СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО С ОРГАНИЧЕСКИМ ЛЮМИНОФОРОМ
LIGHT-EMITTING DEVICE WITH ORGANIC PHOSPHOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится к светоизлучающему устройству, содержащему отделенный элемент, преобразующий длину волны, содержащий полимерный носитель и люминофор.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ ДАННОМУ ИЗОБРЕТЕНИЮ
Осветительные приборы на базе светоизлучающих диодов (СИД) все в большей степени используются для широкого ассортимента средств освещения. Светоизлучающие диоды (СИД) предоставляют преимущества по сравнению с традиционными источниками света, такими как лампы накаливания и люминесцентные лампы, включающие длительный срок службы, высокая световая отдача, низкое рабочее напряжение и быстрая модуляция светового потока в люменах.
Эффективные мощные светоизлучающие диоды (СИД) часто основаны на материалах, излучающих синий свет. Для того чтобы изготовить осветительный прибор на базе светоизлучающего диода (СИД), имеющий на выходе желательный цвет (например, белый), может быть использован подходящий материал, преобразующий длину волны, общеизвестный как люминофор, который преобразует часть света, излучаемого светоизлучающим диодом (СИД), в свет с длинами волн большей величины таким образом, что образуется комбинация света, имеющего желательные спектральные характеристики. Материал, преобразующий длину волны, может быть нанесен непосредственно на кристалл светоизлучающего диода (СИД) или он может быть расположен на определенном расстоянии от люминофора (так называемая разделенная конфигурация).
Многие неорганические материалы были использованы в качестве люминофорных материалов для преобразования синего света, излучаемого светоизлучающим диодом (СИД), в свет с длинами волн большей величины. Однако неорганические люминофоры обладают тем недостатком, что они являются сравнительно дорогими. Кроме того, неорганические люминофоры являются светорассеивающими частицами и, соответственно, всегда отражают часть поступающего света, что приводит к потерям в эффективности устройства. Кроме того, неорганические люминофоры светоизлучающих диодов (СИД) имеют ограниченный квантовый выход и сравнительно широкий спектр излучения, в частности, для люминофоров светоизлучающих диодов (СИД), излучающих красный свет, что приводит к дополнительным потерям эффективности.
В настоящее время органические люминофорные материалы рассматриваются в качестве замены неорганического люминофора в светоизлучающих диодах (СИД), в которых желательно преобразование синего света в свет от зеленого до красного, например, для обеспечения выпуска белого света. Органические люминофоры обладают тем преимуществом, что спектр люминесценции может быть легко отрегулирован в отношении положения и ширины полосы. Органические люминофорные материалы также часто имеют высокую степень прозрачности, что выгодно, поскольку эффективность системы освещения улучшается по сравнению с системами с применением люминофорных материалов, которые в большей степени поглощают и/или отражают свет. Кроме того, органические люминофоры являются гораздо менее дорогими, чем неорганические люминофоры. Однако, поскольку органические люминофоры чувствительны к теплу, генерируемому во время электролюминесцентной активности светоизлучающего диода (СИД), органические люминофоры используются главным образом в приборах с разделенной конфигурацией.
Основным препятствием, затрудняющим применение органических люминофорных материалов в системах освещения на базе светоизлучающих диодов (СИД) с отделенным люминофором, является их низкая фотохимическая стабильность. Органические люминофоры, как наблюдалось, быстро деградируют, когда освещаются синим светом в присутствии воздуха.
-1
-1
US2007/0273274 (Horiuchi et al.) раскрывает полупрозрачный ламинатный лист, содержащий светоизлучающий прибор и содержащий органический люминофор, расположенный в герметизированной полости. Полость заполняют органическим люминофором в состоянии, в котором концентрация кислорода поддерживается при 100 млн и предпочтительно при 20 млн или менее в вакууме или окружающей атмосфере инертного газа, чтобы избежать ухудшения люминофора. Однако выполнение этой операции при таких низких концентрациях кислорода является сложной и дорогостоящей.
