ФЛУОРЕСЦЕНТНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ, СОЗДАЮЩЕЕ БЕЛЫЙ СВЕТ
FLUORESCENT ILLUMINATION, GENERATING WHITE LIGHT

Данная заявка на патент относится большей частью к полупроводниковым светоизлучающим устройствам с преобразованием люминофорами.
Полупроводниковые светоизлучающие устройства, включающие в себя светоизлучающие диоды (СИД), доступны в настоящее время среди других наиболее эффективных источников света. Используемые СИД способны к функционированию во всей видимой области спектра. СИД могут быть изготовлены при использовании полупроводников, включая полупроводники группы III-V, особенно двойные, тройные и четвертные сплавы галлия, алюминия, индия и азота, также называемые III-нитридными материалами.
СИД обычно используются в различных осветительных системах разного вида, например, для освещения, для наружного освещения, в осветительных устройствах для рекламы и т.п. Для того чтобы обеспечить освещение с хорошим восприятием, предложены осветительные системы при использовании УФ-СИД, в которых свет, излучаемый УФ-СИД, преобразуется посредством флуоресцентного материала.
Поскольку синий УФ свет обладает более высокой энергией фотонов, т.е., более короткой длиной волны, по сравнению с другими цветами видимого света, такой свет может быть простым образом преобразован для создания света с большей длиной волны. Хорошо известно в данной области техники, что свет с первой пиковой длиной волны («первый свет») может быть преобразован в свет с большей пиковой длиной волны («второй/третий свет») при использовании процесса, известного как люминесценция. Процесс люминесценции включает в себя поглощение первого света фотолюминесцентным материалом (также называемым люминофором), при этом происходит возбуждение атомов данного материала, и излучение второго света. Пиковая длина волны и диапазон длин волн вокруг нее может, для краткости, называться длиной волны. Длина волны второго света будет зависеть от фотолюминесцентного материала. Тип фотолюминесцентного материала может быть выбран таким образом, чтобы получить вторичный свет, имеющий особую пиковую длину волны.
3
5
12
3+
Чтобы улучшить индекс цветопередачи (CRI) систем освещения при использовании СИД, уже предложена двухцветная осветительная система. В такой системе первичное излучение синего СИД комбинируется со светом, излучаемым фотолюминесцентным материалом, например желтым люминофором. Например, в качестве фотолюминесцентного материала используется люминофор YAlO:Ce. Часть синего света, излучаемого СИД, преобразуется таким люминофором в желтый свет. Другая часть синего света от СИД пропускается через люминофор. Таким образом, эта система излучает как синий свет, излучаемый СИД, так и желтый свет, излучаемый люминофором. Смесь синей и желтой полос излучения воспринимается наблюдателем как белый свет. Воспринимаемый свет имеет индекс цветопередачи (CRI) между 70 и 80, и его цветовая температура находится в интервале от примерно 5000 K до примерно 8000 K.
Тем не менее, во многих видах применения освещения индекс цветопередачи (CRI) менее 80 является неприемлемым. Например, в освещении в помещениях, в наружном освещении и т.п. СИД белого света на основе двухцветного принципа часто не может быть использован вследствие низкого индекса цветопередачи (CRI), обусловленного отсутствием компонентов красного цвета. В особенности, в случае цветовых температур менее 5000 K, используемых в общем освещении, индекс цветопередачи (CRI) составляет менее 70 для систем освещения на базе двухцветного сине-желтого СИД.
Для того, чтобы дополнительно улучшить индекс цветопередачи (CRI), даже при высоких коррелированных цветовых температурах (CCT), т.е., при CCT<6000, предложено полупроводниковое светоизлучающее устройство с преобразованной длиной волны, в котором использованы первый материал, преобразующий длину волны, и второй материал, преобразующий длину волны. Коррелированная цветовая температура (CCT) источника света может быть истолкована в соответствии с цветовыми координатами излучателя Планка с упомянутой температурой при минимальном расстоянии до цветовой точки источника света излучения в цветовой системе МКО (Международная комиссия по освещению, координаты u-v) от 1960 г.
