用于固态发光装置及灯的光致发光波长转换组件的制作方法
【专利摘要】一种用于发光装置的波长转换组件包括：至少一种光致发光材料；及光散射材料。所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的来自辐射源的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。光散射材料的使用可减少所述光致发光材料的使用且可改进所述组件的关断状态外观。
【专利说明】用于固态发光装置及灯的光致发光波长转换组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及使用远程定位的波长转换组件来产生所要色彩的光的固态发光装置及灯。
【背景技术】
[0002]白色发光LED(白色“LED”)是已知的且为相对近期的创新。直到已开发出在电磁光谱的蓝色/紫外部分中发射的LED，开发基于LED的白色光源才变得实际。举例来说，如US5, 998, 925中所教不，白色LED包含一或多种一或多种光致发光材料(例如磷光体材料)，其吸收由所述LED发射的辐射的一部分并重新发射不同色彩(波长)的光。通常，LED芯片或裸片产生蓝色光，且所述磷光体吸收一定百分比的蓝色光并重新发射黄色光或绿色光与红色光、绿色光与黄色光、绿色光与橙色光或黄色光与红色光的组合。由所述LED产生的蓝色光的未被所述磷光体材料吸收的部分与由所述磷光体发射的光组合，以提供在眼睛看来在色彩上接近为白色的光。或者，所述LED芯片或裸片可产生紫外(UV)光，其中磷光体吸收所述UV光以重新发射在人眼看来为白色的不同色彩的光致发光光的组合。
[0003]高亮度白色LED由于其长操作寿命预期(> 50，000小时)及高发光效率(70流明/瓦特及更高)而正日益用于替换常规荧光光源、紧凑型荧光光源及白炽光源。
[0004]通常，将磷光体材料与例如硅酮或环氧树脂材料的透光材料混合，且将混合物施加到LED裸片的发光表面。还已知将磷光体材料作为一层提供于远离LED裸片定位的光学组件(磷光体波长转换组件)上，或将所述磷光体材料并入于所述光学组件内(“远程磷光体” LED装置)。
[0005]远程磷光体装置的一个问题是装置在其关断状态中的非白色外观。在LED装置的接通状态期间，LED芯片或裸片产生蓝色光，且磷光体吸收一定百分比的蓝色光且重新发射黄色光或绿色光与红色光、绿色光与黄色光、绿色光与橙色光或黄色光与红色光的组合。由所述LED产生的蓝色光的未被所述磷光体吸收的部分与由所述磷光体发射的光组合，以提供在人眼看来在色彩上接近为白色的光。然而，对于处于其关断状态中的远程磷光体装置，原本将由处于接通状态中的LED产生的蓝色光的缺失致使所述装置具有淡黄色、黄-绿色或橙色外观。此类装置的寻求白色外观的光的潜在消费者或购买者可因市场上的此类装置的淡黄色、黄-橙色或橙色外观而相当困惑，因为商店货架上的装置处于其关断状态中。此对于潜在消费者来说可为令人不愉快或不合意的，且因此导致向目标客户的销售的损失。
[0006]远程磷光体装置的另一问题可为所发射光的色彩随着发射角度的变化。特定来说，当从不同角度观看时，此类装置遭受可感知的色彩不均匀性。此类视觉上明显的色彩差异对于许多商业用途来说为不可接受的，特别是对于通常采用LED照明装置的高端照明来说。
[0007]使用磷光体材料的又一问题是，其为相对昂贵的且因此对应于用于制作基于磷光体的LED装置的成本的显著部分。对于非远程磷光体装置，通常将LED灯中的磷光体材料通常与例如硅酮或环氧树脂材料的透光材料混合且将混合物直接施加到LED裸片的发光表面。此产生直接放置于LED裸片上的相对小的磷光体材料层，然而，此层的制作部分地由于磷光体材料的显著成本而仍为昂贵的。与非远程磷光体装置相比，远程磷光体装置通常使用大得多的磷光体材料层。由于其较大的大小，通常需要更大量的磷光体来制造此类远程磷光体LED装置。因此，成本也对应地更大以提供此类远程磷光体LED装置所需要的增加的磷光体材料量。
[0008]因此，需要用以实施维持装置的所要色彩性质但不需要在先前方法中所需的大量光致发光材料(例如，磷光体材料)的LED照明设备的经改进方法。另外，需要一种用以实施LED照明设备的解决所发射光的色彩随着发射角度的可感知变化的问题且还解决LED照明设备在处于关断状态中时的非白色外观的问题的经改进方法。
【发明内容】
[0009]本发明的实施例涉及包括可操作以产生激发辐射(通常为蓝色光)的一或多个固态光源(通常为LED)及含有可操作以将所述激发辐射的至少一部分转换为不同波长的光的一或多种可激发光致发光材料(例如，磷光体材料)的远程波长转换组件的发光装置及灯。当使用蓝色光辐射源时，装置的发射产物包括由所述源及波长转换组件产生的经组合光且通常经配置以在色彩上看起来为白色。当使用UV源时，波长转换组件可包含蓝色波长转换组件及黄色波长转换组件，其中这些组件的输出组合以形成发射产物。波长转换组件包括透光衬底(例如聚合物或玻璃)，其具有包括可激发光致发光材料(例如磷光体)的颗粒的波长转换层及包括光衍射材料(例如二氧化钛)的颗粒的光漫射层。根据本发明的一些实施例，所述波长转换及光漫射层彼此直接接触且优选地通过丝网印刷或狭缝型挤压式涂覆来沉积。如本文中所使用，“直接接触”意指不存在介入层或气隙。
