專利名稱：包含陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及一種包含輻射光源和陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器(ceramicluminescence converter)的照明系統(tǒng)。本發(fā)明也涉及用于這種照明系統(tǒng)中的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器。
尤其本發(fā)明涉及一種照明系統(tǒng)和一種用于通過(guò)基于發(fā)射紫外或藍(lán)光輻射的輻射光源的下轉(zhuǎn)換發(fā)光和附加顏色混合(additive colormixing)產(chǎn)生特定的、有色光(包括白光)的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器。特別的是，想到使用發(fā)光二極管作為輻射光源。

背景技術(shù)：
最近，人們進(jìn)行了各種嘗試，通過(guò)使用發(fā)光二極管作為輻射光源來(lái)制造白光照明系統(tǒng)。當(dāng)使用紅、綠和藍(lán)光發(fā)光二極管來(lái)產(chǎn)生白光時(shí)，存在著這樣的問(wèn)題，由于色度、亮度和發(fā)光二極管其他因素的變化而導(dǎo)致不能產(chǎn)生理想色度的白光。
為了解決這些問(wèn)題，以前一直研制各種照明系統(tǒng)，其利用含無(wú)機(jī)發(fā)光材料(phosphor)的發(fā)光材料轉(zhuǎn)換發(fā)光二極管的顏色來(lái)提供可見(jiàn)的白光照明。
以前的白光照明系統(tǒng)一直特別地基于二色性(BY)近似，混合黃色和藍(lán)色，在這種情況下，輸出光的黃色二級(jí)成分可以通過(guò)黃色的無(wú)機(jī)發(fā)光材料提供，藍(lán)光成分可以由無(wú)機(jī)發(fā)光材料或由藍(lán)光LED的初級(jí)發(fā)射提供。
尤其，如美國(guó)專利5,998,925所公開(kāi)的二色性近似使用結(jié)合有Y3Al5O12:Ce(YAG-Ce3+)磷光粉的基于InGaN的半導(dǎo)體材料的藍(lán)光發(fā)光二極管。YAG-Ce3+磷光粉涂覆在InGaN LED上，一部分從LED發(fā)射的藍(lán)光被無(wú)機(jī)發(fā)光材料轉(zhuǎn)化成黃光。另一部分來(lái)自LED的藍(lán)光透過(guò)無(wú)機(jī)發(fā)光材料。因而，這個(gè)系統(tǒng)發(fā)射從LED發(fā)射的藍(lán)光和從無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射的黃光。在七十年代中期，藍(lán)光和黃光發(fā)射波段的混合使觀察者用典型的CRI感覺(jué)到的是白光，色溫Tc的范圍是從約6000K到約8000K。
然而，在現(xiàn)有技術(shù)的包含微晶磷光粉的照明系統(tǒng)中一直存在著一個(gè)問(wèn)題由于無(wú)機(jī)發(fā)光材料不透明而導(dǎo)致其不能用于很多應(yīng)用中。不透明是由于微晶無(wú)機(jī)發(fā)光材料對(duì)光的散射引起的。
DE 10349 038公開(kāi)了一種光源，它包含至少一個(gè)提供初級(jí)輻射的發(fā)光二極管和至少一個(gè)包含用于將初級(jí)輻射轉(zhuǎn)化為第二輻射的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的多晶發(fā)光轉(zhuǎn)換器。這樣的多晶發(fā)光轉(zhuǎn)換器提供了較少的光散射和吸收。無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以是Ce摻雜的釔鋁鎵(YAG-Ce3+)。
然而，現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)具有增強(qiáng)透明度的照明系統(tǒng)的解決方案存在著不充分的色彩再現(xiàn)的缺陷。


發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種用于產(chǎn)生白光的照明系統(tǒng)，它具有適當(dāng)?shù)墓馓崛⌒屎屯该鞫纫约罢鎸?shí)的色彩再現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供用于產(chǎn)生紅光到琥珀色光的照明系統(tǒng)。
因而，本發(fā)明提供了一種照明系統(tǒng)，它包含輻射光源和單片(monolithic)陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收輻射光源發(fā)射的光以及發(fā)射和被吸收的光的波長(zhǎng)不同的光，其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅(oxonitridoaluminosilicate)，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬(earth alkaline metal)。
