красно-оранжевого цвета свечения.
Конвертер при этом изготавливался в виде трех плотно контактирующих друг с другом однослойных полимерных пленок толщиной от 45 до 70 мкм.
Однослойные пленки формировались методом динамической экструзии суспензии люминофора в растворе высокомолекулярного полимера, взятого из ряда: полибутилметакрилат (ПБМА), поликарбонат (ПКБ), этилвинилацетат (ЭВА).
Для этого использовались 15% раствор ПБМА в изопропилате с концентрацией зерен фотолюминофора от 16 до 18% массовых. Литье пленок производилось со скоростью 25-30 см/мин на литьевой установке с фильерой шириной до 100 мм. Температура полимеризации в зоне инфракрасного нагрева литьевой установки составляла 80-90°C. Отлитая пленка ПБМА имела среднюю толщину 55 мкм, для уменьшения шероховатости литьевого покрытия пленка после формирования пропускалась через нагретые до 85-90°C валки.
Нами было показано, что оптимальным является введение в состав ПБМА-покрытия зерен ортосиликатного фотолюминофора, что связано с лучшей смачиваемостью ортосиликата раствором ПБМА.
кип.
Для получения полимерного покрытия, наполненного зернами красно-оранжевого фотолюминофора, используются гранулы этилвинилацетата, растворяемые в растворе винилацетата (Т=73°C) с концентрацией 18-20%. Соотношение по сухому остатку между гранулами ЭВА и красно-оранжевым фотолюминофором составляет 75%:25% (массовое).
Этилвинилацетатная пленка формируется на описанной выше литьевой установке. При этом температура полимеризации в зоне инфракрасной сушки составляет 100°C. Толщина отлитой пленки составляет 60-70 мкм, что обусловлено более крупным максимальным размером зерен красно-оранжевого фотолюминофора.
Отлитая пленка также дополнительно прокатывается через горячие валки с целью уменьшения ее шероховатости.
2
2
кип.
Третье полимерное покрытие изготавливалось также методом литья, но при этом в качестве полимера использовался радиационно-стойкий поликарбонат, растворяемый в метиленхлориде CHCl (Т=40°C) при концентрации 26-30%. В качестве люминесцирующего наполнителя использовался зелено-желтый гранатный фотолюминофор, имеющий спектральный максимум λ=545 нм. Концентрация зерен фотолюминофора в этой поликарбонатной пленке составляет 21-25%, то есть является максимальной по наполнению.
Благодаря высокой концентрации зерен фотолюминофора в поликарбонатной пленке, а также зелено-желтому цвету свечения предложенная пленка при возбуждении опорным излучением синих СИД с λ=455-465 нм имеет очень высокую световую эффективность.
Образцы полученных пленок разной толщины показаны на Фиг.9. Конверсионные слои должны иметь достаточно большие толщины, чтобы обеспечить достижение необходимых значений цветовых координат смешанного белого света, покидающего апертуру осветителя. Эффективная толщина определяется процессами оптического рассеяния в используемых фотолюминофорах и лежит, например, между 5 и 500 мкм, чаще всего между 100 и 250 мкм.
Основные параметры излучения всех трех предложенных полимерных композиций сопоставлены в таблице.
Параметры покрытия
Цвет люминесценции пленочного покрытия
голубовато-зеленый
желто-зеленый
красно-оранжевый
Максимум спектра излучения, нм
507
545
609
Полуширина спектра излучения, нм
68
118
130
Относительная яркость свечения
100
180
80
В соответствие с данными таблицы нами предложена следующая последовательность объединения наполненных полимерных слоев: центральным слоем является поликарбонатная пленка с фотолюминофором желто-зеленого свечения. Ближе к СИД от центрального слоя расположено покрытие с фотолюминофором голубовато-зеленого свечения, тогда как дальше от СИД относительно центрального слоя расположен слой с фотолюминофором красно-оранжевого свечения. Объединение трех первоначально отлитых покрытий реализовалось в установке с вращающимися нагретыми валками. Температура нагрева должна была превышать максимальную температуру стеклования каждого из трех индивидуальных покрытий. Экспериментально была установлена достаточная температура нагрева валков 145°C. Пропускаемые через нагретые валки три индивидуальные пленки спаивались без трещин и воздушных пузырей. При этом образовывался однородный сплошной лист.
Лист прикреплялся к цилиндрическому отражателю увлажнением отражателя винилацетатом и приложением давления к листу через пуансон нужной формы. Растворитель размягчает лист и позволяет воздушным пузырям быть выжатым из-под него для обеспечения полного прилипания листа к отражателю. Покрытый отражатель может быть отожжен на воздухе при 480°C, чтобы выжечь полимеры, оставляя покрытый слоями фотолюминофоров цилиндрический отражатель. Надо иметь ввиду, что фотолюминофор, который преобразует синий свет в оранжево-красный, может деградировать вплоть до полной непригодности после нагрева до 480°C на воздухе. В этом случае должны использоваться другие полимеры с более низкой температурой выжигания. В некоторых вариантах исполнения температура выжигания находится в диапазоне от 260 до 540°C.