[0010]此方法的一个益处为，通过选择光衍射材料的适当颗粒大小及每单位面积的浓度，获得LED装置在其关断状态中的白色外观的改进。另一益处为对来自LED装置的所发射光针对在与发射轴成±60°范围内的发射角度的色彩均匀性的改进。此外，具有光衍射材料的适当颗粒大小及每单位面积浓度的光漫射层的使用可实质上减少产生选定色彩的所发射光所需的磷光体材料量，因为所述光漫射层通过将光引导回到所述波长转换层中而增加光子将导致产生光致发光光的概率。因此，包含与波长转换层直接接触的漫射层可减少产生给定色彩发射产物所需的磷光体材料量，例如，减少最高达40%。在一个实施例中，光衍射材料的颗粒大小经选择使得所散射的由源产生的激发辐射多于由一或多种磷光体材料产生的光。
[0011]根据本发明的一些实施例，一种用于发光装置的波长转换组件包括:至少一种光致发光材料；及光散射材料，其中所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的来自辐射源的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。优选地，所述激发光包括蓝色光。或者，所述激发光可包括紫外光。优选地，所述光散射材料散射的所述激发光多达由所述至少一种光致发光材料产生的光的至少两倍。在所述激发光包括蓝色光的情况下，所述光散射材料有利地具有小于约150nm的平均颗粒大小。
[0012]所述光散射材料有利地包括二氧化钛、硫酸钡、氧化镁、二氧化硅或氧化铝。
[0013]在一些实施例中，所述至少一种光致发光材料位于波长转换层中且所述光散射材料位于漫射层中。优选地，所述波长转换层与所述光漫射层彼此直接接触以最小化各层之间的光学损耗。
[0014]通常，所述波长转换层包括至少一种磷光体材料与透光粘结剂的混合物，且所述光漫射层包括所述光散射材料与所述透光粘结剂的混合物。为了最小化光学损耗，针对两个层使用相同透光材料。所述透光粘结剂可包括可固化液态聚合物，例如聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树脂、硅酮或氟化聚合物。所述波长转换及光漫射层是使用选自由以下各项组成的群组的方法沉积的:丝网印刷、狭缝型挤压式涂覆、旋转涂覆、滚筒涂覆、泄降式涂覆及刮刀涂布。
[0015]为了减少所发射光色彩随着发射角度的变化，光衍射材料对粘结剂的重量载荷在范围7%到35%中且更优选地在范围10%到20%中。
[0016]在一些实施例中，所述波长转换层及所述光漫射层为实质上平面的。在其它实施例中，波长转换层及/或光漫射层可为3维的且包括穹顶或细长穹顶形状。在又一些实施例中，所述光漫射层包括中空3维形状且所述波长转换层填充在所述穹顶或细长穹顶形状下方形成的体积。
[0017]为了减少光致发光材料使用，所述至少一种光致发光材料及所述光散射材料位于波长转换层中。
[0018]所述光散射材料有利地具有在范围ΙμL?到50μπι中且优选地在范围IOyn^lJ20 μ m中的平均颗粒大小。
[0019]在一些实施例中，所述至少一种光致发光材料被沉积到透光衬底上。在其它实施例中，所述至少一种光致发光材料可并入于所述透光衬底内且遍及所述衬底的体积均质地分布。所述透光衬底可包括聚合物，例如聚碳酸酯或丙烯酸系物或玻璃材料。
[0020]根据本发明的另一实施例，一种发光装置包括:至少一个固态发光器，其可操作以产生激发光；至少一种光致发光材料；及光散射材料，其中所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的来自辐射源的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。
[0021]在优选实施例中，所述光散射材料的平均颗粒大小经选择以改进发光装置的关断状态白色外观。或者及/或另外，所述光散射材料的平均颗粒大小可经选择以针对在与发射轴成±60°范围内的发射角度获得来自发光装置的所发射光的实质上均匀色彩。
[0022]在一些实施例中，所述光散射材料对粘结剂的重量载荷在范围7%到35%中且优选地在范围10%到20%中。
[0023]在激发光包括蓝色光的情况下，所述光散射材料有利地经选择使得其散射的蓝色光多达由所述至少一种光致发光材料产生的光的至少两倍。通常，在此装置中，所述光散射材料具有小于约150nm的平均颗粒大小。
[0024]根据本发明的一些实施例，一种用于包括至少一个发光固态辐射源的发光装置的波长转换组件包括透光衬底，所述透光衬底具有包括至少一种光致发光材料的颗粒的波长转换层及包括光衍射材料的颗粒的光漫射层；且其中所述层彼此直接接触。优选地，所述波长转换层包括至少一种磷光体材料与透光粘结剂的混合物，而所述光漫射层包括所述光衍射材料与透光粘结剂的混合物。为了最小化所述层的界面处的光学损耗，优选地所述层包括相同透射粘结剂。所述粘结剂可包括可固化液态聚合物，例如聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树脂、硅酮或氟化聚合物。所述粘结剂优选地为UV可固化或热可固化的。
