LIGHT SCATTERING AND CONVERSING PLATE FOR LIGHT EMITTING DIODE
РАССЕИВАЮЩАЯ И ПРЕОБРАЗУЮЩАЯ СВЕТ ПЛАСТИНА ДЛЯ СИД

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к новым люминесцентным материалам и соединениям для светоизлучающих устройств, главным образом к области светоизлучающих диодов (СИД).
Предпосылки изобретения
В последние годы были разработаны несколько новых технологий и установок для СИД, среди них введение керамических преобразующих пластин и слоев. В связи с этим делается ссылка, например, на заявку US 2004/145308, которая включена сюда посредством ссылки.
Тем не менее, все еще остается потребность в преобразующих пластинах и слоях, которые демонстрируют хорошие излучающие и рассеивающие свойства.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является предоставление осветительной системы, которая может использоваться в широком диапазоне областей применения и, главным образом, делает возможным производство СИД теплого белого свечения с преобразованием люминофором с оптимизированной световой эффективностью и цветопередачей.
Эта задача решается с помощью осветительной системы в соответствии с пунктом 1 формулы настоящего изобретения. Соответственно, предложена осветительная система, содержащая по меньшей мере одну рассеивающую и преобразующую свет пластину, содержащую:
а) первый слой, имеющий рассеивающие свойства и не имеющий преобразующих свойств, и
b) второй слой, имеющий преобразующие свойства, при этом толщина А первого слоя и толщина B второго слоя соотносятся как
А≥3*В.
Предпочтительно, А и В соотносятся как А≥4*В, более предпочтительно как А≥7*В.
Термины «слой» и/или «пластина», главным образом, означают и/или включают в себя объект, который простирается в одном измерении (например, в высоту) на ≤ 40%, более предпочтительно ≤ 20% и наиболее предпочтительно ≤ 10%, чем в любом из других измерений (т.е. в ширину и длину).
Термин «рассеивающий», главным образом, означает и/или включает в себя изменение направления распространения света.
Термин «преобразующий», главным образом, означает и/или включает в себя физический процесс поглощения света и излучения света в другой области длин волн, например, из-за излучательных переходов, которые включают в себя по меньшей мере одно основное состояние и по меньшей мере одно возбужденное состояние и которые могут быть описаны с помощью графика с конфигурационными координатами, изображающего кривые потенциальной энергии центров поглощения и излучения как функции конфигурационной координаты.
Термин «не имеющий преобразующих свойств», главным образом, означает и/или включает в себя то, что ≥ 95%, более предпочтительно ≥ 97%, более предпочтительно ≥98% и наиболее предпочтительно ≥99% всего передаваемого света проходит пластину без преобразования.
Такая осветительная система продемонстрировала для широкого диапазона областей применения в рамках настоящего изобретения, что она имеет по меньшей мере одно из следующих преимуществ:
- неожиданным результатом одной из основных идей, лежащей в основе настоящего изобретения, т.е. разделения рассеивания и преобразования, является то, что для большинства применений можно обнаружить как хорошее прямое излучение, так и угловую стабильность профиля излучения;
- общая установка осветительной системы может быть простой и маленькой;
- продолжительность работы осветительной системы существенно увеличена в связи с улучшенными свойствами рассеяния тепла и улучшенной химической стабильностью;
- дополнительные функциональные слои могут быть нанесены только на один слой, исключая риск повреждения более дорогих остальных слоев.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления второй слой находится на оптическом пути между первичным источником света и первым слоем.
Первичный источник света будет в большинстве применений являться синим СИД; тем не менее, могут быть использованы любые устройства, известные специалисту в данной области техники.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления первый и/или второй слои, по существу, выполнены из керамического материала.
Термин «по существу» в смысле настоящего изобретения, главным образом, означает ≥ 90 (вес.)%, более предпочтительно ≥ 95 (вес.)%, еще более предпочтительно ≥ 98 (вес.)% и наиболее предпочтительно ≥ 99 (вес.)%.
Термин «керамический материал» в смысле настоящего изобретения означает и/или включает в себя, главным образом, кристаллический или поликристаллический плотный материал или композиционный материал с регулируемым количеством пор или без пор.
Термин «поликристаллический материал» в смысле настоящего изобретения означает и/или включает в себя, главным образом, материал с объемной плотностью больше 90 процентов от основной составляющей, состоящий из более чем 80 процентов монокристаллических областей, причем каждая область больше 0,5 мкм в диаметре и имеет различную кристаллографическую ориентацию. Монокристаллические области могут быть соединены аморфным или стекловидным материалом или дополнительными кристаллическими составляющими.