Следовательно, остается потребность в данной области техники в улучшенных светоизлучающих устройствах с применением органических люминофорных материалов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью данного изобретения является преодоление этой проблемы и предоставление светоизлучающего устройства с применением люминофора, которое обладает увеличенным сроком службы.
В соответствии с первым аспектом данного изобретения, эта и другие цели достигаются посредством светоизлучающего устройства, содержащего источник света, типично содержащий по меньшей мере один светоизлучающий диод (СИД), приспособленный для излучения света с первой длиной волны, и элемент, преобразующий длину волны, который расположен, чтобы принимать свет с указанной первой длиной волны, и приспособлен для преобразования по меньшей мере части света с указанной первой длиной волны в свет со второй длиной волны, указанный элемент, преобразующий длину волны, содержит i) полимерный материал-носитель, который содержит сложный полиэфир, содержащий ароматическую составляющую, включенную в основную цепь полимера, и ii) по меньшей мере один материал, преобразующий длину волны, который имеет следующую общую формулу I:
в которой
1
n
2n+1
m
G представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу или кислородсодержащую алкильную группу CHO, n является целым числом от 1 до 44 и m<n/2, или Y;
n
2n+1
2
3
4
5
n
2n+1
n
2n+1
каждая из A, B, C, J и Q независимым образом представляет собой водород, изопропил, трет-бутил, фтор, метоксигруппу или незамещенный насыщенный алкил CH, n является целым числом от 1 до 16; каждая из G, G, G и G независимым образом представляет собой водород, фтор, метоксигруппу или незамещенную насыщенную алкильную группу CH, n является целым числом от 1 до 16, или X; и каждая из D, E, I, L и M независимым образом представляет собой водород, фтор, метоксигруппу или незамещенную насыщенную алкильную группу CH, n является целым числом от 1 до 16.
1
1
2
3
4
5
Авторы изобретения неожиданно нашли, что материал, преобразующий длину волны, который имеет вышеуказанную общую формулу, проявляет превосходную стабильность и, соответственно, увеличенный срок службы, когда включен в указанную матрицу сложного полиэфира. В частности, было найдено, что соединение, преобразующее длину волны, в соответствии с общей формулой, в которой G представляет собой Y, выгодно в комбинации с указанной матрицей сложного полиэфира. Еще более выгодно, когда G представляет собой Y, каждая из A и C представляет собой изопропил, каждая из B, J и Q представляет собой водород, каждая из G, G, G и G представляет собой X и каждая из D, E, I, L и M представляет собой водород.
В вариантах осуществления данного изобретения полимерный материал содержит гомополимер сложного полиэфира, имеющий повторяющиеся звенья общей формулы II:
где A выбирается из следующих составляющих:
и где B выбирается из следующих двух составляющих:
В качестве альтернативы, полимерный материал может содержать сополимер сложного полиэфира, который содержит различные повторяющиеся звенья, содержащие любую комбинацию указанных составляющих в позициях A и B. В частности, такой сополимер сложного полиэфира может содержать первые повторяющиеся звенья, содержащие любую комбинацию указанных составляющих в позициях A и B, и содержать вторые повторяющиеся звенья, содержащие другую комбинацию указанных составляющих в позициях A и B. А именно сополимер может содержать первые повторяющиеся звенья, в которых A является одной из вышеуказанных составляющих A, и B является одной из двух составляющих B. Вторые повторяющиеся звенья могут отличаться от первых повторяющихся звеньев либо в отношении позиции A, либо в отношении позиции B, или же в отношении обеих позиций.
В вариантах осуществления данного изобретения полимерный материал может быть получен из одной или нескольких ароматических дикарбоновых кислот и может содержать полиэтилентерефталат и/или его сополимер и/или полиэтиленнафталат и/или его сополимер. В частности, полимерный материал может содержать полиэтилентерефталат (PET), или полиэтиленнафталат (PEN), или их сополимер, производный от 1,4-циклогександиметанола.
