ОСВЕТИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СОДЕРЖАЩАЯ МОНОЛИТНЫЙ КЕРАМИЧЕСКИЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
ILLUMINATION SYSTEM HAVING MONOLITHIC CERAMIC LUMINESCENCE CONVERTER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение касается осветительной системы, содержащей источник излучения и монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий, по меньшей мере, один люминофор, способный поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света. Предпочтительно, источник света представляет собой светоизлучающий диод.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данной области техники известно, что освещение видимым, белым или окрашенным светом может быть обеспечено путем преобразования цвета светоизлучающих диодов, излучающих в диапазоне от УФ до синего цвета электромагнитного спектра, с помощью люминесцентного материала, содержащего люминофор.
Такие люминофор-преобразующие "белые" СИД системы основаны, в частности, на двухцветном (BY) подходе, т.е. смешении желтого и синего цветов, и в этом случае желтый вторичный компонент выходящего света может обеспечиваться с помощью желтого люминофора, а синий компонент может обеспечиваться с помощью люминофора или с помощью первичного излучения синего СИД.
Белые осветительные системы могут, в другом случае, основываться на трехцветном (RGB) подходе, т.е. смешении трех цветов, а именно красного, зеленого и синего, и в этом случае красный и зеленый компоненты могут обеспечиваться с помощью люминофора, а синий компонент с помощью первичного излучения сине-излучающего СИД.
Так как современные достижения технологии светоизлучающих диодов предоставили очень эффективные светоизлучающие диоды, излучающие в области от ближнего УФ до синего цвета, сегодня множество люминофор-преобразующих светоизлучающих диодов, испускающих окрашенный и белый цвет, присутствует на рынке, вытесняя традиционное накаливающее и люминесцентное освещение.
Обычное люминофор-преобразующее светоизлучающее устройство, как правило, использует конструкцию, в которой полупроводниковая микросхема, содержащая сине-излучающий СИД, покрыта слоем эпоксидной смолы, содержащей порошки частиц одного или нескольких люминофоров.
В совсем недавнем подходе полупроводниковую микросхему покрывают слоем частиц одного или нескольких люминофоров, которые осаждают с помощью технологии электрофоретического осаждения (ТЭО). Такая технология обеспечивает слои люминофора, которые тоньше, чем слои люминофора со смоляным связующим. Это дает лучший контроль цветности и улучшенную яркость.
Однако проблема осветительных систем предшествующего уровня техники, содержащих порошки частиц люминофоров, заключается в том, что они не могут использоваться для многих приложений, так как они имеют ряд недостатков:
Во-первых, осаждение слоя частиц люминофора однородной толщины является затруднительным. Частицы люминофора имеют тенденцию агломерировать, и поэтому обеспечение однородного люминофорного слоя с частицами известного размера зерен затруднительно. Так как однородность цвета требует однородности толщины слоя, однородность цвета трудно гарантировать.
Во-вторых, обычные люминофорные частицы переносят в люминофорные слои, которые рассеивают большую часть света, излучаемого СИД, обратно в кристалл, который является относительно поглощающим, приводя к меньшей эффективности извлечения света.
WO 2006/087660 описывает осветительную систему, содержащую источник излучения и монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий, по меньшей мере, один люминофор, способный поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света, дополнительно содержащую один или несколько вторых люминесцентных преобразующих элементов, где второй люминесцентный преобразующий элемент представляет собой покрытие, содержащее люминофор, или где второй люминесцентный преобразующий элемент представляет собой второй монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий второй люминофор.
Монолитные керамические люминесцентные преобразователи могут быть полупрозрачными или прозрачными. Следовательно, они не препятствуют пропусканию света, и рассеяние является минимальным.
Но безотносительно того, где или как люминесцентные преобразователи, предложенные в WO 2006/087660, располагаются в данном устройстве, большинство частиц первого люминофора находятся ближе к кристаллу СИД и принимают падающий свет от кристалла СИД прежде частиц второго люминофора. Поэтому даже эти устройства, содержащие монолитные керамические люминесцентные преобразователи, варьируют по температуре цвета вдоль их поверхностей.
US 2005/0169582 А1 описывает люминесцентную керамику для светоизлучающего устройства, которая может содержать множество люминофоров, смешанных вместе.
Поэтому целью настоящего изобретения является обеспечить люминесцентно-преобразующий светоизлучающий диод с улучшенной однородностью цвета излучаемого света.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
2
2
5
8
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает осветительную систему, содержащую источник излучения и монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий композитный люминесцентный материал, содержащий, по меньшей мере, один первый люминофор и, по меньшей мере, один второй люминофор, способные поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света, где первый люминофор представляет собой зелено-излучающий люминофорный материал, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий люминофорный материал и где первый люминофор представляет собой зелено-излучающий оксонитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiNO:Eu, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий нитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiN:Eu. Существует легкий путь изготовления такого описанного керамического люминесцентного преобразователя. В комбинации с сине-излучающим диодом излучаемый свет будет белым светом.