[0025]为了减少所发射光色彩随着发射角度的变化，光衍射材料对粘结剂的重量载荷在范围7%到35%中且更优选地在范围10%到20%中。所述波长转换及光漫射层优选地通过丝网印刷来沉积，但其可使用其它沉积技术来沉积，例如旋转涂覆或刮刀涂布。所述光衍射材料优选地包括二氧化钛(TiO2),但其可包括其它材料，例如硫酸钡(BaSO4)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)或氧化铝(Al2O3)。
[0026]在一种布置中，所述光衍射材料具有在范围Ιμπι到50μπι中且更优选地在范围10 μ m到20 μ m中的平均颗粒大小。在其它布置中，所述光衍射材料具有经选择使得所述颗粒将散射的激发辐射相对多于其将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的颗粒大小。举例来说，对于蓝色光辐射源，所述光衍射颗粒大小可经选择使得所述颗粒将散射的蓝色光相对多达其将散射的由所述至少一种磷光体材料产生的光的至少两倍。此光漫射层确保光衍射材料将散射从波长转换层发射的较高比例的蓝色光并将其引导回到波长转换层中，从而增加光子与磷光体材料颗粒相互作用且导致产生光致发光光的概率。同时，磷光体产生的光可以被散射的较低概率通过所述漫射层。由于漫射层增加蓝色光子与磷光体材料颗粒相互作用的概率，因此可使用较少磷光体材料来产生选定发射色彩。此布置还可增加波长转换组件/装置的发光效率。优选地，在激发辐射包括蓝色光的情况下，所述光衍射材料具有小于约150nm的平均颗粒大小。当激发辐射包括UV光时，光衍射材料可具有小于约IOOnm的平均颗粒大小。
[0027]所述透光衬底可包括可实质上透射可见光(380nm到740nm)的任何材料且通常包括例如聚碳酸酯或丙烯酸系物的聚合物材料。或者，所述衬底可包括玻璃。
[0028]具有由与磷光体材料所产生的波长的光相比优先散射对应于由LED产生的波长的光的光衍射颗粒构成的光漫射层的波长转换组件的概念被独立地视为发明性的。根据本发明的另一方面，一种用于包括至少一个蓝色发光固态光源的发光装置的波长转换组件包括包括至少一种磷光体材料的颗粒的波长层及包括光衍射材料的颗粒的光漫射层；其中光衍射颗粒大小经选择使得颗粒将散射的激发辐射相对多于其将散射的由所述至少一种磷光体材料产生的光。
[0029]为了增加由装置产生的光的CRI (显色指数)，所述装置可进一步包括可操作以产生红色光的至少一个固态光源。
[0030]根据本发明的进一步实施例，用于发光装置的波长转换组件包括:光漫射层，包括光散射材料的颗粒，其中所述光漫射层具有带有界定内部体积的内表面的形状；波长转换层，其包括在所述内部体积内的至少一种光致发光材料的颗粒。所述组件有利地包括穹顶形状或细长穹顶形状。
[0031]在一些实施例中，所述波长转换层实质上填充光漫射层的形状的内部体积。或者，所述波长转换层包括与所述光漫射层相同的形状。
[0032]与本发明的其它实施例一样，所述波长转换层包括至少一种磷光体材料与透光粘结剂的混合物，且所述光漫射层包括所述光散射材料与相同透光粘结剂的混合物。
[0033]为了减少光致发光材料的使用，所述波长转换层可进一步包括第二光散射材料。所述光散射材料及所述第二光散射材料可具有不同材料性质。或者，两种材料可包括相同材料。[0034]所述透光粘结剂可包括可固化液态聚合物，例如聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树脂、硅酮或氟化聚合物。
[0035] 光散射材料对粘结剂的重量载荷在范围7%到35%中且优选地在范围10%到20%中。
[0036]所述光散射材料优选地具有在范围ΙμL?到50μπ?中且有利地在范围10 μ m到20 μ m中的平均颗粒大小。
[0037]可使用例如真空模制或注射模制工艺的模制工艺来形成光漫射层。所述波长转换层可使用模制工艺形成到漫射层上或通过将磷光体材料与粘结剂材料一起沉积到光漫射层的内部体积中来形成。
[0038]所述光散射材料优选地包括二氧化钛、硫酸钡、氧化镁、二氧化硅或氧化铝。优选地，所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。在优选实施例中，所述光散射材料散射的激发光多达由至少一种光致发光材料产生的光的至少两倍。在激发光包括蓝色光的情况下，所述光散射材料优选地具有小于约150nm的平均颗粒大小。或者，在激发光包括紫外光的情况下，所述光散射材料优选地具有小于约IOOnm的平均颗粒大小。
[0039]根据本发明的其它实施例，一种发光装置包括:至少一个固态发光器，其可操作以产生激发光；光漫射层，其包括光散射材料的颗粒，其中所述光漫射层具有带有界定内部体积的内表面的形状；波长转换层，其包括在所述内部体积内的可由所述激发光激发的至少一种光致发光材料的颗粒。
[0040]有利地，所述光漫射层内的光散射材料对应于改进发光装置的关断状态白色外观的平均颗粒大小。
[0041]以下在详细描述、图式及所附权利要求书中描述本发明的方面、目标及优点的进一步细节。前述一般描述及以下详细描述两者均为示范性及解释性的，且不打算限制本发明的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]为了更好地理解本发明，现在将参考附图仅以实例的方式描述根据本发明的基于LED的发光装置及磷光体波长转换组件，在附图中相似参考编号用于表示相似部件，且其中:
