РАССЕЯНИЕ СВЕТА РЕГУЛИРУЕМОЙ ПОРИСТОСТЬЮ В ОПТИЧЕСКОЙ КЕРАМИКЕ ДЛЯ СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИХ ДИОДОВ
LIGHT SCATTERING BY CONTROLLED POROSITY IN OPTICAL CERAMICS FOR LIGHT-EMITTING DIODES

Область техники
Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, включающему, по меньшей мере, один светоизлучающий диод, и, по меньшей мере, один пористый керамический элемент, включающий, по меньшей мере, один материал для преобразования длины волны, причем указанный керамический элемент устраивают так, чтобы принимать свет от указанного светоизлучающего диода; и к способу производства устройства и пористого керамического элемента.
Уровень техники
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие светоизлучающие диоды (СИД), находятся среди самых эффективных и надежных источников света, доступных в настоящее время. Освещение требует источников белого света, в частности источников белого света с высокими цветопередающими свойствами. Различные попытки были сделаны, чтобы изготовить системы освещения, излучающие белый свет, используя СИД как источник излучения.
Одним способом получения белого света является использование синего СИД и конвертирование части излученного света в желтый свет (спектр с длины волны приблизительно 580 нм) с помощью материалов, преобразующих длину волны, таких как, например, люминофоры на основе модифицированного YAG:Ce. Так как желтый свет стимулирует красные и зеленые рецепторы глаза, то смесь синего и желтого света дает появление белого цвета.
Как правило, это делают, устраивая люминофорсодержащий материал, то есть материал, преобразующий длину волны, на СИД таким образом, чтобы часть света, излучаемого СИД, поглощалась люминофорами и испускалась как свет с длиной волны, отличающейся от длины волны поглощенного света.
Однако одной проблемой, связанной с таким устройством, является однородность цвета полученного света. Конверсионную силу материала, преобразующего длину волны, регулирует содержание активатора (например, Ce как в YAG:Ce) и длина пробега синего света, который проходит через керамический элемент. Этот путь зависит от толщины и рассеивания материала, преобразующего длину волны. Как правило, керамический элемент проводит синий свет к краям. Так как в этом направлении длина пробега намного больше, чем тогда, когда бы свет излучался в вертикальном направлении, то получают более высокий коэффициент конверсии и это приводит к образованию так называемого "желтого кольца", если смотрят под большими углами.
Чтобы решить проблему образования желтого кольца и получить ощущение однородности цвета, рассеивание должно иметь место в керамическом элементе.
Патент WO 2006/097876 описывает применение люминофора в поликристаллической керамической структуре и светоизлучающего элемента, имеющего поликристаллическую структуру, включающего СИД, в котором комозитная структура частиц люминофора встроена в матрицу, включающую поликристаллический керамический оксид алюминия.
Патент WO 2006/097876 утверждает, что однородность цвета может быть достигнута введением пор и вторых фаз, которые дают рассеяние света. Пористость не должна превышать 1%, и размеры пор должны быть сохранены малыми, например меньше 300 нм, предпочтительно меньше 50 нм.
В керамике пористость обычно получают, останавливая спекание на промежуточной стадии процесса, чтобы избежать образования устойчивого, полностью плотного керамического материала. Свойством такого процесса является то, что регулирование определенного уровня пористости является трудным делом, поскольку малая разность температур может вызывать большие изменения плотности (и пористости), имеющие последствия для силы конверсии цвета, и, таким образом, однородности цвета. Такие керамические элементы не соответствуют массовому производству.
Следовательно, есть потребность в технологии производить светоизлучающее устройство, которое предотвращает формирование желтого кольца вокруг устройства и которое предусматривает более управляемый и надежный способ достижения желательной пористости во время производства, причем устройство является простым и недорогим, чтобы изготовление предусматривало массовое производство.
Сущность изобретения
Одной целью настоящего изобретения является, по меньшей мере, частично восполнить вышеупомянутую потребность и обеспечить светоизлучающее устройство, которое излучает свет с высокой однородностью цвета, особенно, где избегают выходящего света, приводящего к формированию желтого кольца вокруг светоизлучающего устройства.