Осветительная система согласно данному изобретению будет излучать свет, который представляет собой тесную смесь света, излучаемого источником излучения, и света, излучаемого композитным монолитным люминесцентным преобразователем, содержащим множество люминофоров. Следовательно, излучаемый свет имеет только вариации цвета, которые незаметны для человеческого глаза, и только небольшие и постепенные вариации интенсивности.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления данного изобретения источник излучения представляет собой светоизлучающий диод. Такая осветительная система известна, как люминофор-преобразующие светоизлучающие диоды (лпСИД). Таким образом, композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь сильно упрощает изготовление различных геометрий люминофор-преобразующих светоизлучающих диодов. По сравнению с обычными решениями с порошком люминофора данное изобретение также демонстрирует следующие преимущества: более высока эффективность упаковки, более высокая яркость, манипуляторная сборка и улучшенный контроль цветной точки в лпСИД.
Согласно одному варианту данного изобретения композитный люминесцентный материал представляет собой многочастичный композит. Композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий многочастичный композит, может быть образован в виде компактного единого элемента с однородным пространственным распределением множества люминофорных материалов. Так как белая точка и цветопередача люминофор-преобразующего светоизлучающего диода (лпСИД) очень чувствительны к пространственному распределению зерен люминофора в устройстве, контроль цветности значительно улучшается. Соответственно, брак таких лпСИД очень низкий, так как надлежащую смесь люминофоров легко контролировать.
Согласно другому варианту данного изобретения композитный люминесцентный материал представляет собой сложенный многослойный композит. Данный композит включает в себя, по меньшей мере, слои первого и второго компонентов, которые повторяются. В случаях, когда совместная керамическая обработка разных люминофорных материалов невозможна, сложенный многослойный композит является полезной альтернативой многочастичному композиту.
2
2
2
2
5
8
Особенно предпочтительным вариантом осуществления данного изобретения является композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, где первые керамические зерна образованы из зелено-излучающего люминофорного материала, а вторые керамические зерна образованы из красно-излучающего люминофорного материала. Этот вариант осуществления особенно полезен, если первый люминофор представляет собой зелено-излучающий люминофор оксонитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiNO:Eu, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий люминофор нитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiN:Eu, так как существует легкий путь изготовления таких описанных керамических люминесцентных преобразователей. В комбинации с сине-излучающим диодом испускаемый свет будет белым светом.
Другой подходящей альтернативой является монолитный керамический люминесцентный преобразователь, где первый люминофор представляет собой желто-излучающий люминофор, а второй люминофор представляет собой сине-излучающий люминофор. В комбинации с УФ-излучающим диодом испускаемый свет также будет белым светом.
2
2
2
2
5
8
Данное изобретение также касается композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя, содержащего композитный люминесцентный материал, содержащий, по меньшей мере, один первый люминофор и, по меньшей мере, один второй люминофор, способные поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света, где первый люминофор представляет собой зелено-излучающий люминофорный материал, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий люминофорный материал и где первый люминофор представляет собой зелено-излучающий оксонитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiNO:Eu, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий нитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiN:Eu. Композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь устраняет необходимость отдельного расположения для каждого из люминофорных материалов и обеспечивает сильно увеличенные характеристики смешения света. Композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь легко механически обрабатывать до равномерной толщины, поэтому эффект преобразования цвета является одинаковым вдоль поверхности, обеспечивая более однородный композитный свет, чем устройства предшествующего уровня техники.
Как известно экспертам, изготовлению СИД мешает оптическая изменчивость и неточный контроль способа. Изготовители СИД в настоящее время решают вопрос с изменчивостью способа путем "накопления" кристаллов СИД с любым набором измеренных свойств оптического выхода, таких как, например, длина волны и/или сила света, и затем повторного накопления конечных люминофор-преобразующих СИД с любым набором измеренных свойств оптического выхода, таких как, например, CIE х и y координаты цвета, коррелированная температура цвета (КТЦ) и/или поток излучения.
Преимуществом настоящего изобретения является то, что композитные монолитные люминесцентные преобразователи могут накапливаться раздельно, т.е. группироваться и храниться, согласно из свойствам преобразования света. С помощью группирования КЛП на основе их свойств преобразования света изготовление люминофор-преобразующих СИД может сильно упрощаться, так как люминесцентный преобразующий элемент, имеющий желаемое свойство преобразования света, можно легко обнаружить и подобрать к нему кристалл СИД для получения желаемого результата.
2
2
2
2
5
8
3
4
Согласно другому аспекту данного изобретения обеспечивается способ изготовления композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя, содержащего композитный люминесцентный материал, содержащий, по меньшей мере, один первый люминофор и, по меньшей мере, один второй люминофор, способные поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света, путем (i) приготовления порошковой смеси посредством смешения предшественника первого люминофорного материала со вторым материалом, который выбирают из группы из второго люминофорного материала и предшественника второго люминофорного материала, (ii) прессования и формования порошковой смеси в заготовку и (iii) совместного спекания заготовочной смеси, где первый люминофор представляет собой зелено-излучающий оксонитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiNO:Eu, а второй люминофор представляет собой красно-излучающий нитридосиликат щелочноземельного элемента, легированный европием (II), с общей формулой AeSiN:Eu, где предшественник первого люминофора и предшественник второго люминофора содержат смешанный оксид щелочноземельного металла AeO:Eu и европия, и нитрид кремния SiN.