В вариантах осуществления данного изобретения материал, преобразующий длину волны, диспергируют в полимерном материале-носителе. Полимерный материал может образовывать пленку, которая может содержать диспергированный в ней материал, преобразующий длину волны. Содержание указанного материала, преобразующего длину волны, в элементе, преобразующем длину волны, может составлять 1% или менее по массе, например, 0,1% или менее по массе, такое как 0,01% или менее по массе.
В вариантах осуществления данного изобретения элемент, преобразующий длину волны, содержит второй материал, преобразующий длину волны, приспособленный для преобразования света, излучаемого источником света, в свет с третьей длиной волны. Соответственно, при использовании более чем одного материала, преобразующего длину волны, спектральный состав выходящего света может быть более простым образом приспособлен так, как это требуется. Второй материал, преобразующий длину волны, может быть неорганическим или органическим.
В вариантах осуществления данного изобретения источник света и элемент, преобразующий длину волны, расположены взаимно разделенным образом, а именно в так называемой разделенной конфигурации. В результате люминофор в меньшей степени подвергается воздействию высокой рабочей температуры светоизлучающего диода (СИД), и степень деградации люминофорного материала уменьшается по сравнению со случаем, когда люминофор расположен близко к источнику света или непосредственно прилегает к нему.
В вариантах осуществления данного изобретения элемент, преобразующий длину волны, содержится внутри уплотненной полости светоизлучающего устройства, имеющей концентрацию кислорода в интервале 3% или менее, предпочтительно 0,6% или менее, и более предпочтительно 0,1% или менее, в расчете на общий объем внутри уплотненной полости. Авторы данного изобретения нашли, что элемент, преобразующий длину волны, по данному изобретению, содержащий полимерный материал и материал, преобразующий длину волны, описанный выше, проявляет особенно высокую стабильность, когда поддерживается в атмосфере, имеющей низкое содержание кислорода.
Опционально, уплотненная полость может дополнительно содержать газопоглотитель, приспособленный для удаления кислорода из атмосферы внутри вышеуказанной полости. Таким образом, низкое содержание кислорода внутри уплотненной полости может быть получено без герметизации полости в атмосфере с таким же низким содержанием кислорода, или же может быть допустимо высвобождение газообразного кислорода внутри уплотненной полости из компонентов или материалов внутри полости. В вариантах осуществления данного изобретения и, в частности, когда полость также включает газопоглотитель, полость уплотняется с помощью уплотнения, которое является негерметичным, т.е. является проницаемым для газа, такого как кислород.
Следует заметить, что данное изобретение относится ко всем возможным комбинациям признаков, перечисленных в формуле изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Этот и другие аспекты данного изобретения будут теперь описаны более подробно со ссылками на прилагаемые чертежи, показывающие вариант(ы) осуществления данного изобретения.
Фиг.1 показывает вид сбоку примера осуществления данного изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Авторы данного изобретения нашли, что определенные производные перилена имеют неожиданно длительный срок службы, когда подвергаются воздействию условий, которые вызывают быструю деградацию других органических люминофорных соединений. В частности, авторы изобретения нашли, что, когда производные перилена содержались в полиэтилентерефталатной (PET) матрице, такой как пленка, люминофор проявлял неожиданно высокую стабильность как на воздухе, так и в анаэробных условиях при облучении синим светом.
Кроме того, было найдено, что деградация люминофорного материала происходит медленнее, когда люминофор размещен на расстоянии, вместо объединения с элементом светоизлучающего диода (СИД), вследствие, помимо прочего, более низкой температуры.
Фиг.1 показывает светоизлучающее устройство на базе светоизлучающих диодов (СИД) в соответствии с вариантом осуществления данного изобретения. Светоизлучающее устройство этого варианта осуществления предоставлено как модифицированная лампа 100. Термин «модифицированная лампа» хорошо известен специалистам в данной области техники и относится к лампе на базе светоизлучающих диодов (СИД), имеющей внешний вид лампы старого типа, которая не имеет светоизлучающих диодов (СИД). Лампа 100 содержит базовую часть 102, которая снабжена традиционным цоколем 102, таким как резьбовой цоколь Эдисона или байонетный цоколь. Кроме того, лампа 100 имеет элемент 103 для выпуска света в форме груши, включающий в себя полость 104. Несколько светоизлучающих диодов (СИД) 105 расположено на базовой части 102 внутри полости 104. Элемент 106, преобразующий длину волны, расположен на внутренней стороне элемента 103 для выпуска света, т.е. на стороне элемента для выпуска света, обращенной в полость 104.