Первый материал, преобразующий длину волны (флуоресцентный материал), излучает свет с более короткой длиной волны по сравнению со светом, излучаемым вторым материалом, преобразующим длину волны. Первый и второй материалы, преобразующие длину волны, могут быть размещены на светоизлучающем устройстве. Однако в известных устройствах имеет место низкая эффективность, поскольку первый и второй материалы, преобразующие длину волны, смешиваются между собой, что приводит к сильному обратному рассеянию и потере света. Кроме того, второй материал, преобразующий длину волны, часто только возбуждается светом, излучаемым первым материалом, преобразующим длину волны. Помимо этого, желательная коррелированная цветовая температура (CCT) очень плохо поддается регулированию.
Поэтому задачей настоящей заявки является предоставление системы освещения, излучающей белый свет с высоким индексом цветопередачи (CRI). Другой задачей настоящей заявки является предоставление системы освещения, которая обладает высокой эффективностью, четко определенной цветовой температурой и хорошим качеством освещения. Еще одной задачей настоящей заявки является предоставление светодиодного освещения с излучением теплого белого света, т.е. коррелированная цветовая температура (CCT)<6000 K. Другой задачей настоящей заявки является обеспечение регулирования коррелированной цветовой температуры (CCT) системы освещения.
50%
Эти и другие задачи решаются посредством светоизлучающей системы, содержащей источник излучения, способный излучать первый свет, по меньшей мере, с первым спектром длин волн, первый флуоресцентный материал, способный к поглощению, по меньшей мере, частично первого света и излучению второго света со вторым спектром длин волн, второй флуоресцентный материал, способный к поглощению, по меньшей мере, частично первого света и излучению третьего света с третьим спектром длин волн, в которой первый или второй флуоресцентный материал является поликристаллической керамикой с плотностью более 97 процентов от плотности монокристаллического материала, и в которой соответствующий другой флуоресцентный материал является порошком люминофора со средним размером частиц 100 нм<d<50 мкм.
Второй флуоресцентный материал может быть поликристаллической керамикой с плотностью более 97 процентов от плотности монокристаллического материала идентичного состава.
Монокристаллический материал может пониматься как кристаллическая твердотельная фаза, в которой кристаллическая решетка на протяжении всего образца является непрерывной, неискаженной и без нарушений на краях образца, при этом отсутствуют межзеренные границы. Его плотность составляет 100%.
Поликристаллы могут быть образованы множеством малых кристаллов называемых кристаллитами. Плотность поликристаллов может определяться числом пор, стеклофаз или примесных фаз. Термин «поликристаллический материал» может пониматься как материал с объемной плотностью более 90 процентов от плотности основной составляющей, состоящий из более чем 80 процентов монокристаллических доменов, при диаметре каждого домена более 0,5 мкм и их разной кристаллографической ориентации. Монокристаллические домены могут быть связаны аморфным или стекловидным материалом или дополнительными кристаллическими составляющими.
Порошок люминофора может содержать монокристаллы и поликристаллы. Найдено, что комбинация поликристаллической керамики с плотностью более 97 процентов от плотности монокристаллического материала идентичного состава с порошком люминофора обеспечивает высокую механическую устойчивость и одновременно хороший индекс цветопередачи (CRI).
Под материалом с высокой плотностью может пониматься керамика. Она может иметь от ≥95% до ≤100% от теоретической плотности. Таким образом, керамика обеспечивает значительно более высокие механические и оптические характеристики, по сравнению с материалами с меньшей плотностью. Предпочтительно, керамический материал обладает от ≥97% до ≤100% от теоретической плотности, более предпочтительно от ≥98% до ≤100%.
Источником излучения может являться СИД, излучающий свет с короткой длиной волны, предпочтительно в спектральной области от УФ-излучения спектра А до синего излучения, например, между примерно 330 нм и примерно 470 нм. Возможно также использование других источников излучения, излучающих свет высокой энергии. Флуоресцентные материалы полностью или частично поглощают свет от источника излучения и излучают его снова в других спектральных областях в достаточно широкой полосе, и посредством использования второго флуоресцентного материала со значительной долей красного излучения. При этом создается общее излучение с желательными температурой белого цвета и индексом цветопередачи (CRI).