3
3
3
3
3
3
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления керамический материал имеет объем от ≥ 0,005 мм до ≤ 8 мм, более предпочтительно от ≥ 0,03 ммдо ≤ 1 мм и наиболее предпочтительно от ≥ 0,08 ммдо ≤ 0,18 мм.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления керамический материал имеет плотность ≥ 90%и ≤ 100% от теоретической плотности. Было показано, что это является преимущественным для широкого диапазона применений в рамках настоящего изобретения, так как при этом люминесцентные свойства по меньшей мере одного керамического материала могут быть увеличены.
Более предпочтительно, керамический материал имеет плотность ≥ 97%и ≤ 100% от теоретической плотности, еще более предпочтительно ≥ 98%и ≤ 100%, даже более предпочтительно ≥ 98,5%и ≤ 100% и наиболее предпочтительно ≥ 99,0%и ≤ 100%.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения среднеквадратичное значение шероховатости (нарушения плоскостности поверхности; измеренное как геометрическое среднее разности между самым высоким и самым глубоким поверхностными элементами) поверхности(ей) керамического материала ≥ 0,001 мкм и ≤ 1 мкм.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения шероховатость поверхности(ей) упомянутого по меньшей мере одного керамического материала ≥ 0,005 мкм и ≤ 0,8 мкм, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения ≥ 0,01 мкм и ≤ 0,5 мкм, в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения ≥ 0,02 мкм и ≤ 0,2 мкм и в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения ≥ 0,03 мкм и ≤ 0,15 мкм.
-7
2
2
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения удельная площадь поверхности керамического материала ≥ 10 м/г и ≤ 0,1 м/г.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления толщина В упомянутого второго слоя ≥ 5 мкм и ≤ 80 мкм. Было показано, что это является преимущественным для многих применений в рамках настоящего изобретения, так как при этом эффективность монтажа в корпус и боковое излучение рассеивающей и преобразующей свет пластины могут сильно увеличиться и уменьшиться соответственно.
Предпочтительно, толщина В упомянутого второго слоя ≥ 10 мкм и ≤ 50 мкм.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления толщина А упомянутого первого слоя ≥ 50 мкм и ≤ 1000 мкм. Было показано, что это является преимущественным, так как при этом для многих применений свойства рассеяния и монотонность профиля излучения света рассеивающей и преобразующей свет пластины могут быть увеличены.
Предпочтительно, толщина А упомянутого первого слоя ≥ 100 мкм и ≤ 300 мкм.
-1
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления коэффициент рассеяния упомянутого первого слоя > 0 и ≤ 1000 см.
0
0
Коэффициент s рассеяния определяется с помощью измерения коэффициента R отражения и/или коэффициента T пропускания тонкого слоя с толщиной А в соответствии с уравнениями:
где  и
(а является коэффициентом поглощения слоя)
В случае когда а=0, уравнения упрощаются до вида
-1
Предпочтительно, коэффициент рассеяния упомянутого первого слоя ≥ 100 и ≤ 500 см.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления средний коэффициент n преломления первого слоя ≥ 1,3 и ≤ 2,5.
n
n
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления разница ∆ в коэффициенте преломления между коэффициентами преломления упомянутого первого слоя и упомянутого второго слоя ≥ 0,03 и ≤ 1. Было показано, что это является преимущественным для смешивания света от первичного источника света и преобразованного света из второго слоя для многих применений. Предпочтительно ∆ ≥ 0,3 и ≤ 0,5.
2
3
3
5
12
3
5
12
2
3
2
4
2
3
4
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутый первый слой, по существу, выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей стекло, AlO, YAlO, REAlO(RE - редкоземельный металл), YO, ZnS, AlON, AlPON, AlN, MgAlO, SiC, SiO, SiN или их смеси.
b
c
d
e
5
12
1-x-y-z-0,5u
x
1+u-v-z
1-u+v+z
3-v
v
y
z
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления упомянутый второй слой, по существу, выполнен из материала, выбранного из группы, содержащей LuYGdCeAlO, где b+c+d+e=3, 0,09≤е≤0,24, CaMSiAlNO:EuCe, где 0≤u<0,2, 0<v<0,05, 0≤x<1, 0,001≤y≤0,01, 0,002≤z≤0,04, и M = Sr, Ba, Mg или их смеси.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления пластина содержит третий слой, предусмотренный между упомянутыми первым и вторым слоями и, по существу, выполненный из клейкого материала, предпочтительно силиконового клея.
