БЕЛОЕ СВЕТОДИОДНОЕ УСТРОЙСТВО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC WHITE LIGHT-EMITTING DIODE DEVICE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к белому светодиодному (LED, от англ. Light-Emitting Diode) устройству переменного тока (АС, от англ. Alternate Current), которое относится к области техники, связанной с производством белых светодиодов, и к белому светодиодному устройству переменного тока, изготовленному с использованием светоизлучающего материала, имеющего специфическое время жизни излучения.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
3
5
12
3
5
12
3+
3+
В настоящее время светодиоды используют в областях освещения, отображения информации, подсветки и т.п., и они привлекают большое внимание в связи с такими их преимуществами, как экономия энергии, долговечность и отсутствие загрязнений окружающей среды. Существует много технических решений для получения белых светодиодов, и в настоящее время наиболее зрелым техническим решением, относящимся к производству белых светодиодов, является обеспечение излучения белого света путем сочетания синего светодиодного чипа с желтым флуоресцентным порошком. В журнале Appl. Phys. Lett., выпущенном в 1967 г. (см. том 11, с.53), описан светоизлучающий материал YAlO:Се, который излучает желтый свет с максимальной длиной волны излучения, равной 550 нм, и с временем жизни излучения менее 100 не. В журнале Appl. Phys. А, выпущенном в 1997 г. (см. том 64, с.417), указано, что белое светоизлучение светодиода получено с использованием желтого света, излучаемого YAlO:Се, и синего света, излучаемого нитридом галлия, что в настоящее время является наиболее зрелым техническим решением для производства белых светодиодов. Однако в практических применениях при повышении температуры рабочего устройства сила света синего светодиодного чипа и флуоресцентного порошка снижается, причем сила света флуоресцентного порошка снижается значительно, что влияет на использование светодиода.
Стандартный светодиод работает на постоянном токе (DC), однако в большинство жилых домов, промышленных, коммерческих или общественных зданий электричество подают в форме переменного тока, поэтому при использовании светодиода для освещения и т.п. к нему должен прилагаться выпрямляющий трансформатор для преобразования переменного тока в постоянный. Однако в процессе преобразования переменного тока в постоянный ток происходит потеря мощности, достигающая 15-30%. Кроме того, преобразующее устройство имеет короткий срок службы и высокую стоимость, поскольку для установки оно требует больших трудозатрат и длительного времени, так что его экономическая эффективность низка.
2
3
2
3
2
В Американском патенте US 7489086 B2 «Светоизлучающий диод переменного тока, способы его приведения в действие и аппаратура» предложено светодиодное устройство переменного тока, которое обеспечивает работу интегрального корпусного светодиодного устройства при частоте, превышающей 100 Гц, так что стробоскопический эффект светоизлучения светодиодного устройства во время работы на переменном токе компенсируется зрительным эффектом послесвечения в невооруженном глазу. В Китайском патентном документе CN 200910307357.3 описаны светоизлучающий материал YO·AlO·SiO:Ce·B·Na·P с длительным феноменом желтого послесвечения и белое светодиодное устройство, в котором использован этот материал.
2
В Китайском патенте CN 100464111 C описана светодиодная лампа переменного тока, в которой использованы светодиодные чипы, излучающие свет различных цветов и подключенные параллельно к источнику переменного тока; в этом патенте преимущественно описаны различные цвета светодиодных чипов, используемые совместно для излучения белого света, и конкретные схемы их соединения, например - красные, зеленые и синие светоизлучающие чипы. В Международной патентной заявке WO 2004/023568 A1 «Светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающие элементы» предложено монтировать множество мелких матриц из светодиодных чипов на сапфировой подложке с получением светоизлучающего устройства, которое может быть приведено в действие источником переменного тока. На основании сходных идей южнокорейская компания Seoul Semiconductor и Тайваньский институт исследования промышленных технологий (Industrial Technology Research Institute of Taiwan) интегрировали множество супермелких светоизлучающих кристаллов на подложке и назвали это устройство светодиодным чипом переменного тока. Основой вышеуказанной технологии светодиодов переменного тока является технология обработки интегральных микросхем, состоящая в интегрировании совокупности микрокристаллов, например - в светодиодном чипе переменного тока, изготовленном Тайваньским институтом исследования промышленных технологий, интегрированы сотни крошечных светодиодов на площади, равной 1 мм. Однако светодиодный чип переменного тока трудно обрабатывать, и при интегрировании большого количества микрочипов в узком пространстве подложки возникают проблемы, например - связанные с плохой диссипацией тепла.