Процесс совместного спекания заготовочных керамических элементов обеспечивает улучшенный размерный контроль во время спекания и снижает производственные затраты.
В одном применимом варианте способа согласно данному изобретению материал предшественника представляет собой порошок зеленого (не спеченного) керамического люминофора. С помощью этого способа материалы первого и второго люминофоров объединяются и затвердевают, образуя твердый композитный материал таким путем, который гарантирует, что химические реакции между первым и вторым люминофорами подавляются.
Эти и другие задачи, признаки и преимущества будут видны из последующего подробного описания, краткого описания чертежей, формулы изобретения и чертежей.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение фокусируется на композитном монолитном керамическом люминесцентном преобразователе (КЛП), содержащем люминесцентный материал, содержащий множество люминофоров, по меньшей мере, один первый и, по меньшей мере, один второй люминофор, в любой конфигурации осветительной системы, содержащей источник первичного излучения. Применяемый здесь термин "излучение" охватывает излучение в УФ, ИК и видимой областях охватывает излучение в УФ, ИК и видимой областях электромагнитного спектра.
В целом, керамический люминесцентный преобразователь представляет собой керамику, которая испускает электромагнитное излучение в видимом или почти видимом спектре, когда возбуждается высокоэнергетическими электромагнитными фотонами.
Монолитный керамический люминесцентный преобразователь представляет собой керамическое тело, которое отличается своей типичной микроструктурой. Микроструктура монолитного керамического люминесцентного преобразователя является поликристаллической, т.е. нерегулярным конгломератом скрытокристаллических, микрокристаллических или нанокристаллических кристаллитов. Во время получения кристаллиты растут так, что приходят в тесный контакт и формируют границы зерен. Макроскопически, монолитная керамика кажется изотропной; однако поликристаллическую структуру легко обнаружить с помощью СЭМ (сканирующей электронной микроскопии).
Благодаря своей монолитной поликристаллической микроструктуре монолитные керамические люминесцентные преобразователи являются прозрачными или имеют, по меньшей мере, высокую оптическую полупрозрачность с низким поглощением света.
Монолитный керамический люминесцентный преобразователь согласно данному изобретению содержит, по меньшей мере, один первый и, по меньшей мере, один второй люминофор (или три, или четыре) в композитном расположении, каждый из которых имеет свои собственные характеристики излучения.
Данное изобретение является продуктивным с множеством люминофорных материалов. Люминофорные материалы обычно являются неорганическими по составу, предпочтительно имеют длины волн возбуждения в диапазоне электромагнитного спектра от синего до ближнего УФ (300-475 нм) и длины волн излучения в диапазоне видимых длин волн. Смесь из множества люминофорных материалов составляют, чтобы достичь желаемого баланса цвета, воспринимаемого наблюдателем, например, смесь красно- и зелено-излучающих люминофоров или сине- и желто-излучающих люминофоров. Люминофорные материалы, имеющие более широкие полосы излучения, применимы для люминофорных смесей, имеющих более высокие индексы цветопередачи. Такие люминофоры, которые преобразуют свет в диапазоне приблизительно от 300 до 475 нм в большие длины волн в видимом диапазоне, хорошо известны в данной области техники.
Относительно приготовления композитных керамических люминесцентных преобразователей, особенно важным аспектом является то, что множество люминофорных материалов объединяется и затвердевает, образуя композитный материал, таким образом, который гарантирует, что микроструктура твердого монолитного композита отличается люминофорными зернами, которые сохраняют свои соответствующие люминесцентные свойства.
Для достижения этого аспекта индивидуальные составляющие материалы должны, по существу, не реагировать друг с другом, чтобы сохранять их особые кристаллические фазы, так как любое взаимодействие существенно уменьшит желаемые люминесцентные свойства.
В первом варианте способа изготовления композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя, содержащего множество люминофоров в смешанном расположении, компоненты композитного люминесцентного материала обеспечивают в многочастичном смешанном расположении.
Такой многочастичный композит готовили согласно двум способам. Каждый способ включал в себя приготовление (i) порошковой смеси предшественника первого люминофорного материала со вторым материалом, который выбирают из группы, состоящей из второго люминофорного материала и предшественника второго люминофорного материала, (ii) прессование порошка и формование смеси в заготовку и (iii) совместное спекание заготовочной смеси.
Очевидно, что относительные количества первого и второго люминофорных материалов можно выбирать так, чтобы влиять на конечные свойства композита, и можно широко варьировать в зависимости от желаемого применения.
В первом способе многочастичный композит изготавливают путем смешивания частиц, по меньшей мере, одного материала предшественника первого люминофора со вторым люминофорным материалом.
В одном варианте осуществления первого способа предшественник первого люминофорного материала обеспечивают в виде "зеленого" керамического материала. "Зеленый" в данном контексте относится к обожженному, но еще не спеченному керамическому материалу.
"Зеленый" керамический материал имеет плотность меньше, чем теоретическая плотность, обычно меньше чем 65% от теоретической плотности. Он также обычно имеет размер зерен в диапазоне от 0,1 до 10 мкм.
Этот "зеленый" материал предшественника первого люминофорного материала объединяют со вторым люминофорным материалом с предварительно спеченными зернами грубого размера (размер частиц приблизительно от 1,0 до 50 микрон). Первый люминофорный материал предпочтительно является материалом с меньшей температурой спекания по сравнению со вторым люминофором. Раздельное спекание люминофоров помогает сохранять фазовое разделение компонентов и, таким образом, снижает вероятность взаимодействия между компонентами.
