СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МОДИФИЦИРОВАННЫХ ТРЕХЦВЕТНЫХ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ БЕЛОГО СВЕТА
METHOD OF OBTAINING MODIFIED TRICHROMATIC LED SOURCES OF WHITE LIGHT

Изобретение относится к области светотехники и, в частности, к светодиодным источникам белого света на основе светодиодов синего (450-455 нм), зеленого (525-535 нм) и красного цветов (605-615 нм), называемых после объединения RGB триадой. Источники света данного типа достаточно широко используются в системах бытового и декоративного освещения.
Существенным недостатком промышленных источников белого света на основе светодиодов с узкими спектральными (20-30 нм) линиями является невысокий уровень качества цветопередачи. Этот параметр определяется значениями общего (Ra) и частных индексов (R) цветопередачи. В промышленных трехцветных источниках белого света общий индекс цветопередачи (Ra) обычно не превосходит 70 единиц (при физиологически допустимой норме составляющей для внутренних помещений 80-95). Это обусловлено невысокими значениями частных индексов цветопередачи, характеризующих вклад в общий световой поток насыщенного красного излучения (R9), насыщенного желтого (R10), насыщенного зеленого (R11) и насыщенного синего (R12) цвета.
Качество цветопередачи в RGB источниках белого света зависит от положения максимумов и интенсивности света, излучаемого каждым светодиодом. Интенсивность света, в свою очередь, зависит от плотности тока, проходящего через светодиод. Увеличение ее всегда сопровождается возрастанием температуры р-n перехода, что в свою очередь приводит к уширению излучаемой спектральной линии и изменению положения максимума на спектральной кривой. При этом каждая из этих величин для различных линий имеет свой температурный коэффициент. Поэтому поиск цветового баланса в источниках данного типа достигаемый коррекцией мощности излучения всех компонент излучения при заданной величине цветовой температуры источника белого света или заданном спектре излучения, представляет собой достаточно сложную задачу, что также является недостатком устройств данного типа.
Третий недостаток состоит в невысокой объемной однородности цвета. Цветность источника белого света не должна зависеть от направления излучения. В промышленных RGB источниках расстояние между светодиодами в триаде может превосходить 1 мм, и в этих условиях источник каждого света становится физически различимым, что приводит к снижению эффективности системы в целом.
В статье [Zukauskas A., a.o. nd "Optimization of white polychromatic semiconductor lamps": Appl. Phys. Lett. 80, 234(2002b)] описаны различные способы оптимизации оптических параметров многоцветных светодиодных источников белого света, основанные на физических принципах регулирования. Применительно к промышленным источникам белого света, предназначенным для бытового и декоративного освещения, эти приемы достаточно сложны и сопряжены с необходимостью периодической подстройки электрических параметров.
Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков традиционных RGB источников белого света.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение качества цветопередачи и увеличение эффективности преобразования света у трехцветных светодиодных источников белого света. Этот результат достигается способом получения модифицированных трехцветных светодиодных источников белого света, заключающимся в том, что на RGB триаду наносят суспензию возбуждаемого синим светом люминофора в отверждаемом оптически прозрачном фото- и термостойком полимере.
В качестве люминофора могут быть использованы:
3
5
12
1) активированные церием люминофоры семейства стехиометрического граната LnАlО, где Ln - иттрий или вместе с ним один или несколько редкоземельных элементов;
3+α
5
12+1.5α
2) активированные церием композиции LnAlO нестехиометрического состава, где Ln - иттрий или вместе с ним один или несколько редкоземельных элементов, содержащих избыток Ln по отношению к Аl, так что величина индекса α изменяется в интервале 0<α≤0,45, и в случае которых в отличие от стехиометрического граната соотношение между Ln:Al:O не равно 3:5:12 и составляет (3÷3,45):5:(12÷12,67);
3-α
5
12-1,5α
3) активированные церием композиции LnAlO нестехиометрического состава, где Ln - иттрий или вместе с ним один или несколько редкоземельных элементов, содержащих недостаток Ln по отношению к Аl, так что величина индекса α изменяется в интервале 0<α≤1,5, и в случае которых в отличие от стехиометрического граната соотношение между Ln:Al:O не равно 3:5:12 и составляет (3÷1,5):5:(12÷9,75);
2
4
3
4) активированные европием силикатные люминофоры общей формулы (Sr-Ba-Ca)SiO и (Sr-Ва-Са)SiO, обладающие желто-зеленой или желтой люминесценцией при возбуждении синим светом. Наблюдаемый эффект повышения качества цветопередачи и эффективности светопреобразования обусловлен улучшением объемной однородности цвета, достигаемой в результате рассеяния каждой из цветовых компонент в нанесенной дисперсионной среде и значительным уширением каждой из цветовых полос.