Другой целью настоящего изобретения является обеспечить такое светоизлучающее устройство, которое просто и недорого производить, таким образом, давая возможность массового производства таких светоизлучающих устройств.
Эти и другие цели настоящего изобретения достигают светоизлучающим устройством и способами его производства согласно приложенной формуле изобретения.
Таким образом, в первом аспекте настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, включающему, по меньшей мере, один светоизлучающий диод и, по меньшей мере, один пористый керамический элемент. Пористый керамический элемент включает, по меньшей мере, один материал, преобразующий длину волны, и устроен так, чтобы принимать свет от светоизлучающего диода (диодов). Керамический элемент имеет средний диаметр пор от 2 до 10 мкм.
В устройстве по настоящему изобретению свет, который излучается СИД под косыми углами, будет входить в пористый керамический элемент и будет рассеиваться порами, обеспеченными там. Функция пор - быть центрами рассеивания, и в результате синее первичное излучение и желтое вторичное излучение смешиваются однородно. Следовательно, получают ощущение однородного цвета, и формирование желтого кольца на краях устройства предотвращается.
Средний интервал диаметров пор от 2 до 10 мкм обеспечивает желательное рассеивание, тем самым приводя к однородному излучению света. Другое преимущество этого среднего интервала диаметров пор состоит в том, что регулированная пористость может быть получена во время стадии спекания производственного процесса. Обычно эта стадия является критической стадией, так как поры с диаметром меньше, чем описанный интервал, трудно поддерживать в керамическом материале при спекании.
В вариантах изобретения керамический элемент образуют из керамических частиц, имеющих средний размер частиц 5-10 мкм.
Для керамических элементов, образованных из керамических частиц, имеющих вышеупомянутый размер частиц, средний диаметр пор составляет предпочтительно больше, чем 2 мкм. Это имеет место вследствие того факта, что поддержание пористости во время спекания является трудным и ненадежным делом, так как поры меньше чем приблизительно 2 мкм трудно поддерживать. С другой стороны, если средний диаметр превышает 10 мкм, большая степень света рассеивается в обратном направлении, то есть к светоизлучающему диоду (диодам), так что эффективность светового выхода снижается.
Следовательно, средний диаметр пор от 2 до 10 мкм согласно настоящему изобретению предусматривает компромисс между достигнутой однородностью цвета и световой отдачей, которая снижается вследствие обратного рассеяния.
Рассеивание, полученное с порами вышеупомянутого интервала среднего диаметра, приводит к повышенной конверсии синего света в желтый свет таким образом, что угловая однородность цвета и эффективность светового излучения все еще является достаточной.
Предпочтительно, диаметр пор указанного керамического элемента составляет от 2 до 5 мкм. В пределах этого интервала потеря света вследствие обратного рассеяния снижается далее.
В одном варианте настоящего изобретения пористость керамического элемента находится в интервале от 1,5 до 5% по объему. Пористость в пределах этого интервала может быть легко получена во время производства и остается постоянной во время заключительной стадии спекания.
Кроме того, интервал пористости от 1,5 до 5% приводит к желательному рассеиванию и предотвращает образование желтого кольца вокруг светоизлучающего устройства.
Во втором аспекте настоящее изобретение относится к способу производства светоизлучающего устройства, включающему:
обеспечение суспензии, включающей керамические частицы, по меньшей мере, одного материала, преобразующего длину волны, и полимерные частицы, имеющие диаметр от 2 до 10 мкм;
образование керамического материала из указанной суспензии;
удаление указанных полимерных частиц из указанного керамического материала, чтобы обеспечить пористый керамический элемент, имеющий средний диаметр пор от 2 до 10 мкм; и
монтаж указанного пористого керамического элемента, чтобы получать свет от, по меньшей мере, одного светоизлучающего диода.
Способ по изобретению прост и недорог и, таким образом, дает возможность массового производства светоизлучающих устройств.
Важным преимуществом способа по изобретению является то, что он нацелен на желательное рассеивание регулируемой пористостью спеченного керамического материала. Соответственно, регулируемая пористость может быть достигнута в финальной стадии спекания, избегая необходимости использовать частичное спекание.