Два материала смешивают, используя стандартные технологии шарового измельчения, хотя другие способы, известные в данной области техники, также могут быть использованы с приемлемыми результатами.
После достаточного смешения смесь формуют в заготовку. Твердая смешанная заготовка должна демонстрировать достаточную прочность и жесткость, чтобы сопротивляться разделению на кристаллы и образованию трещин, а также позволять предварительное формование.
Заготовку затем спекают в условиях спекания по температуре и атмосфере, которые применяют для спекания первого люминофорного материала. Условия спекания обеспечивают для желаемого количества времени для уплотнения керамики до, по существу, ее теоретической плотности, с тем чтобы образовать прозрачный материал. Эти параметры гарантируют минимальную пористость и максимальную плотность без взаимодействия составляющих люминофорных материалов.
Особенно предпочтительным является горячее изостатическое прессование или, в противном случае, холодное изостатическое прессование с последующим спеканием. Комбинация холодного изостатического прессования и спекания с последующим горячим изостатическим прессованием также может применяться.
Тщательный контроль процесса уплотнения необходим для контроля роста зерен и удаления остаточных пор.
Композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь формируют путем нагрева первого легированного порошкового люминофора и второго легированного порошкового люминофора при высокой температуре, пока поверхности частиц начнут образовывать сильную связь или шейку с точках контакта частиц. Во время спекания частично соединенные частицы образуют жесткий агломерат, который дополнительно уменьшает свою пористость путем дальнейшего роста шеек. Границы зерен образуются и движутся так, что некоторые зерна растут за счет других. Эта стадия продолжается, пока каналы пор соединяются (открытая пористость), пока поры не изолируются (закрытая пористость). На последней стадии спекания поры становятся закрытыми и медленно устраняются вдоль границ зерен до достижения полного уплотнения.
Формующая и спекающая обработки люминофорного материала дают композитное монолитное керамическое тело, которое легко хранить и механически обрабатывать современными керамическими процедурами. Предпочтительно, композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь полируют, чтобы получить гладкую поверхность и затруднить диффузное рассеяние, вызываемое поверхностной шероховатостью.
Особенно преимущественные эффекты по сравнению с предшествующим уровнем техники получают, используя монолитный керамический люминесцентный преобразователь согласно данному изобретению, имеющий многочастичный композит, где поверхность частиц грубо-зернистого красно-излучающего люминофора покрыта слоем тонко-зернистых частиц зеленого люминофора. В этом люминесцентном композитном материале смешивание света особенно улучшается.
2
2
2
2
5
8
Согласно этому конкретному варианту осуществления композитный керамический люминесцентный преобразователь имеет композицию, состоящую, по существу, из от 70 до 90 мас.% зелено-излучающего SrSiON:Eu в качестве первого люминофорного материала и от 10 до 30 мас.% красно-излучающего (Ba,Sr)SiN:Eu в качестве второго люминофорного материала.
2
2
2
Приготовление материала предшественника первого зелено-излучающего люминофорного материала SrSiON:Eu начинается с приготовления смешанных оксидов двухвалентных металлов стронция и европия SrO:Eu.
Чтобы приготовить смешанные оксиды SrO:Eu двухвалентных металлов, высокочистые нитраты, карбонаты, оксалаты и ацетаты щелочноземельных металлов и европия(III) растворяли путем перемешивания в 25-30 мл дистиллированной воды. Желательная концентрация европия(III) составляет приблизительно от 1 до 6 мольных процентов.
Растворы перемешивают, пока нагревают на электрической плитке до того, как вода испарится, приводя к белой или желтой пасте в зависимости от композиции.
Твердые вещества сушат на протяжении ночи (12 часов) при 120°С. Полученное твердое вещество тонко измельчают и помещают в тигель из высокочистого оксида алюминия. Тигли загружают в резервуар, содержащий древесный уголь, и затем в трубчатую печь, после чего их продувают током азота/водорода в течение нескольких часов. Параметры печи составляют 10°С/мин до 1100°С с последующим 4-часовым пребыванием при 1100°С, после чего печь выключают и позволяют остывать до комнатной температуры.
3
4
2
Смешанные оксиды двухвалентных металлов затем смешивают с нитридом кремния SiN, оксидом кремния SiO и, в конечном счете, с флюсом в заданном отношении.
Смесь помещают в тигель из высокочистого оксида алюминия. Тигли загружают в резервуар, содержащий древесный уголь, и затем в трубчатую печь и продувают током азота/водорода в течение нескольких часов. Параметры печи составляют 10°С/мин до 1200°С с последующим 4-часовым пребыванием при 1200°С, после чего печь медленно охлаждают до комнатной температуры.
2
2
2
Образцы снова тонко измельчают перед тем, как выполняют второй этап прокаливания при 1300°С, чтобы приготовить "зеленый", неспеченный, сверхтонкий материал предшественника для зелено-излучающего SrSiNO:Eu.