[0043]图1展示根据本发明的实施例的固态发光装置的示意性部分剖视平面图及截面图；
[0044]图2是根据本发明的实施例的磷光体波长转换组件的示意图；
[0045]图3是根据本发明的另一实施例的磷光体波长转换组件的示意图；
[0046]图4展示针对图1的装置对于含有光衍射材料的0%、7%、12%、16%、23%及35%重量载荷的磷光体波长转换组件的发射色彩改变对发射角度的曲线图；
[0047]图5是针对图1的装置在发射角度Θ = 60°下的发光效率(经正规化)对发射色彩改变的曲线图；
[0048]图6展示根据本发明针对暖白色(~3000K)固态发光装置对于含有光衍射材料的不同及20%重量载荷的波长转换组件的发射色彩改变对发射角度的曲线图；
[0049]图7是针对暖白色发光装置对于含有光衍射材料的不同0%、10%、15%及20%重量载荷的波长转换组件在发射角度Θ =60°下的发光效率(经正规化)对发射色彩改变的曲线图；
[0050]图8是1931C.1.E.(国际照明委员会)色度图，其展示针对暖白色发光装置对于含有光衍射材料的及20%重量载荷的波长转换组件在发射角度Θ =0°、15°、30°、45°及60°下的发射色彩；
[0051]图9展示根据本发明的另一实施例的高CRI固态发光装置的示意性部分剖视平面图及截面图；
[0052]图10展示针对红色、绿色及蓝色光的相对光散射对光衍射颗粒大小(nm)的曲线图。
[0053]图11是图解说明已知发光装置的操作原理的示意图；
[0054]图12是图解说明根据本发明的实施例具有与磷光体颗粒混合的散射颗粒的发光装置的操作原理的示意图；
[0055]图13是针对根据本发明的基于LED的发光装置的对于光反射材料的不同重量百分比载荷的发射强度对色度CIE X的曲线图；
[0056]图14是图解说明根据本发明的实施例在波长转换层及漫射层两者内具有散射颗粒的发光装置的示意图；
[0057]图15及16分别图解说明根据一些实施例的波长转换组件的应用的透视图及横截面图；
[0058]图17是图解说明根据本发明的实施例具有形成为穹顶形壳层的漫射层的发光装置的示意图，其中波长转换层形成所述穹顶形漫射层的内部表面上的内层；
[0059]图18是图解说明根据本发明的实施例具有形成为穹顶形壳层的漫射层的发光装置的示意图，其中波长转换层实质上填充由所述穹顶形漫射层的内部表面形成的内部体积；
[0060]图19是图解说明根据本发明的实施例具有形成为穹顶形壳层的漫射层的发光装置的示意图，其中具有散射颗粒的波长转换层实质上填充由所述穹顶形漫射层的内部表面形成的内部体积；
[0061]图20A、20B及20C图解说明根据一些实施例的波长转换组件的应用的实例；
[0062]图21A、21B及21C图解说明根据一些实施例的波长转换组件的应用的另一实例；
[0063]图22图解说明根据一些实施例的波长转换组件的应用的另一实例；
[0064]图23A及23B图解说明根据一些实施例的波长转换组件的应用的另一实例；且
[0065]图24图解说明根据一些实施例的波长转换组件的另一应用的透视图。
【具体实施方式】
[0066]本发明的一些实施例针对于包括可操作以产生激发光(通常为蓝色或UV)的一或多个固态发光器(通常为LED)的发光装置，所述激发光用以激发含有光致发光材料(例如，磷光体材料)(例如蓝色光可激发磷光体材料或UV可激发磷光体材料)的颗粒的波长转换组件。另外，所述波长转换组件包括光漫射层，其包括光衍射材料(本文中也称为“光散射材料”)的颗粒。此布置的一个益处为，通过选择光衍射材料的适当颗粒大小及每单位面积的浓度，可制作具有随着在与发射轴成±60°范围内的发射角度几乎均匀的发射产物色彩的装置。此外，光漫射层的使用可实质上减少产生选定色彩的所发射光所需的磷光体材料量。另外，所述光漫射层可显著改进发光装置在其关断状态中的白色外观。
[0067]仅出于图解说明的目的，以下描述是参考具体体现为磷光体材料的光致发光材料而做出的。然而，本发明适用于任何类型的任何类型的光致发光材料，例如磷光体材料或量子点。量子点为其激子在所有三个空间维度上受局限的一部分物质(例如，半导体)，其可由辐射能量激发以发射特定波长或波长范围的光。另外，以下描述是参考具体体现为蓝色光源的辐射源而做出的。然而，本发明适用于任何类型的辐射源，包含蓝色光源及UV光源。
[0068]现在将参考图1描述根据本发明的实施例的固态发光装置10，其展示所述装置的示意性部分剖视平面图及截面图。装置10经配置以产生具有大致3000K的CCT (相关色温)及大致1000流明的发光通量的暖白色光。
[0069]装置10包括中空圆柱形主体12，所述中空圆柱形主体由圆盘形底座14、中空圆柱形壁部分16及可拆卸环形顶部18构成。为了帮助热量耗散，底座14优选地由铝、铝合金或具有高导热率(优选地> ZOOWnr1K-1)的任何材料(例如铜、镁合金或装载有金属的塑料材料)制作。为了低成本生产，壁16及顶部18优选地由例如HDPP(高密度聚丙烯)、耐纶或PMA(聚丙烯酸甲酯)的热塑性材料制作。或者，其可由例如铝或铝合金的导热材料制作。如图1中所指示，底座14可通过螺丝或螺栓20或通过其它紧固件或借助于粘合剂附接到壁部分16。如图1中进一步展示，顶部18可使用卡口型架座可拆卸地安装到壁部分16，其中径向延伸的凸片22啮合于顶部18中的对应环形凹槽中。