1-x-y
x
y
3-a-b
1-m-n
m
n
5
12
a
b
0,2
0,8
2,994
4,95
0,05
12
0,006
0,9
0,1
2,994
5
12
0,006
0,9
0,1
2,994
5,01
12,015
0,006
Первый флуоресцентный материал, который преобразует длину волны первого света, может представлять собой поликристаллическую керамическую массу, легированную церием. Такая керамика может, например, являться алюмоиттриевым гранатом, легированным церием, YAG:Ce(0,5%). Первый флуоресцентный материал может излучать свет в желто-зеленой области спектра. Первый флуоресцентный материал может возбуждаться первым светом. Например, может быть использован люминофор на основе лютеций-иттрий-галлий-скандий-алюминиевого граната, активированного церием и празеодимием, общей формулы (LuYGd)(AlGaSc)O:CePr) при 0≤x≤1, 0≤y≤0,5, 0,001≤a≤0,02, 0,001≤b≤0,005, 0≤m≤0,5 и 0≤n≤0,5, излучающий в желто-зеленой области спектра. Например, гранатовый материал может иметь предпочтительные составы (LuY)(AlSc)O:Ce или (YGd)AlO:Ce. Примеры могут также включать в себя составы, которые отклоняются от идеальной стехиометрии граната, например, (YGd)AlO:Ce. Наиболее предпочтительно, составы, которые проявляют отклонение от идеальной стехиометрии, являются однофазными. Примеры могут также включать в себя составы с дополнительными компонентами, которые могут быть отслежены в использовании плавленных флюсов, такими как бораты, оксиды кремния, силикаты, соединения щелочноземельных металлов, фториды или нитриды, например нитрид алюминия или нитрид кремния. Эти дополнительные компоненты могут быть растворены в зернах керамического граната или они могут присутствовать в качестве вторичных фаз, например в виде межзеренных фаз.
1-x-y
x
y
1-x-y
x
y
2-z
5-a
a
8-a
a
z
1-x-y
x
y
1-z
1-a
1+a
3-a
a
z
0,98
0,985
1,015
2,99
0,01
0,02
0,98
0,985
1,015
2,99
0,01
0,02
x
0,96
0,02
2,98
0,02
0,02
x
Второй флуоресцентный материал может быть, например, люминофором красного свечения, таким как красный люминофор, активированный европием. Второй флуоресцентный материал может быть выбран из группы, включающей (CaSr)S:Eu при 0≤x≤1, 0,0003≤y≤0,01; (BaSrCa)SiAlNO:Eu при 0≤x≤0,5, 0≤y≤0,8, 0,0025≤z≤0,05, 0≤a≤1; или (CaSrMg)SiAlNO:Eu при 0≤x≤0,5, 0≤y≤0,2, 0,003≤z≤0,05, 0≤a≤0,02. Предпочтительно, используется нитрид кальция-алюминия-кремния, активированный европием, с составом CaSiAlNO:Eu, который является красным люминофором с высокой цветностью, возбуждаемым в области от УФ-излучения спектра А (400 нм) до сине-зеленого (500 нм) при большом квантовом выходе. Для оптимального использования этого люминофора для люминесцентного преобразования первичного света СИД необходимо модифицировать фотофизические характеристики, чтобы обеспечить, например, эффективность, соблюдение требований к цвету и долговечность соответствующих светоизлучающих устройств. Цветность и квантовый выход нитрида кальция-алюминия-кремния, активированного европием, могут быть модифицированы замещением кальция ионами двухвалентного металла из списка, включающего в себя Ba, Sr, Mg, посредством изменения соотношения N/O и Al/Si в кристаллической решетке. Наиболее предпочтительно, материал на базе нитрида кальция-алюминия-кремния, активированного европием, красного свечения, получают совместным обжигом с добавлением галогенидного флюса, такого как хлорид аммония или хлорид натрия. Галогенидный флюс понижает требуемую температуру обжига люминофора и значительно улучшает светоотдачу материала. Основная часть остаточного флюса может быть вымыта после обжига, однако, небольшие количества могут быть включены в кристаллическую решетку без ухудшения люминесцентных свойств, что приводит к таким составам, как CaSiAlNO:EuCl, x≤0,0015 или CaNaSiAlNO:EuCl, x≤0,0015.