2
5
8
Приготовление грубозернистого, предварительно спеченного, второго порошкового материала из красно-излучающего (Ba,Sr)SiN:Eu начинают также с приготовления смешанных оксидов двухвалентных металлов (Ba,Sr)O:Eu.
3
4
2
5
8
Оксиды двухвалентных металлов (Ba,Sr)O:Eu смешивают с нитридом кремния SiN и углеродом в заданном отношении. Смесь помещают в тигель из высокочистого карбида кремния. Тигли загружают в резервуар, содержащий древесный уголь, и затем в трубчатую печь и продувают током азота/водорода в течение нескольких часов. Параметры печи составляют 10°С/мин до 1450°С с последующим 4-часовым пребыванием при 1450°С, после чего печь медленно охлаждают до комнатной температуры. Образцы снова тонко измельчают перед тем, как выполняют второй этап прокаливания при 1500°С. Спеченный грубозернистый керамический порошок (Ba,Sr)SiN:Eu имеет средний размер зерен от 2 до 8 мкм.
Чтобы приготовить композитный монолитный КЛП, сверхтонкий субмикронный материал предшественника первого люминофорного материала и грубозернистый спеченный второй люминофорный материал смешивают с помощью мокрого измельчения.
2
2
Порошковую смесь затем сушат на воздухе при приблизительно 100°С. Смесь одноосно прессуют в керамические диски и затем дополнительно прессуют с помощью холодного изостатического прессования (3,2 кбар). Заготовки спекают в атмосфере Н/N (5/95) в течение 2-12 ч при 1550°С.
Обычно спекание выполняют в восстановительной атмосфере. Азотная атмосфера, азот-водородная атмосфера, аммиачная атмосфера и атмосфера инертного газа, такого как аргон, могут служить примерами восстановительной атмосферы.
2
2
2
2
5
8
7
10
После охлаждения до комнатной температуры полученную композитную монолитную керамику распиливают на диски. Эти диски шлифуют и полируют, чтобы получить конечный полупрозрачный композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий зерна зелено-излучающего SrSiNO:Eu и красно-излучающего (Ba,Sr)SiN:Eu люминофоров в керамической матрице. Полупрозрачный композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь может также содержать небольшое количество керамических зерен, образованных из материала (Ba,Sr,Eu)SiN, что не оказывает отрицательного влияния на люминесцентные свойства композитного материала.
Микроструктура КЛП этого конкретного варианта осуществления имеет статистическую зернистую структуру кристаллитов, образующую сеть границ зерен при увеличении 1000:1. Данная керамика демонстрирует плотность, по меньшей мере, 97% от теоретической плотности. Плотность образов может быть дополнительно улучшена путем последующего прокаливания керамики в азотной атмосфере (температурный диапазон: 1500-1780°С, диапазон давлений: от 2000 до 30000 PSI (от 138 до 2,070 бар), чтобы удалить оставшуюся пористость.
При использовании вышеописанного способа обработки люминофорные материалы способны сохранять свои люминесцентные свойства. Это результат является очень неожиданным, так как некоторое снижение соответствующих свойств ожидалось, когда совместно спеченные материалы образуют композит. Однако никакой существенной потери люминесцентных свойств не происходит.
Во втором способе изготовления композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя, содержащего многочастичные композитные материалы предшественника первого и материал предшественника второго люминофора смешивают для дальнейшей обработки.
Этот второй способ приготовления композитного керамического люминесцентного преобразователя согласно данному изобретению является пригодным, когда первый и второй люминофоры имеют соответствующую химическую композицию и предшественники первого и второго люминофоров могут реагировать вместе.
В данном примере красные люминофоры, содержащие европий(II) в основной матрице из нитридосиликата щелочноземельного металла, и зеленые люминофоры, содержащие европий(II) в близко соответствующей основной матрице из оксонитридосиликата щелочноземельного металла из первого варианта осуществления, описанного выше, могут быть приготовлены вместе путем реакции нитрида кремния с оксидом стронция и/или оксидом другого щелочноземельного металла, выбранным из оксидов магния, кальция, стронция и бария, по уравнению:
3
4
2
5
8
2
2
2
4 AeO:Eu + 3 SiN → AeSiN:Eu + 2 AeSiNO:Eu
Исходный порошок для такой композиции может быть изготовлен путем образования смеси компонентов предшественников обоих люминофоров в соответствующих количествах. Под соответствующими количествами понимают относительные концентрации, которые дают конечное прозрачное тело, содержащее желаемые относительные пропорции катионов.
2
2
2
2
5
8
3
4
3
4
2
2
Для одноэтапного синтеза композита SrSiNO:Eu/SrSiN:Eu, SrO:Eu(2%) смешивают с SiN в сухой атмосфере с молярным отношением SrO:Eu: SiN = 1,5:1 и обжигают при 1500°С в потоке Н/N (5/95) в течение 4 ч. Полученный порошок затем подвергают горячему прессованию в покрытой графитом матрице из нитрида бора при 100 МПа, 1550°С в течение двух часов в вакууме. После горячего прессования керамику дополнительно прокаливают в азоте при Т=1200-1400°С.
2
2
2
2
5
8
Спекающая обработка в таких условиях вызывает реакцию между твердыми фазами предшественников с получением кристаллического агломерата из двух разных люминофоров SrSiNO:Eu и SrSiN:Eu в смешанном расположении.