Примеры практического выполнения
р
d
c
Приведенные ниже примеры №№1-5 показывают, как изменяются светотехнические характеристики трехцветного светодиодного источника белого света при модифицировании его посредством нанесения на RGB триаду суспензии люминофоров различного состава. В табл.1 (см. в  графической части) приведены оптические характеристики этих люминофоров (цветовые координаты - х и у, положение максимума в спектре люминесценции - λ(нм), доминирующая длина волны в спектре люминесценции - λ(нм), цветовая температура - Т (К), ширина спектра на половине высоты - Δλ(нм), яркость люминесценции при возбуждении светом с длиной волны 460 нм (% по отношении к стандарту «902» компании Nemoto).
Пример №1
На защитную линзу серийно выпускаемого трехцветного светодиодного источника белого света, спектр и оптические параметры которого приведены в левой части табл.2 (см. в графической части), была нанесена суспензия порошкообразного люминофора FL 4255. Этот люминофор представлял собой композицию нестехиометрического состава, содержащую избыток иттрия и редкоземельных элементов по отношению к алюминию в сравнении с этим соотношением в стехиометрическим гранате, составляющем 3:5.
Суспензия, содержащая 0,5 г люминофора, была приготовлена в растворе силикона (2 мл) и отвердителя (2 мл). 2 капли приготовленной суспензии были нанесены с помощью промышленного дозатора на поверхность защитной линзы RGB триады. Данные об оптических параметрах модифицированного источника света приведены в правой части табл.2.
Как видно, модифицирование RGB источника приводит к принципиальному изменению всех оптических характеристик, повышению общего и всей совокупности частных индексов, а также к увеличению более чем на 50% общего светового потока, величина которого пропорциональна эффективности источника света. Следует отметить также значительное расширение всех базовых полос и увеличение интенсивностей полос зеленого и красного света.
Величина цветовой температуры у модифицированного источника была близка к стандарту нормального белого цвета.
Пример №2
В данном случае в отличие от примера №1 наносимый люминофор по составу соответствовал стехиометрическому гранату. Он характеризовался немного более низким значением цветовой температуры. Методика проведения эксперимента не отличалась от описанной в примере №1.
Можно отметить, что в данном случае наблюдается более значительное повышение общего и частных индексов цветопередачи, а также понижение цветовой температуры до стандарта нормального белого цвета, как в отношении величины цветовой температуры, так и относительно всей совокупности индексов цветопередачи.
Увеличение величины общего светового потока сохраняется на уровне примера №1.
Пример №3
В данном примере наносимый люминофор представлял собой композицию нестехиометрического состава, содержащую недостаток иттрия и редкоземельных элементов по отношению к алюминию в сравнении с соотношением в стехиометрическом гранате, составляющим 3:5. Содержание гадолиния в образце было значительно выше, чем в люминофоре, использовавшемся в примере №1. Данные, приведенные в табл.4 (см. в графической части), показывают, что воспроизводится тенденция, наблюдавшаяся в предшествующих случаях, а именно: имеет место дальнейшее улучшение всех светотехнических параметров модифицированных источников белого света, приближающихся к возможному максимуму значений применительно к выбранному исходному трехцветному светодиодному источнику белого света (табл.4).
Примеры №4 и №5.
В этих примерах использовались активированные церием нестехиометрические композиции с избытком алюминия по отношению к Ln, характеризующиеся высоким содержанием гадолиния. Вследствие этого люминофоры имели желто-оранжевое свечение. Известно, что в отличие от желто-зеленых и желтых люминофоров они имеют меньшую яркость и характеризуются более низкими цветовыми температурами. Поэтому использование таких люминофоров для модифицирования трехцветных источников не приводит к принципиальному изменению достигнутого высокого уровня значений индексов цветопередачи, но сопровождается уменьшением относительной доли синего излучения и снижением величины общего светового потока. Одновременно происходит спад цветовой температуры до значений, характерных для теплого белого света (см. табл.5 и 6 в графической части).
Следует отметить, что даже в наиболее неблагоприятном случае (пример №5) эффективность модифицированного RGB источника белого света более чем на 30% превышает уровень, характеризующий промышленные образцы.
Таким образом, применение желто-зеленых, желтых и желто-оранжевых люминофоров, возбуждаемых синим и, частично, зеленым светом, позволяет после нанесения их на поверхность промышленных трехцветных светодиодных источников белого света существенно улучшить весь комплекс их светотехнических параметров, а именно:
- повысить общий индекс цветопередачи до значений >84 и частных индексов цветопередачи R9-R14>75-85;
- увеличить при прочих равных условиях величину общего светового потока на 30-50%;
- снизить цветовую температуру до значений, отвечающих теплому белому свету.