優(yōu)選地所述的輻射光源是發(fā)光二極管。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是一個(gè)第一發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件，進(jìn)一步包含一個(gè)或多個(gè)第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件。
第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件可以是一涂層，包含第二種無(wú)機(jī)發(fā)光材料。否則，第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器元件可以是一個(gè)第二單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，其包含有第二種無(wú)機(jī)發(fā)光材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收輻射光源發(fā)射的光以及發(fā)射和被吸收的光的波長(zhǎng)不同的光；其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA至少是從鈣、鋇和鍶中選擇的一種堿土金屬。
這樣的轉(zhuǎn)換器是有效的，因?yàn)樗鼘?duì)于高能輻射來(lái)說(shuō)是一種好的轉(zhuǎn)換器，比如從紫外到藍(lán)光電磁光譜范圍的輻射。因?yàn)樗鼘?duì)于由高能輻射輸入的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光能是一種很好的光能傳輸器，所以它也是有效地。否則，光將在材料中被吸收，整個(gè)轉(zhuǎn)換效率受到損害。



圖1顯示了二色性的白光LED燈的側(cè)面示意圖，該LED燈包含一個(gè)放置在由發(fā)光二極管倒裝焊(flip chip)結(jié)構(gòu)所發(fā)射的光的光路上的本發(fā)明陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器。
圖2顯示一個(gè)蝕刻的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的微結(jié)構(gòu)，放大倍數(shù)1000∶1。
圖3A顯示由CuKα輻射光測(cè)量的根據(jù)本發(fā)明的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的XRD圖案。
圖3B顯示所計(jì)算出的Sr2Si5N8的XRD圖案。
圖4顯示根據(jù)本發(fā)明的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的發(fā)射光譜(λexc＝450nm)。
圖5顯示a)對(duì)從50到300mA的不同驅(qū)動(dòng)電流時(shí)的發(fā)射光譜b)紅光638nm CLC照明系統(tǒng)的輸出特性。

具體實(shí)施例方式 本發(fā)明集中于在任意結(jié)構(gòu)的照明系統(tǒng)中的包含銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅無(wú)機(jī)發(fā)光材料的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該照明系統(tǒng)包含一種初級(jí)輻射光源，其包括但不局限于放電燈、熒光燈、無(wú)機(jī)和有機(jī)發(fā)光二極管、激光二極管和X射線管。如此處所用的，術(shù)語(yǔ)“輻射”包括在X-射線、紫外、紅外和可見(jiàn)光區(qū)域的電磁光譜范圍內(nèi)的輻射。
雖然預(yù)計(jì)到該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器用于大的照明陣列中，但是本發(fā)明的描述特別參照包含發(fā)光二極管(尤其是紫外和藍(lán)光發(fā)光二極管)的照明系統(tǒng)進(jìn)行描述且發(fā)現(xiàn)其特別的應(yīng)用。
通常，單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是一個(gè)陶瓷基體，當(dāng)受到高能電磁光子激發(fā)時(shí)，它發(fā)射在可見(jiàn)光或近可見(jiàn)光譜的電磁輻射。
單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器其特征在于它的典型微結(jié)構(gòu)。單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的微結(jié)構(gòu)是多晶，也就是隱晶(krypto-cristalline)或納米晶(nanocrystalline)微晶的無(wú)規(guī)則聚結(jié)。微晶生長(zhǎng)以緊密接觸并共享晶界。宏觀地看單片陶瓷似乎是各向同性晶體，但是利用SEM(掃描電子電鏡(scanning electro microscopy))可以很容易檢測(cè)到多晶微結(jié)構(gòu)。
因?yàn)樗鼈兊亩嗑⒔Y(jié)構(gòu)的原因，陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是透明的，或者至少具有低光吸收的很高的光半透明性(optical translucency)。