В соответствии с вариантами осуществления второй флуоресцентный материал может быть отделен от первого флуоресцентного материала, по меньшей мере, одним дополнительным слоем. Дополнительный слой может быть расположен либо между источником излучения, излучающим с первым спектром длин волн, и первым люминесцирующим материалом, излучающим со вторым спектром длин волн, или сверху на первом люминесцирующем материале, излучающем со вторым спектром длин волн. Второй флуоресцентный материал может быть также размещен внутри по меньшей мере одного углубления, предпочтительно, внутри более двух углублений, на поверхности флуоресцентного материала. Углубление может быть размещено на первой поверхности либо первого флуоресцентного материала с передней стороны источника излучения, либо второго флуоресцентного материала с передней стороны источника излучения. Это может приводить к тому, что третий свет с третьим спектром длин волн возбуждается преимущественно первым светом. Углубления могут представлять собой ямки, канавки, впадины, полости, выемки или т.п. Углубления могут быть размещены на поверхности, которая противоположна поверхности, обращенной к источнику излучения. Углубления могут быть размещены в виде отсеков.
Первый флуоресцентный материал может иметь, по меньшей мере, одну плоскую поверхность, на которой из второго флуоресцентного материала образован второй люминесцирующий слой. Предпочтительно, второй флуоресцентный слой рассеивает свет. Второй флуоресцентный материал, который преобразует длину волны первого и второго света, может быть размещен внутри углубления. Второй флуоресцентный материал может быть нанесен на поверхности первого флуоресцентного материала или размещен в углублении в виде шариков, масс, кластеров, гранул, кубиков и т.п.
Посредством размещения второго флуоресцентного материала в виде отдельного слоя или в углублении второй свет, излучаемый первым флуоресцентным материалом, поглощается лишь минимальным образом. Свет от первого флуоресцентного материала излучается с минимальным повторным поглощением вторым флуоресцентным материалом. Кроме того, второй флуоресцентный материал размещен поблизости от источника излучения, так что уже первый свет возбуждает второй флуоресцентный материал, и свет, излучаемый первым люминесцирующим материалом, не пропускается через второй люминесцирующий материал.
Качество передачи светящихся цветов источника излучения, излучающего белый свет, которое обозначается как индекс цветопередачи (CRI), должно быть улучшено посредством системы освещения в соответствии с вариантами осуществления. Индекс цветопередачи CRI 100 обозначает, что свет, излучаемый источником света, идентичен свету от источника, являющегося абсолютно черным телом, т.е., от лампы накаливания или галогенной лампы для коррелированных цветовых температур (CCT)<5000 K в видимой спектральной области от 380 нм до 780 нм или идентично «солнечному» спектру, как он определен в издании 13.3 Международной комиссии по освещению (CIE 13.3:1995, Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources (Метод измерения и определения качества цветопередачи источниками света)).
Посредством подбора толщины слоя, объема и размеров углубления могут быть отрегулированы коррелированная цветовая температура (CCT) и индекс цветопередачи (CRI). Например, расстояние между по меньшей мере двумя углублениями может быть выбрано таким образом, чтобы оно составляло от 0,1 мм до 1 мм, предпочтительно 0,5 мм. Углубления могут быть сформированы на поверхности первого флуоресцентного материала в виде гребня. Глубина каждого углубления может составлять, по меньшей мере, половину от толщины первого флуоресцентного материала. Предпочтительно, чтобы углубление имело глубину 20 мкм. Толщина D по меньшей мере одного поликристаллического флуоресцентного материала составляет 50 мкм <D<850 мкм, предпочтительно 80 мкм <D<250 мкм. Углубления в виде гребня могут быть сформированы пирамидами на поверхности первого флуоресцентного материала. Вершины пирамид могут быть срезаны.
В соответствии с вариантами осуществления, второй флуоресцентный материал может быть размещен по меньшей мере на одной поверхности первого флуоресцентного материала, так что комбинация первого света, второго света и третьего света имеет индекс цветопередачи выше 80 при коррелированной цветовой температуре менее 6000 K, предпочтительно менее 5000 K.