Специалисты в данной области техники прилагают постоянные усилия, чтобы обеспечить преодоление стробоскопического эффекта, возникающего в белом светодиодном устройстве в режиме питания переменным током, и улучшить диссипацию тепла.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Техническая проблема, которую необходимо решить в настоящем изобретении, состоит в обеспечении нового белого светодиодного устройства, позволяющего преодолеть ряд недостатков, таких как стробоскопический эффект в режиме питания переменным током и проблемы с диссипацией тепла у существующих белых светодиодных устройств.
Технические решения согласно настоящему изобретению включают белый светоизлучающий диодный (LED) элемент, содержащий светодиодный чип и светоизлучающий материал, способный излучать свет при возбуждении светодиодным чипом, характеризующийся тем, что светодиодный чип содержит только один светоизлучающий p-n-переход, время жизни светового излучения светоизлучающего материала составляет от 1 до 100 мс, световая яркость чипа с отключенным электропитанием при непостоянном токе компенсируется послесвечением светоизлучающего материала, а свет, излучаемый светодиодным чипом, смешивается со светом, излучаемым светоизлучающим материалом, с получением белого света.
Также объектом изобретения является белый светодиодный элемент, содержащий светодиодный чип и светоизлучающий материал, способный излучать свет при возбуждении светодиодным чипом, характеризующийся тем, что светодиодный чип содержит только один светоизлучающий p-n-переход, время жизни светового излучения светоизлучающего материала составляет от 10 до 30 мс, а свет, излучаемый светодиодным чипом, смешивается со светом, излучаемым светоизлучающим материалом, с получением белого света.
Согласно определению люминесценции, время жизни излучения светоизлучающего материала - это время снижения интенсивности свечения материала до 1/е от максимальной интенсивности при возбуждении.
Белый светодиодный элемент приводится в действие переменным током (АС) с частотой, не превышающей 100 Гц, предпочтительно - от 50 до 60 Гц. Световая яркость чипа с отключенным электропитанием при непостоянном токе может быть компенсирована послесвечением светоизлучающего материала, так что питание переменным током является более практичным.
Белый светодиодный элемент согласно настоящему изобретению исключает стробоскопический эффект, вызванный питанием переменным током, при использовании стандартного светодиодного чипа с одним p-n-переходом, в отличие от светодиодного чипа переменного тока согласно предшествующему уровню техники, в котором интегрировано множество микрокристаллов, так что его производство является простым, а стоимость низка.
При этом свет, излучаемый светодиодным чипом, является ультрафиолетовым излучением в диапазоне длин волн от 200 нм до 380 нм или видимым светом в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм.
В настоящем изобретении светоизлучающий материал излучает свет при возбуждении его светодиодным чипом, и общий визуальный эффект излучаемого света является белым светом, или общий визуальный эффект света, излучаемого светоизлучающим материалом, и света, излучаемого чипом, является белым светом.