單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含一種銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，其通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA至少是從具有高度物理完整性的鈣、鋇和鍶組成的組中選擇的一種堿土金屬，這種高度物理完整性的特性對(duì)于材料的機(jī)械加工和拋光很有用，以提高光提取且使得能夠產(chǎn)生光導(dǎo)效應(yīng)(lightguiding effect)。
對(duì)于本發(fā)明所使用的無(wú)機(jī)發(fā)光材料材料的種類是基于銪(II)激發(fā)的氧和鋁被氮硅(nitridossilicate)替代的發(fā)光。無(wú)機(jī)發(fā)光材料通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-aOa:Euz，其中0＜a≤2，且0＜z≤0.2；EA是從包含主體晶格的鈣、鋇和鍶組成的組中選擇的至少一種堿土金屬，其中主要成分是硅和氮。主體晶格也包含氧和鋁。主體晶格被期望具有在三維網(wǎng)格上由(N-Si-N-)和(O-Si/Al-N)-單元組成的結(jié)構(gòu)，其中硅被氮和氧四面體地包圍。
可以制造通常形式EA2-ZSi5-aAlaN8-aOa:Euz的一系列成分，其對(duì)于0＜a≤2和0＜z≤0.2范圍形成完整的固溶體，并結(jié)晶成正交晶系。
表1與現(xiàn)有技術(shù)成分(斜體字)相比較地揭示了晶體學(xué)數(shù)據(jù)，CIE1931顏色坐標(biāo)和根據(jù)分子式(Sr1-x-yBax)2Si5-aAlaN8-aOa:Euy的成分的發(fā)射波長(zhǎng)。
在主體晶格中加入氧和鋁增加了共價(jià)鍵比例和配位場(chǎng)分裂。結(jié)果，和基本的氮硅晶格相比，這導(dǎo)致激發(fā)的發(fā)射譜帶向長(zhǎng)波長(zhǎng)偏移。
在三維網(wǎng)格內(nèi)，金屬離子如堿土金屬以及銪(II)和最終的共激活因子(co-activator)結(jié)合。優(yōu)選地，堿土金屬?gòu)拟}、鍶和鋇中選取。對(duì)于這些材料的主體晶格可以是六元素(兩個(gè)陽(yáng)離子)的氧氮鋁硅(比如銪(II)激發(fā)的鍶氧氮鋁硅Sr2Si3Al2N6O2:Eu)，或者可以包含多于六個(gè)元素(比如銪(II)激發(fā)的鍶-鋇氧氮鋁硅(Sr，Ba)2Si3Al2N6O2:Eu)。
銪(II)的比例z優(yōu)選地在0.05＜z＜0.2范圍內(nèi)。當(dāng)銪(II)的比例z比較低時(shí)，因?yàn)殇B(II)陽(yáng)離子減少而導(dǎo)致光致發(fā)光的受激發(fā)射中心的數(shù)量減少，所以亮度減小，當(dāng)z大于0.2時(shí)，發(fā)生密度淬火(density quenching)。密度淬火是指，當(dāng)為了增加熒光材料的亮度所添加的激活劑的濃度被增加超出一個(gè)最佳值時(shí)發(fā)生的發(fā)射強(qiáng)度減小。
這些銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅無(wú)機(jī)發(fā)光材料對(duì)電磁光譜的更高能部分比電磁光譜的可見(jiàn)光部分敏感。
特別的是，根據(jù)本發(fā)明的無(wú)機(jī)發(fā)光材料尤其是可由紫外發(fā)射譜線激發(fā)的，其具有200到420nm這樣的波長(zhǎng)，但是被具有400到495nm波長(zhǎng)的藍(lán)色發(fā)光成分所發(fā)射的LED光以更高效率激發(fā)。因而單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的熒光材料具有將氮化物半導(dǎo)體發(fā)光成分的藍(lán)光轉(zhuǎn)換為白光或有色的黃光、琥珀色光或紅光的理想特性。
單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的制造是通過(guò)第一步制備一種熒光微晶磷光粉材料，第二步各向同性地將微晶材料壓成小球，且在高溫中燒結(jié)小球，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間足以使其緊致成光學(xué)半透明的基體。
本發(fā)明制造微晶磷光粉的方法沒(méi)有特別限制，可以采用任意提供根據(jù)本發(fā)明的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的方法來(lái)制造。
制造根據(jù)本發(fā)明的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的優(yōu)選方法被稱作固態(tài)法。在這個(gè)方法中，無(wú)機(jī)發(fā)光材料前體(precursor)材料在固態(tài)時(shí)被混和，并被加熱使得這些前體反應(yīng)并形成了無(wú)機(jī)發(fā)光材料材料粉末。
在一個(gè)具體實(shí)施例中，這些發(fā)射紅光到黃-紅光的無(wú)機(jī)發(fā)光材料通過(guò)下列技術(shù)制備成磷光粉為了制備二價(jià)金屬的混和氧化物，將堿土金屬的高純硝酸鹽、碳酸鹽、草酸鹽、醋酸鹽和銪(III)攪拌溶解在25-30毫升的去離子水中。溶液在熱板(hot-plate)上加熱攪拌直到水蒸發(fā)掉，就得到和成分有關(guān)的白色或黃色的糊狀物。