Кроме упомянутого многочастичного композита компоненты люминесцентного материала могут также формировать слоистый композит в многослойном расположении.
В слоистом композите первый слой содержит люминофорные частицы первого люминофорного материала, а второй слой содержит люминофорные частицы второго люминофорного материала.
Ленточное литье с использованием ракельной технологии широко применяют при получении керамических слоистых многослойных композитов. В этом процессе суспензию керамического люминофорного порошка в жидкой системе, образованной из растворителей, связующих и пластификаторов, отливают на поверхность движущегося носителя. Суспензия проходит под ножом лопатки, который "переделывает" данную суспензию в слой контролируемой толщины и ширины, когда поверхность носителя продвигается вдоль опорного стола. Когда растворители испаряются, керамические частицы коалесцируют в относительно плотную гибкую пленку, которую можно сдирать с носителя в непрерывный лист. Лист режут по размеру, упаковывают попеременно с листами второго материала в надлежащей последовательности и ламинируют, образуя твердый композитный ламинат. Ламинат обжигают, чтобы разложить и удалить органическое связующее и спекать люминофорные частицы, формируя плотный композитный монолитный КЛП.
В добавление к их структурной однородности и целостности, слоистые многослойные композиты данного изобретения демонстрируют физические свойства, которые можно тщательно регулировать в очень широком диапазоне допустимых значений. Следовательно, свойства конечных продуктов зависят просто от композиций, толщин и свойств фольг, выбранных для их внедрения.
В определенных вариантах осуществления данного изобретения может быть полезно дополнительно формовать спеченный композитный монолитный КЛП, что можно делать, используя стандартные процедуры, хорошо известные для керамических материалов. Например, огрубление верхней поверхности композитного монолитного КЛП может быть полезно для рассеяния преобразованного света для улучшения выходящего света, в частности, например, когда КЛП имеет высокий показатель преломления.
Согласно второму аспекту данного изобретения обеспечивается осветительная система, содержащая источник излучения и композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий композитный люминесцентный материал, содержащий, по меньшей мере, один первый люминофор и, по меньшей мере, один второй люминофор, способные поглощать часть света, испускаемого источником излучения, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света.
Источники излучения предпочтительно включают в себя полупроводниковые оптические излучатели и другие устройства, которые испускают оптическое излучение в ответ на электрическое возбуждение. Полупроводниковые оптические излучатели включают в себя светоизлучающие диодные СИД кристаллы, светоизлучающие полимеры (СИП), лазерные диоды (ЛД), органические светоизлучающие устройства (ОСИД), полимерные светоизлучающие устройства (ПСИД) и т.д. Кроме того, такие источники излучения, которые находятся в газоразрядных лампах и флуоресцентных лампах, таких как ртутные газоразрядные лампы низкого и высокого давления, серные газоразрядные лампы и газоразрядные лампы, основанные на молекулярных излучателях, а также рентгеновские трубки также рассматриваются для применения в качестве источников излучения с люминесцентным преобразователем настоящего изобретения.
В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения источник излучения представляет собой светоизлучающий диод.
Любая конфигурация осветительной системы, которая включает в себя светоизлучающий диод или массив светоизлучающих диодов и композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, содержащий множество люминофоров, рассматривается в настоящем изобретении, чтобы достичь конкретного цветного или белого света при излучении с помощью СИД, испускающего первичный УФ или синий света, как указано выше.
Возможные конфигурации, применимые для соединения композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя со светоизлучающим диодом или массивом светоизлучающих диодов, содержат эпитаксиальные устройства, а также устройства с перевернутым кристаллом.
Подробная конструкция одного варианта осуществления такой осветительной системы, содержащей источник излучения и композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь, будет теперь описана.
Фиг.1 схематично показывает конкретную структуру твердотельной осветительной системы 1, содержащей композитный монолитный керамический люминесцентный преобразователь 2, где СИД кристалл 4 упакован в конфигурации перевернутого кристалла на подложке 6, причем оба электрода 5 контактируют с соответствующими выводами без использования связывающих проводов. СИД кристалл перевернут верхней стороной вниз и присоединен к теплопроводящей подложке. Монолитный керамический люминесцентный преобразователь сформирован в виде диска, который расположен таким образом, что большая часть света, испускаемого из светоизлучающего диода, входит в данный диск под углом, который приблизительно перпендикулярен поверхности диска. Чтобы достичь этого, отражатель 3 обеспечивают вокруг светоизлучающего диода, чтобы отражать свет, который испускается из светоизлучающего диода, в направлении диска.
Хотя фиг.2 показывает конкретную структуру СИД, настоящее изобретение не зависит от какой-либо конкретной структуры СИД кристалла. Например, число подложек и полупроводниковых слоев в СИД кристалле и детальная структура активной области могут меняться. Дополнительно, СИД кристалл показан на фиг.1 имеющим архитектуру типа "перевернутого кристалла", т.е. электроды 5 находятся на одной стороне СИД кристалла 1. Если желательно, однако, другие типы архитектуры СИД кристалла могут быть использованы с настоящим изобретением, такие как имеющие электроды 5 на противоположных сторонах кристалла.