-1
-1
50%
50%
Например, слой, который образован вторым флуоресцентным материалом, размещенным, по меньшей мере, на одной поверхности первого люминесцирующего материала, имеет коэффициент рассеяния s в интервале 30 см<s<1000 см. Такой слой может состоять из частиц люминофора со средним диаметром d, составляющим 0,5 мкм≤d≤20 мкм. В другом примере глубина, по меньшей мере, одного углубления может составлять, по меньшей мере, половину от толщины первого флуоресцентного материала, предпочтительно 20 мкм. Посредством этого второй флуоресцентный материал располагается близко к источнику излучения, и свет от первого люминесцирующего материала может излучаться без взаимного влияния второго флуоресцентного материала. Для обеспечения возможности непосредственного возбуждения второго флуоресцентного материала источником света на базе СИД варианты осуществления предусматривают, по меньшей мере, одно углубление с углом раскрыва между 15° и 160°, предпочтительно 90°.
Другой особенностью этой заявки является устройство освещения, содержащее описанную ранее светоизлучающую систему.
Еще одной особенностью данной заявки является способ изготовления светоизлучающей системы с формированием углублений на поверхности первого флуоресцентного материала, размещением второго флуоресцентного материала в сформированных углублениях и закреплением первого флуоресцентного материала на источнике излучения. В частности, это подходит для создания описанной выше системы освещения.
50%
Другой особенностью данной заявки является способ изготовления светоизлучающей системы с первым флуоресцентным материалом, формирования пленки со связующим материалом со вторым флуоресцентным материалом и размещения этой пленки со вторым флуоресцентным материалом на источнике излучения с упомянутым первым люминесцирующим материалом. В частности, это подходит для создания описанной выше системы освещения. Пленки могут быть изготовлены диспергированием порошкового люминофора (d=5 мкм) в количестве от 1 до 20 процентов по массе в полимерном геле с высокой вязкоупругостью в качестве связующего материала подложки. Примеры связующих материалов включают в себя термопласты, термореактивные пластмассы, смолы, связующие, основные полимеры, мономеры, композиционные материалы и кремнийорганические соединения. Добавки растворителей могут быть использованы, чтобы регулировать вязкость и качество отверждения необходимых для изготовления пленок. Пленки могут быть сформированы такими приемами, как прессование, литье, экструзия, получение одноосно ориентированного волокнистого пластика, механическая обработка, термическая обработка и сварка в пластическом состоянии. Пленки могут быть сформированы с образованием требуемых размеров перед размещением на втором флуоресцентном материале.
Эти и другие особенности данной заявки будут более очевидны при разъяснении со ссылкой на следующие чертежи.
Фиг.1 иллюстрирует вид сбоку первого варианта осуществления системы освещения.
Фиг.2 иллюстрирует перспективный вид второго варианта осуществления системы освещения.
Фиг.3 иллюстрирует перспективный вид третьего варианта осуществления системы освещения.
Фиг.4 иллюстрирует вид в разрезе вариантов осуществления системы освещения.
Фиг.5 иллюстрирует спектры излучения и поглощения компонентов системы освещения в соответствии с вариантами осуществления.
Фиг.6 иллюстрирует другие спектры излучения и поглощения компонентов системы освещения в соответствии с вариантами осуществления.
Фиг.7 иллюстрирует другие спектры излучения и поглощения компонентов системы освещения в соответствии с вариантами осуществления.
Фиг.8 иллюстрирует спектры излучения для разных компоновок системы освещения в соответствии с вариантами осуществления.
50%
50%
Фиг.1 иллюстрирует вид сбоку на систему 1 освещения в соответствии с вариантами осуществления. Система 1 может содержать источник 2 излучения, который может быть, например, СИД, излучающим синий свет. На поверхности СИД 2 размещен первый флуоресцентный материал 4. Первый флуоресцентный материал 4 имеет плоскую поверхность, на которой размещен второй флуоресцентный материал 8. Первый флуоресцентный материал 4 предпочтительно является поликристаллической керамикой с плотностью более 97 процентов от плотности монокристаллического материала. Второй флуоресцентный материал 8 предпочтительно является порошком. Порошок может иметь средний размер частиц d, составляющий 100 нм<d<50 мкм. Порошок может быть нанесен на поверхность первого флуоресцентного материала напылением, электростатическим напылением или так называемым приемом фотоприклеивания. Также возможно нанесение второго флуоресцентного материала 8 в виде пленки, состоящей из связующего материала с люминофором, и размещение пленки со вторым флуоресцентным материалом на источнике излучения с упомянутым первым люминесцирующим материалом.