固體在120度干燥一整夜(12小時(shí))。將所得到的固體精細(xì)地研磨，并放入一個(gè)高純度氧化鋁坩鍋中。將坩鍋裝載到含木炭的盆內(nèi)，然后送入管式爐中，用流動(dòng)的氮?dú)?氫氣清洗幾個(gè)小時(shí)。爐子的參數(shù)是10℃/min升到1600℃，隨后在1300℃停留4小時(shí)，之后關(guān)閉爐子，使得冷卻到室溫。這些金屬氧化物和氮化硅Si3N4以及氮化鋁AlN以預(yù)先設(shè)定的比率混和。混合物被放進(jìn)一個(gè)高純度氧化鋁坩鍋中。這些坩鍋被裝載到含木炭的盆中，然后送入管式爐中，用流動(dòng)的氮?dú)?氫氣清洗幾個(gè)小時(shí)。爐子的參數(shù)是10℃/min升到1600℃，隨后在1300℃停留4小時(shí)，之后爐子緩慢冷卻到室溫。在進(jìn)行在1600℃的第二退火步驟之前，樣品再次被精細(xì)研磨。在流動(dòng)的氬氣中，經(jīng)過(guò)在稍低溫度的額外的第三次退火，可以提高光輸出。
磷光粉材料也可以通過(guò)液相沉淀方法制備。在這種方法中，包括可溶解的無(wú)機(jī)發(fā)光材料前體的溶液經(jīng)化學(xué)方法處理以沉淀無(wú)機(jī)發(fā)光材料微粒或無(wú)機(jī)發(fā)光材料微粒前體。這些微粒通常在高溫中煅燒以形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料化合物。
在另一種方法中，磷光粉微粒前體或無(wú)機(jī)發(fā)光材料微粒被分散在灰漿中，然后其被噴射干燥來(lái)蒸發(fā)掉液體。隨后這些微粒高溫?zé)Y(jié)成固態(tài)，以使得粉末結(jié)晶，形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料。然后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)使粉末結(jié)晶并形成無(wú)機(jī)發(fā)光材料，所述噴射干燥的粉末被轉(zhuǎn)換成一種氧化物無(wú)機(jī)發(fā)光材料(oxide phosphor)。然后，這些經(jīng)過(guò)燒結(jié)的粉末被輕輕地壓碎和碾磨，以重新得到所需微粒大小的無(wú)機(jī)發(fā)光材料微粒。
通過(guò)這些方法得到的細(xì)小顆粒的微晶磷光粉被用于制備根據(jù)本發(fā)明的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器。為了這一目標(biāo)，適當(dāng)?shù)牧坠夥劢?jīng)受非常的高壓，其或者與在高溫的處理結(jié)合或者隨后進(jìn)行單獨(dú)的熱處理。優(yōu)選的是等靜壓法。
特別優(yōu)選的過(guò)程是熱等靜壓處理，否則是緊隨燒結(jié)后的冷等靜壓處理。也可以緊隨熱等靜壓法之后應(yīng)用冷等靜壓和燒結(jié)的結(jié)合。
有必要認(rèn)真監(jiān)視致密化過(guò)程，來(lái)控制晶粒生長(zhǎng)和消除殘留氣孔。
無(wú)機(jī)發(fā)光材料材料的加壓和熱處理過(guò)程生成了單片陶瓷基體，它很容易用當(dāng)前的金相學(xué)工藝進(jìn)行切割、機(jī)械加工和拋光。多晶陶瓷材料可以被切割成1毫米或小于1毫米寬的薄片。優(yōu)選地，陶瓷被拋光以得到光滑表面，并阻止由于表面粗糙而引起的漫散射。
具體實(shí)施例 下列數(shù)量的碳酸鍶和氧化銪被徹底地干燥混和 SrCO320.0g Eu2O30.487g 該混和物被放在氧化鋁坩鍋中，且在還原空氣中在1200℃煅燒2小時(shí)，該還原空氣是含5％(體積比)氫氣的氮?dú)獾慕M合物。在冷卻到室溫后，在手套式操作箱中將得到的粉末塊在干燥的氮?dú)庀路鬯槌杉?xì)小的粉末。
將下列數(shù)量的所得到的混和的氧化物粉末和氮化硅粉末在干燥丙酮中濕拌在一起。
(Sr，Eu)O5.0g Si3N43.77g 在通過(guò)丙酮的蒸發(fā)將粉末混和物干燥后，將其放在氧化鋁坩鍋中，并在含5％(體積比)氫氣的氮?dú)獾倪€原空氣中在1550℃燒制2小時(shí)。將原始的磷光粉用有機(jī)的乙二醇粘結(jié)劑混合，壓制成小球，并通過(guò)在44800Psi(3.091×108N/m2)下冷等靜壓處理使其進(jìn)一步致密化。然后陶瓷綠色基體放在鎢箔上，在如上所述的相同還原空氣中在1700℃燒制2小時(shí)。在冷卻到室溫后，所得到的氮化物陶瓷被切割成薄片。這些薄片經(jīng)過(guò)研磨和拋光后得到最終的半透明的氮化物陶瓷。CLC微結(jié)構(gòu)(圖2)以1000∶1的放大倍數(shù)顯現(xiàn)了形成了晶界網(wǎng)格的微晶的統(tǒng)計(jì)粒狀結(jié)構(gòu)。所述陶瓷呈現(xiàn)的密度為Sr2Si5N8(3.904g/cm3)的理論密度的97％?？梢酝ㄟ^(guò)陶瓷在氮?dú)夥?溫度范圍1600-1780℃，壓力范圍2000-30000PSI(138.00×105至2.070×108N/m2))中的熱等靜壓過(guò)程以消除剩余氣孔，來(lái)進(jìn)一步提高樣品的密度。