Люминесцентный преобразователь может прикрепляться к СИД кристаллу 2, например, путем расположения прозрачного связывающего слоя 7 из высокотемпературного, оптически прозрачного, смолистого материала, такого как эпоксидная смола, силикон или подобное, между люминесцентным преобразователем и СИД кристаллом. После затвердевания связывающий слой 7 удерживает преобразователь на СИД кристалле.
Альтернативно, стекло с низкой температурой размягчения применимо для связывания композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя непосредственно с любым СИД кристаллом. Данные материалы могут связываться путем повышения температуры СИД кристалла и композитного монолитного КЛП выше температуры размягчения стекла и приложения давления, чтобы сжать материалы вместе.
При работе электрическое питание подают к кристаллу для активации кристалла. Будучи активированным, кристалл излучает первичный свет, например синий свет. Часть излучаемого первичного света полностью или частично поглощается керамическим люминесцентным преобразователем. Керамический люминесцентный преобразователь затем излучает вторичный свет, т.е. преобразованный свет, имеющий большую пиковую длину волны относительно поглощения первичного света. Оставшаяся непоглощенная часть излученного первичного света проходит сквозь керамический люминесцентный преобразователь вместе с вторичным светом.
Отражатель направляет непоглощенный первичный свет и вторичный свет в общем направлении в виде выходящего света. Таким образом, выходящий свет является смешанным светом, который состоит из первичного света, излученного кристаллом, и вторичного света, излученного флуоресцентным слоем.
Температура цвета или цветовая точка выходящего света осветительной системы согласно данному изобретению будет меняться в зависимости от спектральных распределений и интенсивностей вторичного света по сравнению с первичным светом.
Во-первых, температура цвета или цветовая точка первичного света может изменяться с помощью подходящего выбора светоизлучающего диода.
Во-вторых, температура цвета или цветовая точка вторичного света может изменяться с помощью подходящего выбора люминофорных композиций в композитном монолитном керамическом люминесцентном преобразователе.
Также, толщину и относительные содержания люминофоров в композите можно варьировать, чтобы преобразовывать желаемый процент первичного света, который падает на композитный монолитный КЛП.
В зависимости от длины волны испускаемого света светоизлучающего диода и люминофоров, может обеспечиваться излучение света произвольной точки диаграммы цветности в цветовом треугольнике (многоугольнике), образованном цветовыми точками двух (множеством) люминофоров и светоизлучающим элементом.
Согласно одному аспекту данного изобретения выходящий свет осветительной системы может иметь такое спектральное распределение, что оно выглядит "белым" светом.
Термин "белый свет" означает свет, который возбуждает красные, зеленые и синие сенсоры человеческого глаза, вызывая впечатление, которое обычный наблюдатель считает "белым". Такой свет может быть смещен к красному (обычно называется теплый белый свет) или синему (обычно называется холодный белый свет). Такой свет может иметь индекс цветопередачи до 100. Особенно предпочтителен свет белого диапазона, который имеет цветность, расположенную на линии цветностей черного тела в диаграмме цветности.
В первом варианте осуществления излучающей белый свет осветительной системы согласно данному изобретению данное устройство преимущественно может быть получено путем выбора такого люминесцентного материала, что синее излучение, испускаемое синим светоизлучающим диодом, преобразуется в дополняющие диапазоны красных и зеленых длин волн, образуя теплый белый свет.
В этом варианте осуществления диод выбирают из синего излучающего диода или фиолетового излучающего диода, первый тип люминофорных частиц способен излучать красный свет при возбуждении светом от такого диода, и второй тип люминофорных частиц способен излучать зеленый свет при возбуждении светом от такого диода. В таком варианте осуществления светоизлучающее устройство, таким образом, излучает свет, имеющий множество компонентов длин волн, благодаря (а) свету, излучаемому из диода, который проходит (непоглощенным) сквозь люминофорный слой, (b) красному свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором, излученного диодом света, и (с) зеленому свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором, излученного диодом света. Результатом является светоизлучающее устройство, которое излучает белый свет.
2
5
8
2
2
2
В предпочтительном варианте осуществления данного изобретения зеленый и красный свет получают с помощью люминофорных материалов композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя, который содержит красно-излучающий (590-650 нм) люминофор с общей формулой AeSiN:Eu, зелено-излучающий (500-560 нм) люминофор с общей формулой AeSiNO:Eu, где Ае представляет собой, по меньшей мере, один щелочноземельный металл, выбранный из группы из кальция, бария и стронция.
Особенно хорошие результаты достигаются с синим СИД, максимум излучения которого лежит от 380 до 480 нм. Оптимум был обнаружен в диапазоне от 445 до 468 нм, особенно принимая во внимание спектр возбуждения европий(II)-активируемых люминофоров.
Излучающая белый свет, осветительная система согласно данному изобретению может быть особенно предпочтительно реализована путем установки полированного композитного монолитного керамического люминесцентного преобразователя согласно данному изобретению с размерами 1,0×1,0×0,1 мм на 1 Вт (Al, In, Ga)N СИД кристалле, излучающем при 458 нм.
2
5
8
2
2
2
2
Фиг.2 показывает спектр излучения лпСИД с композитным монолитным керамическим люминесцентным преобразователем, содержащим SrSiN:Eu и SrSiNO:Eu в комбинации с сине-излучающим СИД, имеющим максимальное излучение при 460 нм. Коррелированную температуру цвета КТЦ измерили как 4200 К, индекс цветопередачи как Ra=80-92 (R9<60).