Фиг.2 иллюстрирует перспективный вид на систему 1 освещения в соответствии с вариантами осуществления. Система 1 может содержать источник излучения, который может быть, например, УФ-СИД 2. На поверхности СИД 2 размещен первый флуоресцентный материал 4. Первый флуоресцентный материал 4 имеет углубления 6, в которых размещен второй флуоресцентный материал 8.
Используемые флуоресцентные материалы 4, 8 могут реагировать на ультрафиолетовый свет, создаваемый люминесцентными лампами и светоизлучающими диодами, и видимый свет, создаваемый диодами синего свечения. Источник излучения требуется, чтобы излучать свет с длиной волны, способной к возбуждению флуоресцентных материалов 4, 8. Это могут быть газоразрядные лампы и полупроводниковые светоизлучающие устройства, излучающие синий и УФ свет, такие как светоизлучающие диоды и лазерные диоды.
Источники излучения включают в себя полупроводниковые источники оптического излучения и другие устройства, оптическое излучение которых происходит в ответ на электрическое возбуждение. Полупроводниковые источники оптического излучения включают в себя кристаллы светоизлучающего диода (СИД), светоизлучающие полимеры (LEP), органические светоизлучающие устройства (OLED), полимерные светоизлучающие устройства (PLED), и т.п.
Кроме того, для использования в качестве источников излучения также подходят такие светоизлучающие компоненты, как те, что находятся в газоразрядных лампах и люминесцентных лампах, таких как ртутные газоразрядные лампы низкого и высокого давления, серные газоразрядные лампы и газоразрядные лампы на базе молекулярных излучателей. Особенно хорошие результаты достигаются при использовании синих СИД 2, максимум излучения которых находится в области от 400 нм до 480 нм. Оптимальные диапазоны находятся от 440 нм до 460 нм и от 438 нм до 456 нм, с учетом конкретного спектра возбуждения используемых флуоресцентных материалов 4, 8.
3
5
12
3
5
12
3
5
12
1-x-y
x
y
3-a-b
1-m-n
m
n
5
12
a
b
3
5
12
3+
3+
Первый флуоресцентный материал 4 может представлять собой гранат зеленого/желтого излучения. Например, для видов применения, требующих белого света, подходит YAlO, легированный Ce (предпочтительно 0,15%). Узкий спектр возбуждения обычного YAlO:Ce приводит к зазору в объединенном спектре между излучением СИД 2 и излучением первого флуоресцентного материала 4. Расширение спектра возбуждения позволяет использование СИД 2, излучающего свет с длиной волны, которая может, по меньшей мере, частично заполнить зазор в спектре, что потенциально оказывает благоприятный эффект на цветопередачу объединенного света, излучаемого устройством. Хотя в представленном выше обсуждении первого варианта осуществления конкретно указан базовый гранат YAlO, следует понимать, что также могут быть использованы флуоресцентные материалы на базе граната общей формулы (LuYGd)(AlGaSc)O:CePr) при 0≤x≤1, 0≤y≤0,5, 0,001≤a≤0,02, 0,001≤b≤0,005, 0≤m≤0,5 и 0≤n≤0,5. Этот класс флуоресцентных материалов основан на активированной люминесценции кубических кристаллов граната. Гранаты представляют собой класс материалов с химической формулой кристаллов ABX. Атомы A могут быть выбраны из группы, содержащей Y, Gd, Lu, Tb, Yb, La, Ca, Sr, атомы B могут быть выбраны из группы, содержащей Al, Mg, Sc, B, Ga, Si, Ge, In, и атомы X могут быть выбраны из группы, содержащей O, N, F, S. Часть атомов A может быть замещена легирующими атомами, выбранными из группы, содержащей Ce, Pr, Sm, Eu, Dy, Ho, Er, Tm. Концентрация легирующих атомов может находиться в диапазоне 0,01-10 мол.% по отношению к атомам A, наиболее предпочтительно в диапазоне 0,1-2 мол.%.