熒光陶瓷(phosphor ceramics)其特征在于粉末X-射線衍射(Cu，Kα-line)。圖3與基于對(duì)Sr2Si5N8的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的XRD圖案的相比較地示出了單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的X-射線衍射數(shù)據(jù)。
如圖3中所示的X-射線衍射圖案和計(jì)算出的Sr2Si5N8的XRD圖案一致，由于用銪替代了鍶而導(dǎo)致位置和強(qiáng)度有某些的小的偏離。
燒結(jié)后的無(wú)機(jī)發(fā)光材料用產(chǎn)生具有365納米的峰值波長(zhǎng)的紫外光的汞燈激發(fā)。無(wú)機(jī)發(fā)光材料的光致發(fā)光可以用Minolta CS-100-A型號(hào)的光度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
當(dāng)利用電磁光譜中紫外線A或藍(lán)光范圍的輻射激發(fā)時(shí)，銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅型的每個(gè)無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)射黃光、琥珀色光和深紅色熒光。
當(dāng)用波長(zhǎng)495nm的輻射激發(fā)時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅型的無(wú)機(jī)發(fā)光材料給出了一個(gè)寬帶發(fā)射，其峰值波長(zhǎng)在640nm，并帶尾發(fā)射直到750nm。
這些銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅型的無(wú)機(jī)發(fā)光材料可以有效地用波長(zhǎng)處于370nm到490nm之間的輻射激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種照明系統(tǒng)，其包含輻射光源和單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含至少一種能夠吸收輻射光源發(fā)射的光以及發(fā)射波長(zhǎng)與被吸收的光不同的光的無(wú)機(jī)發(fā)光材料；其中所述至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是一種銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA至少是從所提供的鈣、鋇和鍶中選擇的一種堿土金屬。
輻射光源優(yōu)選地包括半導(dǎo)體光輻射發(fā)射器和其他響應(yīng)電激發(fā)而發(fā)射光輻射的設(shè)備。半導(dǎo)體光輻射發(fā)射器包括發(fā)光二級(jí)管LED芯片、發(fā)光聚合物(LEP)、激光二極管(LD)、有機(jī)發(fā)光器件(OLED)、聚合物發(fā)光器件(PLED)等。
另外，發(fā)光成分，如在放電燈和熒光燈(如低壓和高壓汞放電燈、硫放電燈(sulfur discharge lamp)、基于分子輻射器(molecularradiator)的放電燈)中發(fā)現(xiàn)的成分，也可以考慮用作含有該創(chuàng)造性的無(wú)機(jī)發(fā)光材料成分的輻射光源。
在本發(fā)明的優(yōu)選的實(shí)施例中，輻射光源是發(fā)光二極管。
在本發(fā)明中，照明系統(tǒng)可以采取任意構(gòu)造，該照明系統(tǒng)包括發(fā)光二極管或發(fā)光二極管陣列和含有銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅無(wú)機(jī)發(fā)光材料成分的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，優(yōu)選地加入其他已知的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，它們?cè)谟蒙厦嫠赋龅陌l(fā)射初級(jí)紫外或藍(lán)光的LED輻照時(shí)，可以聯(lián)合起來(lái)產(chǎn)生一個(gè)特定顏色光或白光。
對(duì)于單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器連接到發(fā)光二極管或發(fā)光二極管陣列有用的可能構(gòu)造包括導(dǎo)線框安裝的LED以及表面安裝的LEDs. 現(xiàn)在將描述圖1中所示的這樣的包含輻射光源和單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的照明系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)構(gòu)造。
圖1示出了具有陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的倒裝焊(flip chip)型發(fā)光二極管的示意圖。