Внешняя поверхность фотолюминесцентного конвертера может быть дополнительно покрыта прозрачным защитным слоем, который предохраняет от проникновения влажности и/или кислорода в конверсионный слой, поскольку некоторые типы фотолюминофоров, например сульфидных, подвержены повреждениям от воздействия влаги. Защитный слой может быть изготовлен из любого прозрачного материала, который блокирует влагу и/или кислород от проникновения в конверсионный слой, 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 осветителя.
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.
При необходимости апертурное отверстие может быть дополнительно герметично закрыто оптически прозрачным окном, которое защищает конверсионный слой от воздействия влажности и/или кислорода, при этом внутренний объем осветителя может быть заполнен инертной атмосферой или откачан. Инертная атмосфера и вакуум оптически прозрачны для излучения используемых СИД и фотолюминофоров.
Поверхность 10 конвертера 7 и поверхность 6 отражателя 5 могут иметь осесимметричную форму сферы, или эллипсоида, или параболоида, или цилиндра, усеченных поверхностью теплоотводящего основания 2, причем СИД 1 расположены вблизи и вдоль линии пересечения указанной поверхности теплоотводящего основания 2 с указанной поверхностью 10 конвертера 7.
Оптимизация формы поверхности 10 конвертера и расположения СИД с учетом их диаграммы направленности излучения позволяет добиться улучшения цветовой однородности и углового распределения выходящего из осветителя излучения за счет падения излучения СИД на поверхность 10 конвертера под различными углами и перераспределения отраженного излучения внутри полости конвертера 7 до выхода из апертурного отверстия.
Диаграмма направленности излучения чипов СИД, как известно из спецификаций, например, чипов мощных синих СИД SL-V-B45AC2 фирмы SemiLEDs или чипов семейства EZBrightl ООО фирмы CREE может иметь Ламбертово распределение (конус света с углом 90° от нормали к поверхности чипа СИД) или ограничиваться меньшим конусом с углом α<90°, например, при использовании для вывода излучения квантоворазмерной решетчатой структуры, сформированной на поверхности чипа СИД.
При этом приемлемым является такое расположение СИД на теплоотводящем основании, чтобы ось диаграммы направленности излучения СИД пересекалась с осью симметрии отражателя под углом β≥90°-α/2.
Однако определенная относительно небольшая часть первичного излучения СИД распространяется напрямую вовне апертурного отверстия светильника, и для исключения возможности попадания излучения СИД непосредственно в глаз пользователя теплопроводящее основание 2 может содержать выступ 12, экранирующий прямой выход первичного излучения наружу из осветителя, минуя поверхность 10 конвертера 7. Для более полного использования первичного излучения СИД упомянутый выступ 12 теплопроводящего основания 2 содержит дополнительный отражатель - плоскую зеркально отражающую часть 13, направляющую попадающее на нее первичное излучение на поверхность 10 конвертера 7.
Более детально вариант исполнения осветителя, содержащего дополнительный отражатель, схематически поясняется на фиг.10.
Осветитель в этом исполнении дополнительно к изображенным на Фиг.8 элементам, имеющим ту же нумерацию, что и на фиг.8, включает выступающую часть 12 с отражающим покрытием 13.
Еще один конкретизированный вариант исполнения осветителя с дополнительным отражателем детально поясняется на фиг.11, на которой показан укрупненный разрез осветителя в области основания 2 с закрепленными СИД 1 с сохранением нумерации соответствующих элементов фиг.8 (без сохранения масштаба).
Дополнительный отражатель представляет собой наклонную поверхность 15 (например, перевернутую основанием вверх усеченную коническую поверхность в случае осесимметричной формы конвертера), расположенную между чипами СИД 1 и конвертером 7, отражение от которого позволяет практически полностью перенаправить попадающую на нее часть излучения чипов СИД 1 к противоположной стороне конвертера 7, гомогенизируя выходящее излучение осветителя.
Для повышения отражения света, испускаемого СИД и конверсионными слоями, поверхность светоотражателя в тепловом радиаторе может быть, например, отполирована или матирована для гомогенизации излучения и на нее может быть нанесено покрытие с высоким коэффициентом оптического отражения. Поверхность светоотражателя может быть также выполнена в виде отдельного зеркала, отдаленного от теплового радиатора, но находящегося с ним в тепловом контакте через теплопроводный слой. Примеры подходящих покрытий и материалов для высокоотражающих покрытий включают серебро, алюминий, дихроические покрытия, алюминий, объединенный с дихроическим покрытием, чтобы увеличить коэффициент отражения алюминия, и материалы типа окиси титана и окиси алюминия, сформированные золь-гельным методом.