1-x-y
x
3
y
2-x
5
8
x
2-y
5-x
x
8-x
x
y
2-x-y
x
5
8
y
Второй флуоресцентный материал 8 может представлять собой люминофор красного излучения. Примеры подходящих люминофоров красного излучения включают в себя CaSrAlSiN:Eu или SrSiN:Eu, где 0,005<x<0,05, или SrSiAlNO:Eu, где 0<x<2, 0,005<y<0,05, или BaSrSiN:Eu, где 0<x<1, 0,005<y<0,05.
Свет, излучаемый СИД 2, преобразуется по длине волны как первым флуоресцентным материалом 4, так и вторым флуоресцентным материалом 8. Синий свет, излучаемый СИД 2, смешивается с зеленым и красным светом, излучаемым первым флуоресцентным материалом 4 и вторым флуоресцентным материалом 8, чтобы образовать белый свет. Коррелированная цветовая температура (CCT) и индекс цветопередачи (CRI) этого белого света могут контролироваться изменением конструкции первого флуоресцентного материала 4 и второго флуоресцентного материала 8.
Структуры из флуоресцентных материалов 4, 8 могут быть образованы посредством формирования углублений в слое первого флуоресцентного материала 4, т.е. при использовании способов механической шлифовки и резки, обычных методик литографии и травления, нанесения второго флуоресцентного материала 8, т.е. посредством электрофоретического нанесения. В качестве альтернативы, структуры и слои флуоресцентного материала могут наноситься трафаретной печатью или струйной печатью или же напылением, электростатическим напылением или так называемым приемом фотоприклеивания. В конечном счете, комплект из первого флуоресцентного материала 4 и второго флуоресцентного материала 8 может быть размещен на СИД 2.
В соответствии с вариантами осуществления второй флуоресцентный материал 8 наносится в углублениях 6 первого флуоресцентного материала 4. Углубления 6 могут быть сформированы в виде ямок, канавок, впадин, полостей, выемок. Как показано на Фиг.1, углубления сформированы в виде канавок, которые параллельны друг другу вдоль длины первого флуоресцентного материала.
Другая компоновка в соответствии с вариантами осуществления показана на Фиг.3. Как можно видеть, углубления 6 размещены в виде выемок, которые равномерно распределены по поверхности первого флуоресцентного материала 4. Углубления 6 имеют дно, в котором может быть размещено глухое отверстие. Глухое отверстие на дне углубления 6 может быть использовано для нанесения второго флуоресцентного материала 8.
Вид в разрезе углублений 6 показан на Фиг.4. Второй флуоресцентный материал 8 нанесен в глухом отверстии 10 углубления 6. Глухое отверстие 10 размещено на донной поверхности углубления 6. Угол α составляет от 45° до 170°, предпочтительно 90°. Размер E предпочтительно составляет 170 мкм. Глубина углубления 6 и глухого отверстия 10 предпочтительно составляет 180 мкм. Общая толщина D предпочтительно составляет 350 мкм. Расстояние между двумя углублениями 6 предпочтительно составляет 0,5 мм.
Посредством изменения объема и размеров углубления может регулироваться коррелированная цветовая температура (CCT). Например, расстояние между, по меньшей мере, двумя углублениями может быть выбрано таким образом, чтобы оно составляло от 0,1 мм до 1 мм, предпочтительно 0,5 мм. Углубления могут быть сформированы на поверхности первого флуоресцентного материала в виде гребня. Глубина каждого углубления может составлять 180 мкм, а толщина первого флуоресцентного материала может составлять 350 мкм. Углубления в виде гребня могут быть сформированы пирамидами на поверхности первого флуоресцентного материала. Вершины пирамид могут быть срезаны.
В соответствии с вариантами осуществления, второй флуоресцентный материал может быть размещен внутри, по меньшей мере, одного углубления на поверхности первого флуоресцентного материала, так что комбинация первого света, второго света и третьего света имеет индекс цветопередачи выше 80 при коррелированной цветовой температуре менее 6000 K, предпочтительно менее 5000 K.