發(fā)光二極管表面安裝在襯底上。單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)成盤(pán)狀，其以這樣的方式定位從發(fā)光二極管發(fā)射的大部分光以略垂直于盤(pán)表面的角度進(jìn)入該盤(pán)。要達(dá)到這一點(diǎn)，圍繞著發(fā)光二極管安放了一個(gè)反射器，以將那些從發(fā)光二極管在沒(méi)有朝著盤(pán)方向發(fā)射的光反射掉。
操作中，電功率被提供給小方片(dice)，以激勵(lì)該小方片。當(dāng)受到激勵(lì)時(shí)，小方片發(fā)射出初級(jí)光，如藍(lán)光。這些發(fā)射出來(lái)的初級(jí)光的一部分被陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器全部地或部分地吸收。然后，陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器發(fā)射出二級(jí)光，即具有更長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)的被轉(zhuǎn)換的光，主要是響應(yīng)初級(jí)光吸收的在充足的寬帶(特別是具有很大部分的紅光)內(nèi)的黃光。被發(fā)射的初級(jí)光的剩余的未被吸收的部分經(jīng)過(guò)陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器與二級(jí)光一起被透射。
反射器將未被吸收的初級(jí)光和二級(jí)光引導(dǎo)到一個(gè)大體方向上作為輸出光。因而，輸出光是一種合成光，它由從模具(die)所發(fā)射的初級(jí)光和從熒光層所發(fā)射的二級(jí)光組成。
根據(jù)本發(fā)明照明系統(tǒng)的輸出光的色溫或色點(diǎn)將隨著二級(jí)光相對(duì)于初級(jí)光的光譜分布和強(qiáng)度而變化。
首先，初級(jí)光的色溫或色點(diǎn)可以通過(guò)適當(dāng)選擇發(fā)光二極管而被改變。
其次，二級(jí)光的色溫或色點(diǎn)可以通過(guò)適當(dāng)選擇在陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器中的無(wú)機(jī)發(fā)光材料成分而被改變。
另外，這些設(shè)置也有利于提供了使用第二個(gè)發(fā)光轉(zhuǎn)換器的可能性，這樣做的結(jié)果是，有利地，想要的色調(diào)可以被設(shè)置得更加準(zhǔn)確。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，照明系統(tǒng)的輸出光可以具有一光譜分布，使得其表現(xiàn)為“白”光。
在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射白光的照明系統(tǒng)的第一實(shí)施例中，該設(shè)備可以通過(guò)選擇發(fā)光材料有利地制造，使得由藍(lán)光發(fā)光二極管所發(fā)射的藍(lán)光輻射被轉(zhuǎn)換到互補(bǔ)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，以形成二色白光。
在這種情況中，黃光是利用單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的無(wú)機(jī)發(fā)光材料材料產(chǎn)生的，該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含一種通常分子式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz的無(wú)機(jī)發(fā)光材料，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA至少是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬。
為了進(jìn)一步提高照明系統(tǒng)的色彩再現(xiàn)，額外地也可以使用第二紅色熒光材料。
特別好的結(jié)果是用發(fā)射最大值位于380nm到480nm的藍(lán)光LED來(lái)實(shí)現(xiàn)。特別考慮到銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅的激發(fā)光譜，已發(fā)現(xiàn)最佳的是位于445到468nm。
尤其優(yōu)選地，根據(jù)本發(fā)明的白光照明系統(tǒng)可以通過(guò)在458nm發(fā)光的1W(Al，In，Ga)N LED芯片上安裝一個(gè)尺寸為4×4×0.3mm的根據(jù)本發(fā)明的經(jīng)拋光的陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
458nm的(Al，In，Ga)N發(fā)光二極管發(fā)射的藍(lán)光的一部分可以被銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅移動(dòng)到橙色到紅色光譜區(qū)域，從而進(jìn)入關(guān)于藍(lán)色互補(bǔ)顏色的波長(zhǎng)范圍。一個(gè)觀察者對(duì)藍(lán)色初級(jí)光和橙色無(wú)機(jī)發(fā)光材料發(fā)出的二級(jí)光組合感知為白光。