Элемент, преобразующий длину волны, может быть нанесен в качестве покрытия на элемент для выпуска света. Также предполагается, что элемент, преобразующий длину волны, может быть самоподдерживающимся слоем, таким как пленка или лист, расположенным отдельно от элемента для выпуска света и имеющим любую подходящую форму. В качестве альтернативы, он может быть сформирован в виде колпака, покрывающего светоизлучающие диоды (СИД) при определенном расстоянии от светоизлучающих диодов (СИД) и от элемента для выпуска света.
Элемент, преобразующий длину волны, содержит матрицу или носитель для материала, преобразующего длину волны. Материал матрицы или носителя образован полимерным материалом и является типично светопрозрачным, так что свет, излучаемый светоизлучающими диодами (СИД) и/или преобразованный материалом, преобразующим длину волны, может быть пропущен через материал матрицы к элементу для выпуска света.
Полимерный материал матрицы или носителя содержит сложный полиэфир, содержащий повторяющиеся звенья, по меньшей мере некоторые из которых могут являться производными от одной или нескольких ароматических дикислот. Типично ароматическая составляющая образует часть основной цепи полимера.
Например, полимерная матрица может содержать полимер, имеющий основную цепь, которая содержит n повторяющихся звеньев следующей общей формулы II:
в которой по меньшей мере для некоторых из повторяющихся звеньев основной цепи полимера A представляет собой ароматическую составляющую, выбранную из следующих ароматических составляющих:
2
2
Составляющая B одного или нескольких вышеуказанных повторяющихся звеньев может содержать составляющую из циклического углеводорода, такую как циклогексановую составляющую. Например, составляющая -(CH)- вышеуказанных повторяющихся звеньев основной цепи полимера может быть заменена составляющей из циклического углеводорода, такой как 1,4-диметиленциклогексановая составляющая. В частности, B может быть выбрана из следующих двух составляющих:
В частности, полимерный материал может быть полиэтилентерефталатом (PET), в котором позиция A формулы II соответствует 1,4-фенилену, и позиция B формулы II соответствует этилену; полиэтиленнафталатом (PEN) (в котором позиция A формулы II соответствует нафталину, и позиция B формулы II соответствует этилену), и их сополимерам. Полиэтилентерефталат (PET) может быть получен реакцией эстерификации между этиленгликолем и терефталевой кислотой.
Следовательно, материал матрицы может содержать один или несколько полимеров, выбранных из группы, состоящей из: сложных полиэфиров, полученных из этиленгликоля и по меньшей мере одной ароматической дикислоты, сложных сополиэфиров, полученных из смеси этиленгликоля и 1,4-циклогександиметанола и ароматических дикислот, сложных сополиэфиров, полученных из этиленгликоля и смеси ароматических дикислот, и сложных сополиэфиров, полученных из смеси этиленгликоля и 1,4-циклогександиметанола и смеси ароматических дикислот.
Материал, преобразующий длину волны, по данному изобретению может быть диспергирован в материале матрицы. Материал, преобразующий длину волны, по данному изобретению содержит по меньшей мере одно соединение, выбранное из группы, содержащей соединения общей формулы I:
в которой
1
n
2n+1
m
G представляет собой линейную или разветвленную алкильную группу или кислородсодержащую алкильную группу CHO, n является целым числом от 1 до 44 и m<n/2, или Y;
n
2n+1
каждая из A, B, C, J и Q независимым образом представляет собой водород, изопропил, трет-бутил, фтор, метоксигруппу или незамещенный насыщенный алкил CH, n является целым числом от 1 до 16;
2
3
4
5
n
2n+1
n
2n+1
каждая из G, G, G и G независимым образом представляет собой водород, фтор, метоксигруппу или незамещенную насыщенную алкильную группу CH, n является целым числом от 1 до 16, или X; и каждая из D, E, I, L и M независимым образом представляет собой водород, фтор, метоксигруппу или незамещенную насыщенную алкильную группу CH, n является целым числом от 1 до 16.