2+
2+
3+
3+
2+
3+
3+
3+
3+
2+
3+
3+
2+
2+
3+
2+
3+
3+
2+
2+
3+
3+
2+
2+
2+
3+
2+
2+
3+
3+
3+
3+
3+
3+
3+
2+
3+
2+
3+
3+
2+
2+
3+
3+
3+
3+
2
2+
2+
2+
3+
3+
2+
3+
3+
2+
3+
2+
3+
2+
5+
3+
2+
2+
2
2
4
2
3
3
2
4
3
4
2
4
2
4
2
4
4
14
25
4
14
25
2
4
2
4
3
5
10
17
2
2
2
2
5
2
4
3
5
12
2
4
15
36
3
2
2
7
2
2
7
2
2
7
2
3
2
6
11
2
4
2
4
4
14
25
10
4
6
2
2
2
7
2
2
7
3
4
2
2
2
2
2
2
4
2
2
4
2
2
4
3
3
Светоизлучающий материал является по меньшей мере одним материалом, выбранным из CaS:Eu; CaS:Bi, Tm; ZnS:Tb; CaSrS:Eu, Dy; SrGaS:Dy; GaO:Eu; (Y,Gd)BO:Eu; ZnSiO:Mn; YBO:Tb; Y(V,P)O:Eu; SrAlO:Eu; SrAlO:Eu, B; SrAlO:Eu, Dy, B; SrAlO:Eu; SrAlO:Eu, Dy, В; BaAlO:Eu; CaAlO:Eu; SrSiO:Eu, Dy; BaMgAlO:Eu, Mn; Tb(acac)(AA)phen; YOS:Eu; YSiO:Tb; SrGaS:Ce; Y(Al,Ga)O:Tb; CaZnTiO:Pr; CaTiO:Pr; ZnPO:Tm; CaPO:Eu, Y; SrPO:Eu, Y; LuO:Tb; SrAlO:Eu; MgSnO:Mn; CaAlO:Ce, Tb; SrAlO:Tb; Ca(PO)(F,Cl):Sb, Mn; SrMgSiO:Eu; SrCaSiO:Eu; Zn(PO):Mn, Ga; CaO:Eu; YOS:Mg, Ti; YOS:Sm; SrMg(PO):Eu, Gd; BaMg(PO):Eu, Gd; ZnSiO:Mn, As; CdSiO:Dy; MgSiO:Eu и Mn.
2
2
7
2
2
7
4
14
25
2
4
2
4
2
2
7
2
2
4
14
25
3
4
2
2+
3+
2+
3+
2+
3+
3+
2+
3+
3+
2+
5+
3+
3+
3+
2+
3+
2+
Предпочтительный светоизлучающий материал является по меньшей мере одним материалом, выбранным из CaPO:Eu, Y; SrPO:Eu, Y; SrAlO:Eu, Dy, В; SrAlO:Eu, Dy, В; ZnSiO:Mn, As; ZnPO:Tm; YOS:Eu; SrAlO:Tb; Zn(PO):Mn, Ga и CaS:Eu.
В белом светодиодном элементе согласно настоящему изобретению каждый светодиодный чип содержит только один светоизлучающий p-n-переход.
Белое светодиодное устройство согласно настоящему изобретению содержит белый светодиодный элемент и схему запуска. Схема запуска, питаемая переменным током, является однонаправленной последовательной схемой, обратной параллельной схемой или схемой мостового выпрямителя, как показано на Фиг. с 1 по 4, или произвольными комбинациями этих схем. Рабочая частота схемы запуска, питаемой переменным током, не превышает 100 Гц.
Кроме того, белое светодиодное устройство согласно настоящему изобретению дополнительно содержит световодный покровный слой, который представляет собой непланарную световодную структуру. Проходя через световодный покровный слой, свет, испущенный светодиодным чипом, и свет, испущенный светоизлучающим материалом, отражаются, преломляются, рассеиваются, отклоняются и в конечном итоге смешиваются с получением равномерного света на выходе. При этом световодный покровный слой является линзой или другим прозрачным покровным слоем, в который могут быть добавлены частицы несветоизлучающего материала с диаметром менее 5 мкм, чтобы свет из чипа рассеивался более равномерно.
Настоящее изобретение имеет следующие полезные эффекты.