當(dāng)與由包含YAG:Ce作為陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)有技術(shù)的照明系統(tǒng)所產(chǎn)生的白色輸出光的光譜分布進(jìn)行比較時(shí)，在光譜分布方面的明顯不同是處于可見(jiàn)光譜的紅光區(qū)的峰值波長(zhǎng)的移動(dòng)。因而，和現(xiàn)有技術(shù)所產(chǎn)生的輸出光相比較，由該照明系統(tǒng)所產(chǎn)生的白色輸出光具有大量的附加的紅色。
在第二實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射白光的照明系統(tǒng)可以有利地通過(guò)選擇發(fā)光材料來(lái)制作，使得由藍(lán)光發(fā)光二級(jí)管發(fā)射的藍(lán)光輻射被轉(zhuǎn)換到互補(bǔ)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，以形成二色性白光。在這種情況下，橙色到紅色光是通過(guò)發(fā)光材料制作的，該發(fā)光材料包含作為第一個(gè)單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的包括銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅的無(wú)機(jī)發(fā)光材料和在第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器內(nèi)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料的混和物。
第二發(fā)光轉(zhuǎn)換器可以被提供為第二單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器或作為傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)發(fā)光材料涂層。
有用的第二無(wú)機(jī)發(fā)光材料和它們的光學(xué)性質(zhì)歸納總結(jié)在下表2。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種發(fā)射具有一光譜分布的輸出光以使其呈現(xiàn)“黃到紅”光的照明系統(tǒng)。
一種單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬，無(wú)機(jī)發(fā)光材料特別適合作為由初級(jí)UVA或藍(lán)色輻射光源激發(fā)產(chǎn)生的黃光成分，比如發(fā)射UVA的LED或發(fā)射藍(lán)光的LED。
因此，實(shí)施在黃光到紅光的電磁光譜區(qū)域中發(fā)光的照明系統(tǒng)是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射黃光的照明系統(tǒng)可以有利地通過(guò)選擇發(fā)光材料使得由藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)射的藍(lán)光輻射可以被轉(zhuǎn)換到互補(bǔ)的波長(zhǎng)范圍內(nèi)以形成二色性黃光來(lái)制作。
在這種情況下，黃光是通過(guò)發(fā)光材料產(chǎn)生的確，該發(fā)光材料包含釔激發(fā)的氧氮硅無(wú)機(jī)發(fā)光材料。
特別好的結(jié)果是通過(guò)發(fā)射最大值位于400nm到480nm的藍(lán)光LED實(shí)現(xiàn)的。特別是考慮了鹵素氧氮硅(halogen-oxonitridosilicate)的激發(fā)光譜，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)最佳的位于445到465nm。
圖4顯示的是單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的發(fā)射光譜，該轉(zhuǎn)換器包含銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，其通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬。
圖5顯示的是對(duì)50到300mA的各種驅(qū)動(dòng)電流，結(jié)合藍(lán)光發(fā)光二極管的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器的發(fā)射光譜，該轉(zhuǎn)換器包含銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，其通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬。系統(tǒng)的色點(diǎn)與正向電流無(wú)關(guān)。相關(guān)聯(lián)的色點(diǎn)是x＝0.675，y＝0.317。
LED-無(wú)機(jī)發(fā)光材料系統(tǒng)的顏色輸出對(duì)無(wú)機(jī)發(fā)光材料層的厚度十分敏感，如果無(wú)機(jī)發(fā)光材料層很厚并且包含過(guò)多的黃色釔激發(fā)的氧氮硅無(wú)機(jī)發(fā)光材料，那么將會(huì)有較少量的藍(lán)光LED光穿過(guò)厚的無(wú)機(jī)發(fā)光材料層。這種組合的LED-無(wú)機(jī)發(fā)光材料系統(tǒng)將出現(xiàn)黃色到紅色，因?yàn)榇藭r(shí)是無(wú)機(jī)發(fā)光材料的黃光到紅光的二級(jí)光占主導(dǎo)地位。因而，無(wú)機(jī)發(fā)光材料層的厚度是影響系統(tǒng)顏色輸出的關(guān)鍵變量。