[0070]装置10进一步包括多个(在所图解说明的实例中，4个)蓝色发光LED24(蓝色LED)，其经安装而与圆形MCPCB (金属芯印刷电路板)26热连通。蓝色LED24可包括来自加利福尼亚州佛利蒙市英特美公司(Intematix Corporation of Fremont, California)的
4.SWCetus? C1109陶瓷上芯片装置，其中每一装置包括配置为矩形阵列3行X4列的十二个0.4W基于GaN(基于氮化镓)的蓝色LED芯片的陶瓷封装阵列。每一蓝色LED24可操作以产生具有在波长范围400nm到480nm(通常为450nm到470nm)中的峰值波长λ:的蓝色光28。如已知，MCPCB包括由金属芯底座(通常为铝)、导热/电绝缘电介质层及用于以所要电路配置电连接电组件的铜电路层构成的分层结构。MCPCB26的金属芯底座借助于导热化合物(例如，含有标准散热化合物的粘合剂，所述标准散热化合物含有氧化铍或氮化铝)与底座14热连通地安装。如图1中所展示，可使用螺丝或螺栓30将MCPCB附接到底座。
[0071]为了最大化光的发射，装置10可进一步包括光反射表面32、34，其分别覆盖MCPCB26的面及顶部18的内弯曲表面。通常，光反射表面32、34可包括高光反射薄片材料，例如来自美国伊利诺斯州奈尔斯市的A.L.P.照明组件公司(A.L.P.lightingComponents, Inc ofNiles, Illinois, USA)的 WhiteOptics? “White97” (基于高密度聚乙烯纤维的复合膜)。如图1中所指示，可使用所述材料的圆盘32来覆盖MCPCB的面，且光反射材料条带配置为插入于外壳中且经配置以覆盖外壳壁部分16的内表面的圆柱形套筒34。
[0072]装置10进一步包括磷光体波长转换组件36，其可操作以吸收一定比例的由LED24产生的蓝色光28 U1),并通过光致发光过程36将其转换为不同波长(λ 2)的光38。装置10的发射产物40包括由LED24及磷光体波长转换组件36产生的波长W的组合光。所述波长转换组件远离LED24定位，且与所述LED空间上分离通常至少Icm的距离d。在此专利说明书中，“远程地”及“远程”意指呈间隔或分离关系。波长转换组件36经配置以完全覆盖外壳12的开口，使得由灯发射的所有光均通过组件36。如所展示，波长转换组件36可使用顶部18可拆卸地安装到壁部分16的顶部，从而使得能够易于改变灯的组件及发射色彩。
[0073]如图2中所展示，波长转换组件36依序包括透光衬底42、含有光衍射颗粒的光漫射层44及含有一或多种光致发光(例如,磷光体)材料的波长转换层46。如在图2中可见，波长转换组件36经配置使得在操作中波长转换层46面向LED。
[0074]透光衬底42可为实质上可透射在波长范围380nm到740nm中的光的任何材料，且可包括透光聚合物，例如聚碳酸酯或丙烯酸系物或例如硼硅酸盐玻璃的玻璃。对于图1的灯10，衬底42包括直径Φ= 62 mm及厚度tl (其通常为0.5mm到3mm)的平面圆盘。在其它
实施例中，衬底可包括其它几何形状，例如凸或凹的形式，例如穹形或圆柱形。
[0075]漫射层44包括光衍射材料(优选地，二氧化钛(TiO2))的颗粒的均匀厚度层。在替代布置中，所述光衍射材料可包括硫酸钡(BaSO4)、氧化镁(MgO)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)或具有尽可能高的反射率(通常为0.9或更高的反射比)的粉末状材料。将光衍射材料粉末与透光液态粘结剂材料以已知比例充分混合以形成悬浮液且优选地通过丝网印刷将所得混合物沉积到衬底42的面上以形成覆盖衬底的整个面的均匀厚度t2(通常在范围10 μ m到75 μ m中)层。光漫射层44中每单位面积的光衍射材料量将通常在范围10 μ g.cnT2 到 5mg.cnT2 中。
[0076]尽管丝网印刷为用于沉积光衍射漫射层44的优选方法，但其可使用其它技术来沉积，例如狭缝型挤压式涂覆、旋转涂覆、滚筒涂覆、泄降式涂覆或刮刀涂布。所述粘结剂材料可包括可固化液态聚合物，例如聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树脂(聚环氧化物)、硅酮或氟化聚合物。重要地，粘结剂材料在其固化状态中实质上可透射由磷光体材料及LED24产生的所有波长的光，且优选地具有在可见光谱(380nm到800nm)内至少0.9的透射比。粘结剂材料优选地为U.V.可固化的，但其可为热可固化的、基于溶剂的或其组合。U.V.可固化或热可固化粘结剂可为优选的，因为不同于基于溶剂的材料，其在聚合作用期间不会“排气”。在一种布置中，光衍射材料的平均颗粒大小在范围5 μ m到15 μ m中，但如将描述，其可在纳米范围(nm)中且有利地在范围IOOnm到150nm中。光衍射材料对液态粘结剂的重量百分比载荷通常在范围7%到35%中。