В белом светодиодном устройстве согласно предшествующему уровню техники в качестве светоизлучающего материала использован YAG:Се, который вызывает стробоскопический эффект из-за периодических изменений переменного тока при частотах менее 100 Гц. В настоящем изобретении светоизлучение может поддерживаться при исчезновении источника света, поскольку использован светоизлучающий материал со специфическим временем жизни излучения; соответственно, в белом светодиодном устройстве переменного тока, основанном на техническом решении согласно настоящему изобретению, при периодическом изменении тока светоизлучение светоизлучающего материала может поддерживаться в течение определенной доли периода, что компенсирует стробоскопический эффект светодиодного чипа, вызванный флуктуацией переменного тока, и поддерживает стабильный световой выход белого светодиодного устройства в течение всего периода переменного тока. Кроме того, поскольку светодиодный чип не работает в течение половины периода переменного тока, то снижается тепловой эффект, что полезно для преодоления ряда трудностей, связанных с нагреванием чипа в белом светодиодном устройстве согласно предшествующему уровню техники.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Фиг.1 представляет собой принципиальную схему однонаправленной последовательной схемы белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 представляет собой принципиальную схему обратной параллельной схемы белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению;
Фиг.3 представляет собой принципиальную схему схемы мостового выпрямителя, содержащей нормально проводящий светодиодный чип белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению;
Фиг.4 представляет собой принципиальную схему схемы мостового выпрямителя, не содержащей нормально проводящего светодиодного чипа белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению;
Фиг.5 представляет собой принципиальную схему строения белого светодиодного элемента, где цифрой 1 обозначен светоизлучающий материал или светоизлучающий слой, изготовленный из светоизлучающего материала и прозрачной среды, а цифрой 2 обозначен светодиодный чип; и
Фиг.6 изображает цветовые точки из Примеров с 1 по 8 на хроматической диаграмме CIE1931, причем цифры с 1 по 8 относятся к Примерам с 1 по 8 соответственно.
Изложенная выше сущность настоящего изобретения далее будет описана более подробно на основании вариантов осуществления изобретения. Однако не следует считать, что объем настоящего изобретения ограничен этими вариантами. Любая технология, разработанная на основании изложенной выше сущности настоящего изобретения, входит в объем настоящего изобретения. В частности, это касается строения базовой схемы, поскольку в вариантах осуществления настоящего изобретения приведена лишь простейшая обратная параллельная схема, однако белое светодиодное устройство переменного тока не ограничено этой схемой и включает также, например, однонаправленную последовательную схему и схему мостового выпрямителя.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В Примерах с 1 по 8 стробоскопический эффект преодолен за счет осуществления белого светодиодного устройства, изготовленного из светоизлучающего материала, указанного в Таблице 1, и коммерческого нормального светодиодного чипа, выполненного с использованием обычной корпусной технологии, без использования интегрального чипа, предназначенного для светодиода переменного тока.
Примеры с 1 по 8
Таблица 1
Пример
Светодиодный чип (длина волны излучения)
Светоизлучающий материал