因而，由此所產(chǎn)生的黃光的色調(diào)(在CIE色度圖中的色點(diǎn))在這種情況下可以通過(guò)在混合和濃度方面適當(dāng)選擇無(wú)機(jī)發(fā)光材料來(lái)變化。
在另一個(gè)實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的發(fā)射黃光到紅光的照明系統(tǒng)可以有利地通過(guò)選擇輻射光源使得通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器將由UV發(fā)光二極管發(fā)射的UV輻射完全轉(zhuǎn)換成單色的黃光到紅光。
權(quán)利要求
1.照明系統(tǒng)，包含輻射光源和單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收輻射光源所發(fā)射的光以及發(fā)射與被吸收的光的波長(zhǎng)不同的光；其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其中所述的輻射光源是發(fā)光二極管。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的照明系統(tǒng)，其中所述的單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器是第一發(fā)光轉(zhuǎn)換元件，進(jìn)一步包含一個(gè)或多個(gè)第二發(fā)光轉(zhuǎn)換元件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的照明系統(tǒng)，其中第二發(fā)光轉(zhuǎn)換元件是包含無(wú)機(jī)發(fā)光材料的涂層。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的照明系統(tǒng)，其中第二發(fā)光轉(zhuǎn)換元件是包含第二無(wú)機(jī)發(fā)光材料的第二單片發(fā)光轉(zhuǎn)換器。
6.單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收輻射光源所發(fā)射的光以及發(fā)射與被吸收的光的波長(zhǎng)不同的光，其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-ZSi5-aAlaN8-bOb:Euz，其中0＜a≤4，0＜b≤4，0＜z≤0.2；EA至少是從鈣、鋇和鍶中選擇的至少一種堿土金屬。
全文摘要
一種照明系統(tǒng)，它包含一輻射光源和一單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，該單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收輻射光源發(fā)射的光以及發(fā)射與被吸收的光波長(zhǎng)不同的光，其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是一種銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-zSi5-aAlaN8-bOb∶Euz，其中0＜a＜4，0＜b＜4，0＜z＜0.2；EA至少是從鈣、鋇和鍶中選擇的一種堿土金屬，這種照明系統(tǒng)提供了一種具有對(duì)高能輻射轉(zhuǎn)換有效的轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)，比如在電磁光譜的UV到藍(lán)光范圍內(nèi)的輻射。因?yàn)樗鼘?duì)于由高能輻射輸入的轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光能來(lái)說(shuō)是一種很好的傳送器，所以它也是有效地。否則，光將在材料中被吸收，且總的轉(zhuǎn)換效率受到損害。本發(fā)明也涉及到一種單片陶瓷發(fā)光轉(zhuǎn)換器，它包含至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料，該無(wú)機(jī)發(fā)光材料能夠吸收由輻射光源發(fā)射的光以及發(fā)射與被吸收的光波長(zhǎng)不同的光；其中所述的至少一種無(wú)機(jī)發(fā)光材料是一種銪(II)激發(fā)的氧氮鋁硅，通常形式為EA2-zSi5-aAlaN8-bOb∶Euz，其中0＜a＜4，0＜b＜4，0＜z＜0.2；EA至少是從鈣、鋇和鍶中選擇的一種堿土金屬。
文檔編號(hào)C09K11/80GK101103088SQ200680002060
公開(kāi)日2008年1月9日 申請(qǐng)日期2006年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者P·施米特, W·布塞爾特, S·戈?duì)柺?申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司