Способ по изобретению делает возможным точно регулировать пористость (и рассеяние) до требуемого количества. В вариантах изобретения керамические материалы имеют средний размер частиц от 5 до 10 мкм.
В предпочтительном варианте изобретения полимерные частицы имеют средний диаметр от 2 до 5 мкм, обеспечивая поры в керамическом элементе, имеющие, по существу, тот же самый средний диаметр. В пределах этого интервала меньше света теряется вследствие обратного рассеяния.
В вариантах осуществления полимерные частицы включают, например, полистирол или полиакрилат. Такие полимеры могут быть легко диспергированы и полностью удаляются при термообработке.
В способе выше полимерные частицы удаляют, подвергая указанный керамический (зеленый) материал термообработке при температуре до 1000°C. Тем самым полимерные частицы и материал связующего компонента, если таковой вообще имеется, удаляют из керамического материала.
Пористый керамический элемент, полученный в стадии (c), может затем быть подвергнут термообработке при температуре выше 1000°C такой, что обеспечивает стабильный и максимально уплотненный пористый керамический элемент, имеющий средний диаметр пор от 2 до 10 мкм. Во время этой стадии процесса смесь спекают таким образом, что керамические частицы сплавляются. Следовательно, таким образом, получают конечный керамический элемент, включающий поры, имеющие средний диаметр пор от 2 до 10 мкм, причем указанный пористый керамический элемент является твердым и максимально уплотненным.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает очень надежный способ достичь желательной пористости, и, следовательно, определенно настроенный уровень рассеивания в спеченном керамическом люминофоре может быть реализован.
В третьем аспекте настоящее изобретение относится к производству керамического элемента, включающему:
обеспечение суспензии, включающей керамические частицы, по меньшей мере, одного материала, преобразующего длины волн, и полимерные частицы, имеющие диаметр от 2 до 10 мкм;
образование керамического материала из указанной суспензии;
удаление указанных полимерных частиц из указанного керамического материала, чтобы обеспечить пористый керамический элемент, имеющий средний диаметр пор от 2 до 10 мкм.
Такой керамический элемент может быть произведен заранее и позже смонтирован на светоизлучающих диодах с образованием светоизлучающего устройства. Это облегчает массовое производство светоизлучающих устройств по настоящему изобретению.
Эти и другие аспекты изобретения будут очевидны и выявлены в отношении варианта (вариантов), описанного в дальнейшем.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 является схемой, поясняющей светоизлучающее устройство по настоящему изобретению.
Фиг.2 показывает отклонение координаты v' цвета как функции угла наблюдения для светоизлучающего устройства, включающего условный керамический элемент (фиг.2a) по сравнению с изобретательским светоизлучающим устройством, включающим пористый керамический элемент (фиг.2b).
Фиг.3 показывает способ производства светоизлучающего устройства по изобретению.
Фиг.4a показывает микроструктуру керамического элемента после спекания, который не был подвергнут изобретательскому способу производства.
Фиг.4b показывает микроструктуру керамического элемента после спекания, который был подвергнут изобретательскому способу производства.
Фиг.5a показывает пористость керамического пористого элемента в зависимости от концентрации полимерных частиц.
Фиг.5b показывает пропускание керамического пористого элемента в зависимости от концентрации полимерных частиц.
Подробное описание вариантов изобретения
Настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, включающему, по меньшей мере, один светоизлучающий диод и, по меньшей мере, один пористый керамический элемент, включающий, по меньшей мере, один материал, преобразующий длину волны, и способы производства светоизлучающего устройства и пористого керамического элемента.
Один вариант конструкции светоизлучающего устройства 100 согласно настоящему изобретению показан на фиг.1. Светоизлучающее устройство 100 включает, по меньшей мере, один светоизлучающий диод 101 и, по меньшей мере, один пористый керамический элемент 102. Пористый керамический элемент 102 устроен так, чтобы принимать свет от светоизлучающего диода 101. Керамический элемент 102 имеет керамическую микроструктуру, характеризующуюся средним диаметром пор от 2 до 10 мкм.
Пористый керамический элемент 102 получает свет, излучаемый светоизлучающим диодом (диодами) 101, и преобразует его в свет с более длинной длиной волны.