Время жизни излучения светоизлучающего материала (мс)
1
Ультрафиолетовое излучение (254 нм)
45 масс.% Zn<sub>2</sub>P<sub>2</sub>O<sub>7</sub>:Tm<sup>3+</sup>
10
55 масс.% Zn<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>:Mn<sup>2+</sup>, Ga<sup>3+</sup>
2
Ультрафиолетовое излучение (254 нм)
CaAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>:Dy<sup>3+</sup>
25
3
Ультрафиолетовое излучение (310 нм)
15 масс.% Sr<sub>2</sub>P<sub>2</sub>O<sub>7</sub>:Eu<sup>2+</sup>, Y<sup>3+</sup>
30
30 масс.% Sr<sub>4</sub>Al<sub>14</sub>O<sub>25</sub>:Eu<sup>2+</sup>, Dy<sup>3+</sup>, B<sup>3+</sup>
15 масс.% Ca<sub>4</sub>O(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>:Eu<sup>2+</sup>,
40 масс.% Zn<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>:Mn<sup>2+</sup>, Ga<sup>3+</sup>
4
Ультрафиолетовое излучение (365 нм)
10 масс.% Sr<sub>2</sub>P<sub>2</sub>O<sub>7</sub>:Eu<sup>2+</sup>, Y<sup>3+</sup>
14
30 масс.% Sr<sub>4</sub>Al<sub>14</sub>O<sub>25</sub>:Eu<sup>2+</sup>
60 масс.% Y<sub>2</sub>O<sub>2</sub>S:Eu<sup>3+</sup>
5
Пурпурный свет (400 нм)
50 масс.% SrMg<sub>2</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>:Eu<sup>2+</sup>, Gd<sup>3+</sup>
4
50 масс.% Ca<sub>4</sub>O(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>:Eu<sup>2+</sup>
6
Пурпурный свет (400 нм)
40 масс.% Sr<sub>4</sub>Al<sub>14</sub>O<sub>25</sub>:Eu<sup>2+</sup>
1
60 масс.% Y<sub>2</sub>O<sub>2</sub>S:Eu<sup>3+</sup>
7
Синий свет      (450 нм)
30 масс.% SrAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>:Eu<sup>2+</sup>, B<sup>3+</sup>
100
70 масс.% CaS.-Eu<sup>2+</sup>
8
Синий свет (460 нм)
60 масс.% Y<sub>2</sub>O<sub>2</sub>S:Mg<sup>2+</sup>, Ti<sup>3+</sup>
48
40 масс.% SrAl<sub>2</sub>O<sub>4</sub>:Eu<sup>2+</sup>
Сравнительный пример 1
Люминесцентные свойства белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению
В Таблице 2 приведены значения световой яркости в течение 20 мс фотовспышки на основе белого фотодиодного устройства переменного тока, приводимого в действие переменным током с частотой 50 Гц, полученные с помощью высокоскоростной исследовательской камеры Samoff CAM512, которая делает 300 фотоснимков в секунду. Эталон 1 - это белое светодиодное устройство переменного тока, изготовленное так же, как в примерах с 1 по 8, с использованием коммерческого чипа, излучающего синий свет с длиной волны 460 нм и покрытого светоизлучающим материалом YAG:Се, излучающим желтый свет (время жизни излучения равно 100 не). Эталон 2 - это белое светодиодное устройство переменного тока, изготовленное так же, как в примерах с 1 по 8, с использованием коммерческого чипа, излучающего синий свет с длиной волны 460 нм и покрытого светоизлучающими материалами с длительным временем жизни излучения SrA1204:Eu, Dy и Y2O2S: Eu, Mg, Ti (время жизни излучения больше 1 с). Данные по яркости в Таблице 2 - это относительная яркость, являющаяся безразмерной величиной.
Таблица 2
Время
3,33 мс
6,66 мс
9,99 мс
13,32 мс
16,65 мс
19,98 мс
Яркость эталона 1
2265
3466
0
2153
3570
0
Яркость эталона 2
746
998
670
702
965
712
Яркость Примера 1
2931
3025
1455
3187
3443
1665
Яркость Примера 2
3140
3373
1654
2884
3437
1877
Яркость Примера 3
3200
3423
1506
3135
3362
1656
Яркость Примера 4
2910
3190
1652
2723
3245
1850
Яркость Примера 5
2250
2734
1468
2114
2800
1420
Яркость Примера 6
2109
2636
1150
2213
2858
1163
Яркость Примера 7
2017
2420
1569
2115
2654
1510
Яркость Примера 8
1879
2000
1270
1746
2123
1303
В Таблице 3 приведены нормализованные значения максимальной световой яркости всех образцов из примеров, приведенных в Таблице 2.