Например, глубина, по меньшей мере, одного углубления может составлять, по меньшей мере, половину от толщины первого флуоресцентного материала. Посредством этого второй флуоресцентный материал размещается вблизи источника излучения. Третий свет может излучаться в направлении света без взаимного влияния первого флуоресцентного материала. Кроме того, второй свет может излучаться в направлении света без взаимного влияния второго флуоресцентного материала.
Для обеспечения свободного излучения третьего света в направлении света варианты осуществления предусматривают, по меньшей мере, одно углубление с углом раскрыва между 45° и 120°, предпочтительно 90°. Проиллюстрированное размещение второго флуоресцентного материала 8 в углублении 6 обеспечивает поглощение лишь минимального количества света, излучаемого первым флуоресцентным материалом 4. Кроме того, второй флуоресцентный материал размещен вблизи СИД 2, так что уже свет от СИД 2 возбуждает второй флуоресцентный материал 8. Отверстия пирамидальной формы, сформированные в первом флуоресцентном материале 4, позволяют свету от второго флуоресцентного материала излучаться без искажений в направлении света. Как можно видеть из Фиг.4, углубление может быть сформировано в виде гребня. Каждое углубление может иметь пирамидальную форму. Вершины пирамид могут быть срезаны, что предоставляет ровную поверхность на первом флуоресцентном материале 4.
Фиг.5-7 иллюстрируют спектры излучения и поглощения. Представлены нормализованные спектры излучения СИД 2 (12), первого флуоресцентного материала 4 (14) и второго флуоресцентного материала 8 (16). Кроме того, представлены спектры поглощения (k) первого флуоресцентного материала 4 (18) и второго флуоресцентного материала 8 (20).
1-x
x
3
1-x
x
3
Фиг.5 иллюстрирует спектр 16 излучения второго флуоресцентного материала 8 CaSrAlSiN:Eu, где 0<x<1, и спектр 14 излучения граната YAG:Ce (0,3%), используемого в качестве первого флуоресцентного материала 4. Представлены также соответствующие спектр 20 поглощения второго флуоресцентного материала 8 CaSrAlSiN:Eu, где 0<x<1, и спектр 18 поглощения алюмоиттриевого граната YAG:Ce (0,3%), используемого в качестве первого флуоресцентного материала 4.
2-y
5-x
x
8-x
x
y
2-y
5-x
x
8-x
x
y
Фиг.6 иллюстрирует спектр 16 излучения второго флуоресцентного материала 8 SrSiAlNO:Eu, где 0<x<2, 0,005<y<0,05, и спектр 14 излучения алюмоиттриевого граната YAG:Ce (0,2%), используемого в качестве первого флуоресцентного материала 4. Представлены также соответствующие спектр 20 поглощения второго флуоресцентного материала 8 SrSiAlNO:Eu, где 0<x<2, 0,005<y<0,05, и спектр 18 поглощения алюмоиттриевого граната YAG:Ce (0,2%), используемого в качестве первого флуоресцентного материала 4.
2-x
5
8
x
2-x
5
8
x
Фиг.7 иллюстрирует спектр 16 излучения второго флуоресцентного материала 8 SrSiN:Eu, где 0,005<x<0,05, и спектр 14 излучения алюмоиттриевого граната YAG:Ce (0,5%), используемого в качестве в качестве первого флуоресцентного материала 4. Показаны также соответствующие спектр 20 поглощения второго флуоресцентного материала 8 SrSiN:Eu, где 0,005<x<0,05, и спектр поглощения 18 алюмоиттриевого граната YAG:Ce (0,5%), используемого в качестве первого флуоресцентного материала 4.
Фиг.8 иллюстрирует спектры излучения системы 1 освещения в соответствии с вариантами осуществления. График 22 иллюстрирует спектр излучения системы освещения, представленного на Фиг.2. График 26 иллюстрирует спектр излучения системы освещения, представленного на Фиг.1. В конечном счете, график 24 иллюстрирует спектр излучения системы освещения, в которой второй флуоресцентный материал 8 расположен между СИД 2 и первым флуоресцентным материалом 4.
Размещение углублений и нанесение материала в соответствии с данным изобретением обеспечивают создание белого света с индексом цветопередачи (CRI) выше 80 при цветовой температуре менее 6000 K, предпочтительно менее 5000 K.