2
3
4
5
Типично, G, G, G и G могут являться водородом или X, и по меньшей мере одна из D, E, I, L и M может являться водородом. Например, по меньшей мере две из D, E, I, L и M могут являться водородом.
Как было найдено, эти соединения, преобразующие длину волны, обладают особенно высокой стабильностью в матрице из полиэтилентерефталата (PET). Типично, по меньшей мере одна из J и Q может являться водородом.
Типично, материал, преобразующий длину волны, диспергирован в материале матрицы. Концентрация материала, преобразующего длину волны, может составлять 1% или менее, предпочтительно 0,1% или менее и более предпочтительно 0,01% или менее по массе в расчете на общую массу материала матрицы и материала, преобразующего длину волны.
Когда полимерный материал-носитель находится в форме пленки, содержащей диспергированный в ней материал, преобразующий длину волны, толщина пленки может находиться в интервале от 10 микрометров до 2 мм. Также возможна форма, полученная литьем под давлением.
1
2
3
4
5
В дополнение к материалу, преобразующему длину волны, описанному выше, элемент, преобразующий длину волны, может необязательно содержать второй материал, преобразующий длину волны, приспособленный для преобразования света с первой длиной волны в свет с третьей длиной волны. Второй материал, преобразующий длину волны, может быть неорганическим люминофорным материалом или органическим люминофорным материалом, например, производным перилена. Второй материал, преобразующий длину волны, может также содержать соединение, имеющее такую же общую формулу, что и первое соединение, преобразующее длину волны, однако имеющее другие заместители в одной или нескольких позициях из G, G, G, G, G, A, B, C, D, E, I, M, L, J и Q.
Атмосфера внутри полости 104 может быть воздухом, или же она может быть отрегулирована таким образом, что имеет определенный состав. Например, полость 104 может быть заполнена инертным газом, таким как азот, или благородным газом, например, аргоном. В вариантах осуществления данного изобретения концентрация кислорода внутри полости 104 может поддерживаться при низком уровне, например при 20% или менее, при 15% или менее, при 10% или менее, при 5% или менее, при 3% или менее, 1% или менее, 0,6% или менее и предпочтительно при 0,1% или менее на общий объем уплотненной полости.
В вариантах осуществления данного изобретения элемент 103 для выпуска света может быть уплотнен таким образом, чтобы герметично уплотнять полость 104, содержащую элемент 106, преобразующий длину волны. Герметичное уплотнение 107 может быть предоставлено, чтобы герметизировать полость. Уплотнение полости может быть выполнено с применением методов и условий, которые уменьшают содержание деградирующего газа, такого как кислород, внутри полости. Такие методы и условия известны специалистам в данной области техники и включают вакуумную откачку и заполнение полости инертным газом; продувку полости инертным газом; или уплотнение полости в окружающей среде, не содержащей кислорода, например в перчаточном боксе. Соответственно, атмосфера внутри полости 104 может иметь пониженное содержание кислорода по сравнению с обычным воздухом.
В качестве альтернативы, в вариантах осуществления данного изобретения полость 104 не уплотняют герметичным образом. Например, уплотнение 107 может быть проницаемым таким образом, чтобы допускать низкую степень проникновения газа (например, кислорода) в полость 104. Проницаемое уплотнение типично является органическим адгезивом, таким как эпоксидный адгезив.
Кроме того, в вариантах осуществления данного изобретения полость 104 может необязательно содержать газопоглотитель 108, приспособленный для удаления газа, в частности кислорода, из атмосферы внутри полости 104. Выгодным образом, посредством применения газопоглотителя содержание кислорода внутри полости 104 может быть отрегулировано без наличия герметичного уплотнения, вместо применения уплотнения, которое является газопроницаемым. Однако может быть выгодным применение газопоглотителя также в комбинации с герметичным уплотнением; одним из преимуществ является то, что уплотнение не должно выполняться в бескислородных условиях, поскольку газопоглотитель затем будет абсорбировать по меньшей мере некоторую часть кислорода, захваченного внутри полости 104.