[0077]波长转换层46经沉积而与光漫射层44直接接触且无任何介入层或气隙。将呈粉末形式的磷光体材料与液态透光粘结剂材料以已知比例充分混合以形成悬浮液且将所得磷光体组合物“磷光体油墨”直接沉积到漫射层44上。所述波长转换层优选地通过丝网印刷来沉积，但可使用其它沉积技术，例如狭缝型挤压式涂覆、旋转涂覆或刮刀涂布。为了消除波长转换层46与漫射层44之间的光学界面且为了最大化光在各层之间的透射，优选地使用相同液态粘结剂材料来制作两个层；即，聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树月旨、硅酮或氟化聚合物。
[0078]磷光体波长转换层46优选地通过丝网印刷来沉积，但可使用其它沉积技术，例如狭缝型挤压式涂覆、旋转涂覆、滚筒涂覆、泄降式涂覆或刮刀涂布。粘结剂材料优选地为U.V.可固化的或热可固化的，而非基于溶剂的。当溶剂蒸发某体积时，且组合物的粘度将改变且此可导致较高浓度的磷光体材料，这将影响装置的发射产物色彩。在U.V.可固化聚合物的情况下，粘度及固体比率在沉积过程期间较稳定，其中U.V.固化用以在完成沉积之后使层聚合及凝固。此外，由于在磷光体油墨的丝网印刷的情况中，可需要多遍次印刷来实现所需的层厚度，因此U.V.可固化粘结剂的使用为优选的，因为每一层可在印刷之后于下一层的印刷之前几乎立即固化。
[0079]由波长转换组件产生的发射产物的色彩取决于波长转换层46中的磷光体材料组成及每单位面积的磷光体材料量。将了解，每单位面积的磷光体材料量取决于波长转换层46的厚度t3及磷光体油墨中磷光体材料对粘结剂的重量载荷。在其中发射产物为白色的应用中，或在其中发射产物具有高饱和度色彩(即，发射产物包括实质上所有光致发光产生的光)的应用中，波长转换层46中每单位面积的磷光体材料量将通常在IOmg.cm-2与40mg.cm-2之间。为了使得能够在最小数目个印刷遍次中印刷波长转换层46，磷光体油墨优选地具有尽可能高的磷光体材料对粘结剂材料的固体载荷，且优选地具有在范围40%到75%中的磷光体材料对粘结剂的重量载荷。对于在约40%以下的重量载荷,发现可必需五个或五个以上印刷遍次来实现每单位面积的所需磷光体材料。所述磷光体材料包括具有10 μ m到20 μ m且通常约15 μ m的平均颗粒大小的颗粒。
[0080]在一般照明应用中，发射产物40将通常为白色光，且磷光体材料可包括一或多种蓝色光可激发磷光体材料，其发射绿色(510nm到550nm)、黄-绿色(550nm到570nm)、黄色(570nm到590nm)、橙色(590nm到630nm)或红色(630nm到740nm)光。波长转换层的厚度t3、磷光体材料组成及每单位面积的磷光体材料的密度(重量载荷)将确定由灯发射的光的色彩。
[0081]所述磷光体材料可包括无机或有机磷光体，例如大体组成为A3Si(OD)5或A2Si(OD)4的基于硅酸盐的磷光体，其中Si为娃，O为氧，A包括锶(Sr)、钡(Ba)、镁(Mg)或钙(Ca)，且D包括氯(Cl)、氟(F)、氮(N)或硫(S)。基于硅酸盐的磷光体的实例揭示于美国专利US7, 575，697B2 “基于娃酸盐的绿色磷光体(Silicate-based greenphosphors) ”、US7, 601，276B2“两相基于娃酸盐的黄色憐光体(Two phase silicate-basedyellow phosphors) ”、US7, 655, 156B2 “基于娃酸盐的澄色憐光体(Silicate-basedorange phosphors) ” 及 US7, 311，858B2 “基于娃酸盐的黄-绿色憐光体(Silicate-basedyellow-green phosphors) ”中。所述磷光体还可包括:基于招酸盐的材料，例如共同待决的专利申请案US2006/0158090Ar‘新颖的基于招酸盐的绿色磷光体(Novel aluminate-basedgreen phosphors) ” 及专利 US7, 390，437B2 “基于招酸盐的蓝色憐光体(Aluminate-basedblue phosphors) ”中所教示；硅酸铝磷光体，如共同待决的申请案US2008/0111472Ar‘硅酸招橙-红色绿光体(Aluminum-silicate orange-red phosphor) ”中所教示；或基于氮化物的红色磷光体材料，例如共同待决的美国专利申请案US2009/0283721A1 “基于氮化物的红色憐光体(Nitride-based red phosphors) ”及国际专利申请案W02010/074963A1 “基于氮化物的在RGB (红色-绿色-蓝色)中发射红色的照明系统(Nitride-based red-emittingin RGB (red-green-blue) lighting systems) ”中所教示。将了解，所述磷光体材料并不限于所描述的实例，且可包括任何磷光体材料，包含氮化物及/或硫酸盐磷光体材料、氧氮化物及含氧硫酸盐磷光体或石榴石材料(YAG)。[0082]图3中图解说明根据本发明的磷光体波长转换组件36的另一实例。与图2的波长转换组件一样，所述组件包括透光衬底42、光漫射层44及波长转换层46。根据本发明，光漫射层44及波长转换层46经沉积而彼此直接接触。再次，在操作中，所述组件经配置使得所述波长转换组件经配置使得光漫射层44面向LED24。