Кроме того, это изобретение относится к способу производства рассеивающей и преобразующей свет пластины, содержащему этапы:
а) обеспечение первого и второго слоев, причем толщина упомянутого второго слоя больше желаемой,
b) соединение упомянутых первого и второго слоев, необязательно, путем применения третьего слоя, предусмотренного между упомянутыми первым и вторым слоями и, по существу, выполненного из клейкого материала,
с) механическое уменьшение упомянутой толщины упомянутого второго слоя, например, путем шлифования.
Таким образом, было показано для многих применений, что рассеивающая и преобразующая свет пластина в соответствии с настоящим изобретением может быть легко и эффективно выполнена даже при малой толщине второго слоя.
Осветительная система в соответствии с настоящим изобретением может использоваться в большом разнообразии систем и/или применений, среди них одно или более из следующего:
- системы офисного освещения,
- системы домашнего применения,
- системы освещения магазина,
- системы освещения дома,
- системы направленного освещения,
- системы точечного освещения,
- системы театрального освещения,
- системы оптоволоконного применения,
- проекционные системы,
- самосветящиеся индикаторные системы,
- пикселированные индикаторные системы,
- сегментированные индикаторные системы,
- системы предупредительных знаков,
- системы применения освещения в медицине,
- системы указательных знаков,
- системы декоративного освещения,
- портативные системы,
- автомобильные применения,
- системы освещения теплиц.
Указанные выше компоненты, также как заявленные компоненты и компоненты для использования в соответствии с изобретением в описанных вариантах осуществления, не являются предметом каких-либо специальных исключений относительно их размера, формы, выбора материала и технического замысла, так что без ограничений могут быть применены критерии выбора, известные в данной области техники.
Краткое описание чертежей
Дополнительные подробности, признаки, характеристики и преимущества задачи объекта изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения, на фигурах и в следующем описании соответствующих фигур и примеров, которые - в качестве примера - изображают несколько вариантов осуществления и примеров люминесцентного материала для использования в осветительной системе в соответствии с изобретением, также как и несколько вариантов осуществления и примеров осветительной системы в соответствии с изобретением.
Фиг.1 изображает очень схематическую установку осветительной системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 изображает подробный, очень схематический вид рассеивающей и преобразующей свет пластины по фиг.1.
Фиг.3 изображает фотографию части рассеивающей свет и преобразующей пластины в соответствии с Примером I настоящего изобретения.
Фиг.4 изображает фотографию части рассеивающей свет и преобразующей пластины в соответствии с Примером II настоящего изобретения.
Фиг.5 изображает диаграмму пространственного излучения двух СИД в соответствии с Примерами I и II настоящего изобретения и сравнительным примером.
Фиг.6 изображает спектры излучения двух СИД в соответствии с примерами I и II настоящего изобретения и сравнительным примером; и
Фиг.7 изображает цветовой график МКО 1931, изображающий кривые Планка для двух СИД в соответствии с Примерами I и II настоящего изобретения и сравнительным примером.
Фиг.1 изображает очень схематическую установку осветительной системы в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Большая часть Фиг.1 относится к уровню техники и известна специалисту и поэтому будет описана только кратко. Понятно, что осветительная система с фиг.1 является только примерной, и специалист может использовать другие части или свободно их заменять.
Осветительная система 1 содержит тонкопленочный синий чиповый СИД 20, на котором предусмотрена рассеивающая и преобразующая свет пластина 10; причем оба накрыты линзой.
Фиг.2 изображает подробный, очень схематический вид рассеивающей и преобразующей свет пластины с фиг.1. Пластина 10 содержит первый слой 12 (с толщиной А), второй слой 14 (с толщиной В) и между ними слой 16 силиконового клея. Фиг.2 является крайне схематической и в большинстве применений реальные размеры будут существенно отличаться. Отметим, что пластина 10 предусмотрена в осветительной системе 1 так, что второй слой 12 находится на оптическом пути между синим чиповым СИД 20 и вторым слоем 14.
Изобретение будет более понятно из следующих примеров I и II, которые - лишь в качестве примера - показывают несколько осветительных систем по настоящему изобретению.