Пористый керамический элемент 102 служит элементом, преобразующим длину волны, и является самонесущим. Такой самонесущий керамический элемент может быть массово производен в большом объеме, дополнен включенными порами и может затем на более поздней стадии быть установлен на светоизлучающем устройстве по изобретению. Кроме того, керамический элемент является устойчивым к воздействию температуры, окисления и излучения и не будет ухудшаться, когда подвергается действию тепла, кислорода и(или) света. Керамический элемент по настоящему изобретению имеет высокий показатель преломления, увеличивающий взаимодействие света в элементе преобразования длины волны.
Обычно пористый керамический элемент является чрезвычайно прозрачным.
Предпочтительно, СИД 101 является диодом, излучающим синий свет, а керамический элемент адаптирован, чтобы поглощать синий свет, излучая желтый свет. Комбинированное испускание неконвертированного синего излучения СИД и желтого конвертированного света производит ощущение белого света.
При контакте с порами 103 в керамическом материале свет будет рассеиваться в различных направлениях (показано стрелками на фиг.1), а испускаемый свет 104 был эффективно преобразован материалом, преобразующим длину волны в пористом керамическом элементе 103, таким образом, что получают ощущение однородного цвета.
В вариантах конструкции изобретения керамический элемент образуют из керамических частиц, имеющих средний размер частиц 5-10 мкм.
Таким образом, средний диаметр пор 103 должен быть в пределах интервала от 2 до 10 мкм. Если поры являются слишком малыми, то есть меньше чем приблизительно 2 мкм, керамическому элементу трудно оставаться стабильным, то есть сохранять поры во время заключительного этапа производственного процесса, которым является спекание при высокой температуре. Поры со средним диаметром ниже 2 мкм, вероятно, исчезают во время этой стадии.
Однако если поры 103 являются слишком большими, то есть больше чем 10 мкм, свет, излучаемый СИД 101, может быть рассеян в обратном направлении, то есть в направлении к светоизлучающему диоду (диодам) 101, приводя к потере света и эффективности устройства.
Соответственно, основной проблемой является найти компромисс между однородностью цвета, достигаемой за счет увеличения числа и размера пор, и световой отдачей, которая снижается вследствие обратного рассеяния.
Вышеупомянутый целевой интервал среднего диаметра пор 2-10 мкм решает эту задачу и является оптимальным для рассеивания, в то время как поры сохраняются в пределах керамического элемента во время производства. Соответственно, образование желтого кольца также предотвращается, как показано на фиг.2.
Светоизлучающее устройство, включающее пористый керамический элемент, обеспечивает почти постоянное значение координаты v' цвета по углу наблюдения (фиг.2a), тогда как светоизлучающее устройство, включающее обычный керамический элемент, характеризуется более высокими v' (цвет кажется более желтоватым) под большими углами.
Пористый керамический элемент светоизлучающего устройства по изобретению может быть точно настроен и отрегулирован во время способа производства керамики.
В предпочтительном варианте конструкции средний диаметр пор пористого керамического элемента составляет от 2 до 5 мкм. В пределах этого интервала меньше света теряется вследствие обратного рассеивания.
В вариантах изобретения пористость керамического элемента составляет между 1,5 и 5%. Пористость в пределах этого интервала может быть легко получена во время производства и остается постоянной во время заключительной стадии спекания. Кроме того, интервал пористости от 1,5 до 5% приводит к желательному рассеиванию и предотвращает образование желтого кольца вокруг светоизлучающего устройства.
Используемый здесь термин "пористость" определяют как безразмерное число, представляющее часть полного объема изделия, которая занята порами.
3
5
12
3
5
12
3
5
12
3+
Керамический элемент по настоящему изобретению может включать любой материал, преобразующий длину волны, обычно используемый в технологии. Обычно применяют люминофор типа алюмоиттриевого граната АИГ (YAG, основная формула: YAIO), допированный Ce. Предпочтительно, материал, преобразующий длину волны, является неорганическим материалом, преобразующим длину волны. Примеры включают, но не ограничиваются ими, YAG:Ce, YAG(Gd):Ce (основная формула: (Y,Gd)AIO), LuAG:Ce (основная формула: LuAIO), Sr-SiNO:Eu (оксинитридный люминофор) или (BaSr)SiN:Eu (нитридный люминофор) в качестве основных материалов и любую комбинацию двух или больше из них.