[0083]在操作中，由LED24产生的蓝色光28行进穿过波长转换层46直到其撞击磷光体材料的颗粒为止。据信，平均上光子与磷光体材料颗粒的相互作用的低至1/1000导致光致发光光38的吸收及产生。光子与磷光体颗粒的相互作用的大部分(约99.9% )导致光子的散射。由于散射过程的各向同性性质，平均上光子的一半将沿往回朝向LED的方向散射。测试指示，通常总入射蓝色光28的约10%从波长转换组件36沿往回朝向LED的方向散射及发射。对于冷白色发光装置，磷光体材料的量经选择以允许总入射蓝色光的大致10%从波长转换组件发射并贡献于由观察者21观看的发射产物40。入射光的大部分(大致80%)由磷光体材料吸收且作为光致发光光38重新发射。由于光致发光光产生的各向同性性质，由磷光体材料产生的光38的大致一半将沿朝向LED的方向发射。因此，总入射光的仅最高达约40%将作为波长λ 2的光38发射并贡献于发射产物38，其中总入射光的剩余部分(最高达约40% )作为波长λ 2的光38沿往回朝向LED的方向发射。从波长转换组件36朝向LED发射的光由光衍射表面32、34重新引导以贡献于发射产物且增加装置的总体效率。
[0084]与常规LED照明装置相关联的通过解决本发明的实施例的一个问题是装置在关断状态中的非白色外观。如所论述，在接通状态期间，LED芯片或裸片产生蓝色光且此后所述蓝色光的某一部分由磷光体吸收以重新发射黄色光(或绿色与红色光、绿色与黄色光、绿色与橙色光或黄色与红色光的组合)。由所述LED产生的蓝色光的未被所述磷光体吸收的部分与由所述磷光体发射的光组合，以提供在人眼看来在色彩上接近为白色的光。
[0085]然而，在关断状态中，LED芯片或裸片不产生任何蓝色光。而是，由远程磷光体照明设备产生的光至少部分地基于外部光(例如，太阳光或室内光)，所述外部光激发波长转换组件中的磷光体材料且因此在光致发光光中产生淡黄色、黄-橙色或橙色。由于LED芯片或裸片未产生任何蓝色光，因此此意味着将不存在与来自波长转换组件的光致发光光的黄色/橙色光组合以产生白色外观光的任何残余蓝色光。因此，照明装置将看起来在色彩上为淡黄色、黄-橙色或橙色。此对于正寻求白色外观光的潜在购买者或顾客来说可为不合意的。
[0086]根据一些实施例，光漫射层44提供通过改进装置在关断状态中对于观察者21的视觉外观而解决此问题的额外益处。部分地，这是因为光漫射层44包含光衍射材料的颗粒，其可实质上减少原本将致使波长转换组件重新发射具有淡黄色/橙色的波长的光的外部激发光的通过。
[0087]举例来说，光漫射层44中的光衍射材料的颗粒经选择而具有增加其散射蓝色光的概率的大小范围，此意味着较少的外部蓝色光通过光漫射层44以激发波长转换层46。因此，远程磷光体照明设备在关断状态中将具有较多的白色外观，因为波长转换组件发射较少的黄色/红色光。
[0088]光衍射颗粒大小可经选择使得颗粒将散射的蓝色光相对多达其将散射的由磷光体材料产生的光的至少两倍。此光漫射层44确保在关断状态期间，光衍射材料将散射由装置接收的较高比例的外部蓝色光并将其远离波长转换层46引导，从而降低外部始发的光子与磷光体材料颗粒相互作用的概率且最小化淡黄色/橙色光致发光光的产生。然而，在接通状态期间，由来自LED光源的激发光导致的磷光体产生的光却可以被散射的较低概率通过漫射层44。优选地，为了增强照明装置在关断状态中的白色外观，光漫射层44内的光衍射材料为具有小于约150nm的平均颗粒大小的“纳米颗粒”。对于发射具有其它色彩的光的光源，所述纳米颗粒可对应于其它平均大小。举例来说，用于UV光源的光漫射层44内的光衍射材料可具有小于约IOOnm的平均颗粒大小。
[0089]因此，通过对光散射材料的平均颗粒大小的适当选择，可配置光漫射层使得其相比于如由光致发光材料发射的其它色彩(即，绿色及红色)更容易散射激发光(例如，蓝色光)。图10展示针对红色、绿色及蓝色光的相对光散射对TiO2平均颗粒大小(nm)的曲线图。如从图10可见，具有IOOnm到150nm的平均颗粒大小的TiO2颗粒可能散射的蓝色光(450nm到480nm)为其将散射的绿色光(510nm到550nm)或红色光(630nm到740nm)的两倍以上。举例来说，具有IOOnm的平均颗粒大小的TiO2颗粒将散射的蓝色光为其将散射的绿色或红色光的接近三倍(2.9 = 0.97/0.33)。对于具有200nm的平均颗粒大小的TiO2颗粒，这些颗粒将散射的蓝色光多达其将散射的绿色或红色光的超过两倍(2.3 = 1.6/0.7)。根据本发明的一些实施例，光衍射颗粒大小优选地经选择使得颗粒将散射的蓝色光相对多达由磷光体材料产生的光的至少两倍。
[0090]可通过本发明的实施例解决的远程磷光体装置的另一问题是所发射光的色彩随着发射角度的变化。特定来说，当从不同角度观看时，远程磷光体装置经常遭受可感知的色彩不均匀性。