2,88
0,012
5
12
2
3
2
3
В этих примерах из пластины толщиной 1,1 мм после спекания с обеих сторон вышлифовали слой YCeAlO (т.е. второй слой 14) до толщины 300 мкм. Также слой поликристаллического AlO толщиной 1 мм (PCA, первый слой 12) с массовой плотностью 99,98 процента от кристаллического AlO сошлифовали до 150 мкм. Затем первый слой покрыли слоем силикона (Shin Etsu KJR-9222A и KJR-9222A, пропорция смеси 1:1), прикрепили второй слой и дали слою силикона затвердеть при температуре 100°С в течение одного часа и отверждали при 150°С в течение 2 часов.
После склеивания второй слой 14 дополнительно сошлифовали до толщины 17 мкм (Пример I) и 30 мкм (Пример II) соответственно.
2
Затем обе пластины были разделены с размерами 0,99×0,99 мм, установлены на синий тонкопленочный СИД с перевернутым кристаллом (TFFC СИД), излучающий с длиной волны около 450 нм, и покрыты линзой. Монтаж СИД в корпус выполняли таким же образом, как и для СИД с преобразованием люминофором Lumiramic.
2,842
0,15
0,008
5
12
Кроме того, сравнительный пример I выполняли по аналогии с Примерами по изобретению. В этом сравнительном примере второй слой был доведен до толщины 120 мкм и выполнен из YGdCeAlO (т.е. с более низким содержанием церия, чтобы соответствовать большей толщине).
Фиг.3 изображает фотографию части рассеивающей и преобразующей свет пластины в соответствии с Примером I по настоящему изобретению. Рассеивающая и преобразующая свет пластина имеет общую толщину примерно 205 мкм, при этом первый слой составляет примерно 140 мкм в толщину, второй слой - примерно 30 мкм в толщину, а слой силикона - примерно 35 мкм.
Фиг.4 изображает фотографию части рассеивающей и преобразующей свет пластины в соответствии с Примером II по настоящему изобретению. По стечению обстоятельств рассеивающая и преобразующая свет пластина также имеет общую толщину примерно 205 мкм; тем не менее, здесь первый слой составляет примерно 146 мкм в толщину, второй слой - примерно 17 мкм, а слой силикона - примерно 42 мкм.
Фиг.5 изображает диаграмму пространственного излучения двух СИД в соответствии с Примерами I и II по настоящему изобретению и сравнительным примером. Благодаря излучению с торцов преобразующей пластины Lumiramic по сравнительному примеру излучаемый поток при большом угле излучения больше по сравнению с потоком при больших углах, излучаемым СИД с преобразующими пластинами по Примерам I и II по настоящему изобретению.
Фиг.6 изображает спектры излучения двух СИД в соответствии с Примерами I и II по настоящему изобретению и сравнительным примером. Для сравнительного примера (120 мкм) общая интенсивность преобразования низка, и пик излучаемого синего света гораздо больше, чем максимум преобразованного света. Для примера с 30 мкм оба пика примерно одинаковы, что показывает высокую эффективность рассеивающей и преобразующей свет пластины.
Фиг.7 изображает цветовой график МКО 1931, изображающий кривые Планка и цветовые точки для двух СИД в соответствии с Примерами I и II по настоящему изобретению и сравнительным примером. Можно видеть, что благодаря рассеивающей и излучающей свет пластине по изобретению в случае примера с 30 мкм была реализована низкая цветовая температура примерно 4000 К, в то время как всего лишь малое изменение размера преобразующего слоя 12 (т.е. до 17 мкм) приводит к резкому увеличению цветовой температуры до примерно 10000 К. Вариация толщины и концентрации церия дает возможность производства белого СИД с цветовой температурой в диапазоне от примерно 10000 К до 4000 К или ниже.
Конкретные комбинации элементов и признаков в указанных выше вариантах осуществления являются только примерными; перестановка и замена этих предписаний другими предписаниями в этом и в патентах/заявках, включенных сюда по ссылке, также однозначно предусмотрены. Как будет ясно специалисту в данной области техники, обычным специалистам в данной области техники могут прийти на ум вариации, модификации и другие варианты реализации того, что здесь описано, не выходя за рамки сущности и объема заявленного изобретения. Соответственно, предшествующее описание приведено только в качестве примера и не предназначено для ограничения. В пунктах формулы изобретения выражение «содержит» не исключает других элементов или этапов, а использование единственного числа не исключает множественности. Сам тот факт, что определенные величины перечисляются во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих величин не может использоваться для получения преимущества. Объем изобретения определен в приведенной далее формуле изобретения и ее эквивалентах. Более того, ссылочные обозначения, использованные в описании и в формуле изобретения, не ограничивают объем заявленного изобретения.