В вариантах конструкции керамический элемент включает больше, чем один материал, преобразующий длину волны.
Термин "материал, преобразующий длину волны", как используют здесь, относится к материалу, который поглощает свет первой длины волны и испускает свет второй, более длинной, длины волны. После поглощения света электроны в материале становятся возбужденными до более высокого энергетического уровня. После релаксации назад с более высоких энергетических уровней избыточная энергия выделяется из материала в форме света, имеющего более длинную длину волны, чем поглощенный свет. Следовательно, термин относится как к флуоресцентному, так и к фосфоресцентному преобразованию длины волны.
Настоящее изобретение также относится к способу производства светоизлучающего устройства, включающему:
обеспечение суспензии, включающей керамические частицы, по меньшей мере, одного материала, преобразующего длину волны, и полимерные частицы, имеющие диаметр от 2 до 10 мкм;
образование керамического материала из указанной суспензии;
удаление указанных полимерных частиц из указанного керамического материала, чтобы обеспечить пористый керамический элемент, имеющий средний диаметр пор от 2 до 10 мкм; и
установку указанного пористого керамического элемента, чтобы получать свет от, по меньшей мере, одного светоизлучающего диода.
В настоящем изобретении указанную суспензию получают, смешивая керамические частицы материала, преобразующего длину волны, и полимерные частицы, имеющие средний диаметр от 2 до 10 мкм, если требуется, с любым другим подходящим средством, таким как связующий компонент, диспергирующее средство, противопенное средство, разделительное средство и(или) пластификатор. Средний размер керамических частиц обычно составляет от 5 до 10 мкм.
Как упомянуто ранее, средний диаметр пор в пределах интервала от 2 до 10 мкм предпочтителен, так как это дает желательный эффект рассеивания в пределах пористого керамического элемента, и пористость устройства будет регулироваться во время производства. Обычные способы остановки спекания на промежуточной стадии производственного процесса не позволяют регулировать конкретный уровень пористости или конкретный средний диаметр пор. Это является следствием того, что малая разность температур во время обжига может вызвать большие изменения пористости, имеющие последствия для однородности цвета. Частичное спекание, например, путем снижения температуры спекания может привести к большому изменению пористости в спекаемом наборе образцов и даже в единственном образце вследствие температурных градиентов, типичных для промышленных печей спекания. Полимерные частицы, имеющие средний диаметр от 2 до 5 мкм, образуют особенно предпочтительный вариант изобретения.
В вариантах настоящего изобретения полимерные частицы включают полистирол или полиакрилат, но настоящее изобретение не ограничивается ими. Любой полимер, который может быть суспендирован в воде или органическом растворителе, может использоваться в настоящем изобретении.
Керамический материал затем образуют первым гранулированием керамической суспензии, включающей полимерные частицы, и затем формированием керамического материала, то есть пластинки, включающей керамический материал, преобразующий длину волны. Любой обычный способ образования такой керамической пластинки может использоваться, например, прессование, шликерное литье, пленочное литье, прессование между валиками, экструдирование или литье под давлением.
Необязательно керамическая пластинка может быть высушена, чтобы удалить любую жидкость, остающуюся в керамическом материале.
Полимерные частицы после этого удаляют, подвергая керамический (зеленый) материал термообработке. Термин "удаление" полимерных частиц означает, что полимерные частицы разлагаются или окисляются в результате термообработки. Следовательно, они по существу исчезают из керамического материала, оставляя открытые поры на своем месте.
Как показано на фиг.3, керамический материал, то есть керамическую пластинку 300, включающую полимерные частицы 301, подвергают термообработке таким образом, что получают пористый керамический элемент 302. Пористый керамический элемент 302 включает поры 303, имеющие средний диаметр пор от 2 до 10 мкм. Эти поры остаются после термообработки.