[0091]本发明的实施例校正此问题，因为与波长转换层46直接接触的光漫射层44的添加显著地增加了所发射光的色彩随着发射角度Θ的均匀性。发射角度Θ是相对于发射轴48(图1)测量的。图4展示根据本发明的一些实例性实施方案针对图1的灯对于包括其中光衍射材料对粘结剂材料的百分比(％)重量载荷为0%、7%、12%、16%、23%及35%的漫射层44的波长转换组件36的所测量CIE色彩改变对发射角度Θ的曲线图。所有发射色彩测量均是针对其中光漫射层包括具有平均颗粒大小~5 μ m的TiO2光衍射颗粒的波长转换组件在距灯10为IOm的距离处测量的。为了比较，针对TiO2的O %百分比载荷的数据对应于不包含光漫射层的波长转换组件。
[0092]从以下关系导出所测量色彩改变:
[0093]
【权利要求】
1.一种用于发光装置的波长转换组件，其包括:至少一种光致发光材料；及光散射材料，其中所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的来自辐射源的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。
2.根据权利要求1所述的组件，其中所述光散射材料散射的所述激发光多达由所述至少一种光致发光材料产生的光的至少两倍。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的组件，其中所述激发光包括蓝色光。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的组件，其中所述光散射材料具有小于约150nm的平均颗粒大小。
5.根据任一前述权利要求所述的组件，其中所述光散射材料选自由以下各项组成的群组:二氧化钛、硫酸钡、氧化镁、二氧化娃及氧化招。
6.根据任一前述权利要求所述的组件，其中所述至少一种光致发光材料位于波长转换层中且所述光散射材料位于漫射层中。
7.根据权利要求6所述的组件，其中所述波长转换层与所述光漫射层彼此直接接触。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的组件，其中所述波长转换层包括至少一种磷光体材料与透光粘结剂的混合物，且所述光漫射层包括所述光散射材料与所述透光粘结剂的混合物。
9.根据权利要求8所述的组件，其中所述透光粘结剂包括选自由以下各项组成的群组的可固化液态聚合物:聚合物树脂、单体树脂、丙烯酸系物、环氧树脂、硅酮及氟化聚合物。
10.根据权利要求8或权利要求9所述的组件，其中光散射材料对粘结剂的重量载荷选自由以下各项组成的群组到35%及10%到20%。
11.根据权利要求6所述的组件，其中所述波长转换及光漫射层是使用选自由以下各项组成的群组的方法沉积的:丝网印刷、狭缝型挤压式涂覆、旋转涂覆、滚筒涂覆、泄降式涂覆及刮刀涂布。
12.根据权利要求6到11中任一权利要求所述的组件，其中所述波长转换层及所述光漫射层为实质上平面的。
13.根据权利要求6到11中任一权利要求所述的组件，其中所述光漫射层包括穹顶或细长穹顶形状。
14.根据权利要求13所述的组件，其中所述波长转换层填充在所述穹顶或细长穹顶形状下方形成的体积。
15.根据任一前述权利要求所述的组件，其中所述至少一种光致发光材料及所述光散射材料两者均位于波长转换层中。
16.根据任一前述权利要求所述的组件，其中所述光散射材料具有在选自由以下各项组成的群组的范围中的平均颗粒大小:1 μ m到50 μ m及10 μ m到20 μ m。
17.根据任一前述权利要求所述的组件，其中所述至少一种光致发光材料被沉积到透光衬底上，且所述透光衬底选自由以下各项组成的群组:聚碳酸酯、丙烯酸系物及玻璃。
18.一种发光装置，其包括: 至少一个固态发光器，其可操作以产生激发光； 至少一种光致发光材料；及 光散射材料，其中所述光散射材料具有经选择使得所述光散射材料将散射的来自辐射源的激发光相对多于所述光散射材料将散射的由所述至少一种光致发光材料产生的光的平均颗粒大小。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述光散射材料的所述平均颗粒大小经选择以改进所述发光装置的关断状态白色外观。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的装置，其中所述光散射材料的所述平均颗粒大小经选择以针对在与发射轴成±60°范围内的发射角度获得来自所述发光装置的所发射光的实质上均匀色彩。
21.根据权利要求18到20中任一权利要求所述的装置，其中所述光散射材料对粘结剂的重量载荷选自由以下各项组成的群组:7%到35%及10%到20%。
22.根据权利要求18到21中任一权利要求所述的装置，其中所述激发光包括蓝色光，且所述光散射材料散射的所述蓝色光多达由所述至少一种光致发光材料产生的光的至少两倍。
23.根据权利要求18到22中任一权利要求所述的装置，其中所述光散射材料具有小于约150nm的平均颗粒 大小。
【文档编号】F21S2/00GK103959490SQ201280057372
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年10月12日 优先权日:2011年10月13日
【发明者】代冰, 袁湘龙, 王刚, 查尔斯·爱德华兹 申请人:英特曼帝克司公司