Таблица 3
ВремяНормализованное отношение яркостей
3,33 мс
6,66 мс
9,99 мс
13,32 мс
16,65 мс
19,98 мс
Эталон 1
0,63445
0,97087
0
0,60308
1
0
Эталон 2
0,74749
1
0,67134
0,70341
0,96693
0,71343
Пример 1
0,85129
0,87859
0,4226
0,92565
1
0,48359
Пример 2
0,91359
0,98138
0,48123
0,8391
1
0,54612
Пример 3
0,93485
1
0,43996
0,91586
0,98218
0,48379
Пример 4
0,89676
0,98305
0,50909
0,83914
1
0,57011
Пример 5
0,80357
0,97643
0,52429
0,755
1
0,50714
Пример 6
0,73793
0,92232
0,40238
0,77432
1
0,40693
Пример 7
0,75998
0,91183
0,59118
0,79691
1
0,56895
Пример 8
0,88507
0,94206
0,59821
0,82242
1
0,61375
Как можно видеть из Таблиц 2 и 3, люминесценция согласно настоящему изобретению является стабильной и слегка флуктуирует в течение периода переменного тока. Однако в случае Эталона 1, то есть белого светодиодного устройства, изготовленного с использованием коммерческого синего чипа, покрытого стандартным светоизлучающим материалом YAG:Се, излучающим желтый свет и имеющим короткое время жизни излучения, люминесценция является нестабильной и сильно флуктуирует в течение периода переменного тока. Очевидно, что настоящее изобретение эффективно и дешево позволяет преодолеть стробоскопию светодиодных устройств переменного тока.
Однако, как проиллюстрировано Эталоном 2, люминесценция белого светодиодного устройства, изготовленного с использованием светоизлучающего материала с длительным временем жизни излучения, также слабо флуктуирует в течение периода переменного тока, тем не менее, энергия, полученная материалом в то время, когда существует возбуждающий свет, не может быть выделена быстро, так что свет является слабым (см. Таблицу 1), и это является недостатком при использовании в качестве светоизлучающего материала.
В Таблице 4 показаны цветовые координаты и цветовые температуры примеров из Таблицы 1 (измеренные с использованием колориметра CS-100A производства компании Minolta).
Таблица 4
Цветовые координаты и цветовые температуры
Цветовые координаты
CIEx
CIEy
Соответствующая цветовая температура
Пример 1
0,4076
0,3807
3312 К
Пример 2
0,3410
0,3102
4997 К
Пример 3
0,3279
0,2939
5725 К
Пример 4
0,3320
0,3210
5496 К
Пример 5
0,3802
0,3566
3815 К
Пример 6
0,3503
0,3002
4441 К
Пример 7
0,3104
0,3154
6746 К
Пример 8
0,3484
0,3516
4867 К
Как видно из Таблицы 4, приведенные выше примеры обеспечивают излучение белого света белым светодиодным устройством. Положения цветовых точек в светоизлучении соответствующих примеров на хроматической диаграмме CIE1931 показаны на Фиг.6.
Сравнительный пример 2
Ослабление света белого светодиодного устройства переменного тока согласно настоящему изобретению
В Таблице 5 приведены данные по ослаблению света для Примеров с 1 по 18 и эталона. Эталоном является белое светодиодное устройство, полученное с использованием белого светодиодного чипа, изготовленного из коммерческого синего чипа с длиной волны 460 нм с покрытием из YAG:Се, в стандартном режиме питания постоянным током согласно предшествующему уровню техники. Способ испытания является следующим: подача электропитания на белое светодиодное устройство переменного тока согласно настоящему изобретению и эталонное устройство и измерение их световой яркости через определенные промежутки времени с помощью колориметра CS-100 производства компании Minolta. Результаты приведены на Фиг.5. Данные на Фиг.5 являются значениями относительной яркости (безразмерная величина), исходные данные нормализованы.
Таблица 5
Время
1 ч
1000 ч
1500 ч
2500 ч
Яркость эталона
100
98
97,1
96,3
Яркость Примера 1
100
99,8
99,5
99,1
Яркость Примера 2
100
99,5
99,4
99,3
Яркость Примера 3
100
99,6
99,5
99
Яркость Примера 4
100
99,7
99,3
99
Яркость Примера 5
100
99,8
99,4
98,6
Яркость Примера 6
100
99,5
99
98
Яркость Примера 7
100
99,4
99
98,3
Яркость Примера 8
100
99,3
99
98
Как можно видеть из данных, приведенных на Фиг.5, белое светодиодное устройство переменного тока согласно настоящему изобретению, обеспечивает меньшее ослабление света с течением времени, чем белое светодиодное устройство переменного тока согласно предшествующему уровню техники.