Как правило, эту термообработку выполняют при температуре до 1000°C, предпочтительно при температуре до 500°C в зависимости от температуры разложения или окисления используемого полимера. Во время этой стадии полимерные частицы 301 и любые связующие материалы, добавленные в вышеупомянутом процессе, удаляют из керамического материала 300, обеспечивая поры 303, имеющие средний диаметр пор от 2 до 10 мкм, обычно от 2 до 5 мкм.
Способ по изобретению обычно включает дополнительную стадию термообработки указанного пористого керамического элемента при температуре выше 1000°C после стадии (c). После термообработки получают твердый и максимально уплотненный пористый керамический элемент, включающий материал, преобразующий длину волны. Как правило, эту термообработку выполняют при температуре выше 1000°C, например, между 1600°C и 1700°C для YAG:Ce. Во время этой стадии способа керамический материал спекается таким образом, что керамические частицы сплавляются, тем самым обеспечивая конечный пористый керамический элемент, который является твердым и уплотненным до максимального значения. Вторая термообработка, то есть спекание, может быть выполнена, например, на воздухе или в атмосфере азота или в любой другой подходящей атмосфере спекания.
Фиг.4 показывает различие в микроструктуре керамического элемента, который был подвергнут изобретательскому способу (фиг.4b), по сравнению с обычным спеканием без использования полимерных частиц (фиг.4a). Как может быть замечено на фиг.4b, поры остаются после стадии спекания. После этого пластинки могут быть выращены до желательной толщины и могут также быть нарезаны на множество пористых керамических элементов.
Пористый керамический элемент затем устанавливают на, по меньшей мере, одном светоизлучающем устройстве, то есть устраивают так, чтобы принимать свет от светоизлучающего диода (диодов). Это может быть сделано немедленно после вышеупомянутых стадий (a)-(c). Альтернативно произведенные пористые керамические элементы хранят какое-то время, прежде чем устанавливать их на СИД.
Что касается фиг.5a и 5b, пористость и, следовательно, также пропускание пористого керамического элемента зависит от количества полимерных добавленных частиц. Графики на фиг.5a и 5b показывают, что пористость может быть точно настроена и отрегулирована взвешиванием средства для используемого количества образцов.Элемент, преобразующий длину волны, устраивают так, чтобы принимать свет от СИД, обычно посредством соединяющего слоя, как обычно известно специалистам в технологии. В дальнейшем аспекте настоящего изобретения предложен способ производства керамического элемента. Такой способ включает:
обеспечение суспензии, включающей керамические частицы, по меньшей мере, одного материала, преобразующего длину волны, и полимерные частицы, имеющие диаметр от 2 до 10 мкм;
образование керамического материала из указанной суспензии; и
удаление указанных полимерных частиц из указанного керамического материала, чтобы обеспечить пористый керамический элемент, имеющий средний диаметр пор от 2 до 10 мкм; и
установку указанного пористого керамического элемента так, чтобы получать свет от, по меньшей мере, одного светоизлучающего диода.
Подводим итог: настоящее изобретение относится к светоизлучающему устройству, включающему, по меньшей мере, один светоизлучающий диод и, по меньшей мере, один пористый керамический элемент, который керамический элемент монтирует так, чтобы получать свет от светоизлучающего диода (диодов). Настоящее изобретение также относится к способам производства светоизлучающего устройства и пористого керамического элемента.
В то время как изобретение показано и описано подробно на чертежах и в предшествующем описании, такие чертежи и описание нужно считать иллюстративными или типичными, а не ограничивающими; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами.
Другие изменения раскрытых вариантов могут быть поняты и произведены специалистами в технологии при осуществлении заявленного изобретения из изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. Например, настоящее изобретение не ограничивается использованием синего СИД. Кроме того, другие типы СИД с различным цветом и комбинациями длин волн могут использоваться.
Кроме того, элемент, преобразующий длину волны, не ограничивается применением к конкретному типу СИД, но может быть применен ко всем типам доступных СИД.
Способ производства элементов, преобразующих длину волны, из пластинки, включающей материал, преобразующий длину волны, не ограничивается конкретной толщиной или размером пластинки, но может быть изменен для различных приложений.
Далее единственный элемент, преобразующий длину волны, может быть устроен для нескольких светоизлучающих диодов для преобразования света из больше чем одного СИД.