Преимущества люминофорных соединений в соответствии с данным изобретением были продемонстрированы в экспериментах.
Пример 1
Стабильность (срок службы) различных органических люминофорных соединений испытывали при разных условиях. Использовали следующие соединения:
1
2
3
4
5
Соединение IV доступно от BASF в виде красителя F-300 или F-305 и соответствует общей формуле I, в которой G представляет собой Y, и каждая из G, G, G и G представляет собой X, и каждая из A и C представляет собой изопропил, каждая из B, J и Q представляет собой водород, и каждая из D, E, I, L и M представляет собой водород.
2
Каждое соединение включали в две разные полимерные матрицы, сформированные в виде слоев, и размещали на воздухе или в отрегулированной атмосфере, содержащей 0,1% кислорода в азоте. Матрицы, содержащие люминофорные материалы, облучали синим светом с длиной волны 450 нм при плотности светового потока 4,1 Вт/см и при температуре 60°C, и интенсивность люминесценции измеряли как функцию времени облучения. Концентрацию люминофора и толщину слоя выбирали таким образом, что пропускание синего света составляла 90% при t=0 секунд облучения. Срок службы люминофора определяли как время до уменьшения на 10% интенсивности люминесценции. Полученные сроки службы представлены в таблице 1.
Таблица 1
Матричный материал; атмосфера
Соединение I
Соединение II
Соединение III
Соединение IV
Полиметилакрилат (PMMA);воздух
Секунды
10 минут
3 минуты
40 часов
Полиметилакрилат (PMMA);0,1% кислорода в N<sub>2</sub>
Секунды
2 часа
7 часов
500 часов
Полиэтилентерефталат (PET);воздух
неприменимо
минуты
минуты
300 часов
Полиэтилентерефталат (PET);0,1% кислорода в N<sub>2</sub>
неприменимо
6 часов
5 часов
3200 часов
Как можно видеть из таблицы 1, соединение IV показывает чрезвычайно длительный срок службы, когда содержится в пленке полиэтилентерефталата (PET), как в обычном воздухе, так и в атмосфере с низким содержанием кислорода. Другие органические люминофоры, использованные при испытаниях, не показали такую высокую стабильность ни в воздухе, ни в атмосфере с низким содержанием кислорода.
2
Степень деградации органического люминофора зависит, помимо прочего, от плотности светового потока, которая, в свою очередь, зависит от конфигурации прибора. Следует заметить, что плотность светового потока 4,2 Вт/см в этом примере выше, чем та, что обычно используется в осветительных приборах на базе светоизлучающих диодов (СИД), содержащих органические люминофорные соединения. Следовательно, в данном примере используются условия ускоренной деградации, и это также предусматривает то, что материал, преобразующий длину волны, на базе Соединения IV в матрице из полиэтилентерефталата (PET) будет иметь срок службы значительно больше 3200 ч в промышленном светоизлучающем устройстве на базе светоизлучающих диодов (СИД).
Специалисту в данной области техники понятно, что данное изобретение никоим образом не ограничивается предпочтительными вариантами осуществления, описанными выше. Напротив, возможны многочисленные модификации и вариации в пределах объема прилагаемой формулы изобретения. Например, отсутствует необходимость в предоставлении уплотненной полости, как описано в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.1. Предполагается, что элемент, преобразующий длину волны, может быть заключен в такую полость, в то время как источник света не заключен в ту же самую полость, а заключен в другую полость или, в качестве альтернативы, не заключен в любую такую полость вообще. Также возможно предоставление светоизлучающего устройства, не имеющего полость 104. В таких вариантах осуществления элемент, преобразующий длину волны, может быть расположен в непосредственном или в косвенном контакте с источником света, например, может быть отделен от источника света светопроводом.