В данном исполнении осветителя чипы СИД 1 расположены на основании 2 таким образом, что нормаль к поверхности чипа СИД 1 параллельна (или составляет небольшой угол) с осью симметрии отражателя 6, выполненного в виде отражающей пленки алюминия или серебра толщиной 0,15-0,2 мкм, нанесенной методом термического вакуумного напыления на внутреннюю поверхность полусферического стеклянного колпачка 17, приклеенного эластичным теплостойким теплопроводящим компаундом 18 к алюминиевому полусферическому колпачку 19, который осуществляет функцию второго общего электрода для чипов СИД 1, присоединенных к нему параллельно проводниками 14 и полиимидным шлейфом 16, покрытым металлизацией 15. Для повышения светоотражательной способности металлизация 15 на полиимидном шлейфе покрыта тонким слоем алюминия и выполняет функцию дополнительного отражателя наряду с функцией электрического контакта. При таком расположении светодиодов их первичное излучение напрямую не попадает в глаз наблюдателя.
Роль первого электрода играет основание 2, к которому припаяны чипы СИД 1, и находящийся с ним в электрическом и тепловом контакте тепловой радиатор 22. Подвод электричества к колпачку 19 осуществляется посредством центрального цилиндрического вывода (не показан на фиг.11), приваренного (или припаянного) к вершине колпачка 19 соосно с осью симметрии отражателя 6, и присоединенного через электрически изолированное отверстие во внутренней поверхности 21 теплового радиатора 22 к драйверу питания, расположенному в соответствующей полости, выполненной в верхней части тела теплового радиатора (не показана).
Полусферический колпачок 19 приклеен теплостойким теплопроводящим компаундом 20 к внутренней поверхности 21 тела теплового радиатора 22.
Полусферический колпачок 17 может быть также изготовлен из теплопроводящей керамики. Полусферический колпачок 19 может быть также изготовлен из нержавеющей стали, меди, латуни, ковара или иного подобного материала.
В случае изготовления колпачка 19 из ковара или иного подобного сплава, обладающего относительно хорошей теплопроводностью и относительно низким коэффициентом термического расширения, наиболее близким к коэффициенту термического расширения фотолюминофоров, используемых в конвертере 7, возможно упростить и удешевить конструкцию осветителя и выполнить его вообще без использования колпачка 17. Для этого вакуумным термическим напылением (или иным способом) на внутреннюю поверхность коварового колпачка 19 наносится отражающая пленка алюминия или серебра, непосредственно или через промежуточное тонкопленочное диэлектрическое покрытие, с последующим осаждением слоя фотолюминофора одним из ранее описанных способов.
В случае выполнения колпачка 19 из алюминия, нержавеющей стали, меди, латуни или подобных материалов с относительно высоким коэффициентом термического расширения наиболее близким к коэффициенту термического расширения конвертера 7, выполненного из пластмасс с фотолюминофорным наполнением, так же возможно выполнить осветитель без колпачка 17. Для этого внутренняя поверхность колпачка 19 полируется и/или на нее вакуумным термическим напылением наносится отражающая пленка алюминия или серебра, непосредственно или через промежуточное тонкопленочное диэлектрическое покрытие, с последующим приклеиванием предварительно отформованного пластикового конвертера 7.
Чипы СИД 1 и проволочные контакты 14 могут быть загерметизированы оптическим компаундом 23 по известной технологии, применяемой при изготовлении светодиодных сборок.
Тепловой радиатор 22 может быть изготовлен из любого подходящего материала, например меди или алюминия. Тепловой радиатор может быть оребрен, чтобы увеличить поверхность теплоотдачи, например, как показано на Фиг.12, на которой предлагаемый источник света изображен в виде лампы со стандартным цоколем 23.
Литература
1. Yamada, K., Imai, Y. and Ishii K. "Optical Simulation of Light Source Devices Composed of Blue LEDs and YAG Phosphor," J.Light & Vis. Env. 27(2), 70-74 (2003).
2. Narendran, N., Gu. Y., Freyssinier, J., Zhu, Y. "Extracting Phosphor-scattered Photons to Improve White LED Efficiency," Phys. Stat. Sol. (a) 202(6), R60-R62 (2005).
3. Zhu Y., N.Narendran, and Y.Gu. "Investigation of the optical properties of YAG:Ce phosphor". Sixth International Conference on Solid State Lighting. Proceedings of SPIE. 6337, 63370S (2006).
4. Jiun Pyng You, Nguyen T.Tran, and Frank G.Shi. Light extraction enhanced white light-emitting diodes with multi-layered phosphor configuration. Optics Express,, Vol.18, Issue 5, pp.5055-5060 (2010).