Соответствующая цветовая точка имеет координаты х=0,377 и y=0,392.
При сравнении со спектральным распределением белого выходящего света, генерируемого осветительной системой предшествующего уровня техники, содержащей YAG:Се, очевидная разница в спектральном распределении заключается в сдвиге длины волны пика, который находится в красной области видимого спектра. Таким образом, белый выходящий свет, генерируемый данной осветительной системой, имеет существенное дополнительное количество красного цвета по сравнению с выходящим светом, генерируемым предшествующим уровнем техники.
В другом варианте осуществления люминофорная композиция включает в себя три разных типа люминофорных частиц (первый тип люминофорных частиц, второй тип люминофорных частиц и третий тип люминофорных частиц). В одном варианте осуществления диод является УФ диодом, первый тип люминофорных частиц способен излучать красный свет при возбуждении, второй тип люминофорных частиц способен излучать зеленый свет при возбуждении, и третий тип люминофорных частиц способен излучать синий свет при возбуждении. В таком варианте осуществления данное светоизлучающее устройство, таким образом, излучает свет, имеющий множество компонентов длин волн благодаря (а) УФ свету, который проходит (непоглощенным) сквозь керамический люминесцентный преобразователь, (b) красному свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором света, (с) зеленому свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором света, и (d) синему свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором света. Результатом является светоизлучающее устройство, которое излучает белый свет.
В еще одном варианте осуществления излучающего белый свет устройства данное устройство содержит УФ диод и люминофорную композицию, включающую в себя два разных типа люминофорных частиц (первый тип люминофорных частиц и второй тип люминофорных частиц). В одном таком варианте осуществления первый тип люминофорных частиц способен излучать желтый свет при возбуждении, а второй тип люминофорных частиц способен излучать синий свет при возбуждении. В таком варианте осуществления данное светоизлучающее устройство, таким образом, излучает свет, имеющий множество компонентов длин волн благодаря (а) УФ свету, который проходит (непоглощенным) сквозь люминесцентный преобразователь, (b) желтому свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором света, и (с) синему свету, получающемуся от понижающего преобразования поглощенного люминофором света. Результатом является светоизлучающее устройство, которое излучает белый свет.
Согласно альтернативному варианту осуществления данного изобретения обеспечивается осветительная система, которая излучает выходящий свет, имеющий такое спектральное распределение, которое кажется окрашенным, например "от желтого до красного".
2+
2+
2+
2+
+
4+
2+
2+
2+
2+
2+
4
5,5
2
2
3
2
4
2
4
2
16
27
3
5
12
Кроме люминофоров конкретных вариантов осуществления, описанных выше, типичные люминофорные частицы, подходящие для использования в люминофорной композиции, содержат материал, выбранный из SrS:Eu; CaS:Eu; CaS:Eu,Mn; (Zn,Cd)S:Ag; MgGeOF:Mn; YOS:Eu, ZnS:Mn, CaAlSiN:Eu, для красного излучения и другие люминофорные материалы, имеющие спектры излучения в красной области видимого спектра при возбуждении, как здесь описано. Для зеленого излучения типичные люминофорные частицы, которые также подходят для использования в данной люминофорной композиции, содержат материал, выбранный из (Ba,Sr)SiO:Eu, SrGaS:Eu; ZnS:Cu,Al и других люминофорных материалов, имеющих спектры излучения в зеленой области видимого спектра при возбуждении, как здесь описано. В определенном варианте осуществления сине-излучающие люминофорные частицы могут быть включены в люминофорную композицию в добавление к красно- и зелено-излучающим люминофорам; Подходящие сине-излучающие люминофорные частицы могут содержать, например, BaMgAlO:Eu,Mg или другие люминофорные материалы, имеющие спектры излучения в синей области видимого спектра при возбуждении, как здесь описано. В другом варианте осуществления люминофорная композиция содержит тип люминофорных частиц, которые выбирают для получения желтого света при возбуждении. Для желтого излучения типичные люминофорные частицы, подходящие для использования в данной люминофорной композиции, содержат материал, выбранный из (Y,Gd)AlO:Ce,Pr и других люминофорных материалов, имеющих спектры излучения в желтой области видимого спектра при возбуждении, как здесь описано.
Хотя настоящее изобретение показано в соединении с конкретными вариантами осуществления в целях пояснения, настоящее изобретение не ограничивается ими. Различные приспособления и модификации могут быть сделаны без отклонения от объема данного изобретения. Например, композитные люминесцентные преобразователи могут быть изготовлены из люминофорных материалов, иных чем упомянутые люминофоры. Любой обычный люминофорный материал может быть использован вместо этих люминофоров. Следовательно, сущность и объем формулы изобретения не следует ограничивать вышеприведенным описанием.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 показывает схематичный вид сбоку с белой СИД лампы, содержащей композитный керамический люминесцентный преобразователь настоящего изобретения, расположенный на пути света, излучаемого светоизлучающим диодом со структурой "перевернутого кристалла".
Фиг.2 показывает спектр излучения керамического люминесцентного преобразователя согласно конкретному варианту осуществления.