波長轉(zhuǎn)換元件的制作方法
【專利摘要】一種波長轉(zhuǎn)換元件(101、102、103、110)，包括聚合物載體材料，其包括適配于將第一波長的光轉(zhuǎn)換為第二波長的光的第一波長轉(zhuǎn)換材料，其中聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)(D)在25℃為8×10-13cm2／s或更低。通過選擇氧擴散系數(shù)(D)在25℃為8×10-13cm2／s或更低的聚合物載體材料，實現(xiàn)了波長轉(zhuǎn)換材料延長的壽命。
【專利說明】波長轉(zhuǎn)換元件
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包括聚合物載體材料的波長轉(zhuǎn)換元件，該聚合物載體材料包括熒光體，以及涉及包括這種光轉(zhuǎn)換元件的發(fā)光設備。
【背景技術】
[0002]基于發(fā)光二極管(LED)的照明設備正越來越多地用于多種照明應用。LED提供了優(yōu)于諸如白熾燈和熒光燈之類的傳統(tǒng)光源的優(yōu)勢，包括壽命長、發(fā)光效率高、工作電壓低和流明輸出調(diào)制快。
[0003]高效高功率LED通?；谒{色發(fā)光材料。為了生產(chǎn)基于LED的具有期望的顏色輸出(例如白色)的照明設備，可以使用合適的波長轉(zhuǎn)換材料(通常被稱為熒光體)將由LED發(fā)射的光的部分轉(zhuǎn)換為更長波長的光，以便產(chǎn)生具有期望的光譜特性的光的組合。波長轉(zhuǎn)換材料可以直接應用在LED芯片上，或者可以布置在距離熒光體一定距離的位置(稱作遠程配置)。
[0004]許多無機材料已經(jīng)作為熒光體材料用于將由LED發(fā)射的藍色光轉(zhuǎn)換為更長波長的光。然而，無機熒光體有一些缺點，它們相對昂貴。此外，無機熒光體是光散射的微粒，因此總是反射一部分入射光，這就導致在設備中的效率損失。此外，無機LED熒光體量子效率有限并且發(fā)射光譜相對寬(尤其對于發(fā)射紅色光的LED熒光體)，這就導致額外的效率損失。
[0005]現(xiàn)今，當需要將LED發(fā)射的藍色光轉(zhuǎn)換為黃/橙色光，例如為了得到白色光輸出時，正在考慮用有機熒光體材料替代LED中的無機熒光體材料。有機熒光體具有優(yōu)點，它們的發(fā)光光譜易于根據(jù)位置和頻帶寬度調(diào)節(jié)。有機熒光體材料還經(jīng)常具有高透明度，這是有益的，因為與使用更吸收光和/或反射光的熒光體材料的系統(tǒng)相比，改進了照明系統(tǒng)的效率。此外，有機熒光體的成本比無機熒光體低得多。然而，由于有機熒光體對LED在電致發(fā)光活動過程中產(chǎn)生的熱敏感，有機熒光體主要用于遠程配置設備。
[0006]阻礙有機熒光體材料在基于遠程熒光體LED的照明系統(tǒng)中應用的主要障礙是它們的弱光化學穩(wěn)定性。
[0007]US2007 / 0273274 (Horiuchi等人)公開了一種半透明層壓板，其包括發(fā)光設備并且包括有機熒光體，其被布置在氧氣濃度低的氣密腔體中從而減少熒光體的退化。然而，保持低氧氣濃度是困難且昂貴的。
[0008]因此在本【技術領域】中仍然需要應用有機熒光體材料的發(fā)光設備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于上述及其它現(xiàn) 有技術的缺點，本發(fā)明的一個目的是提供包括壽命增加的熒光體的波長轉(zhuǎn)換元件。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，通過一種波長轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)這個及其它目的，該元件包括聚合物載體，該聚合物載體包括適于將第一波長的光轉(zhuǎn)換為第二波長的光的第一有機波長轉(zhuǎn)換材料，其中聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)(D)在25°C為8X IO-13Cm2 / s或更低。波長轉(zhuǎn)換元件被包括在發(fā)光設備中，該發(fā)光設備進一步包括適于發(fā)射第一波長的光的光源，其中波長轉(zhuǎn)換元件被布置為接收第一波長的光，并且適于將第一波長的光的至少部分轉(zhuǎn)換為第二波長的光。
[0011 ] 在本發(fā)明的實施例中，第一波長轉(zhuǎn)換材料可以為包括二萘嵌苯衍生物的有機熒光體材料。
[0012]可以通過在聚合物材料中對其的合并改進有機熒光體材料的穩(wěn)定性，并且這最近已經(jīng)在非公開申請(EP10181066.1)中被進一步描述，由此通過引用合并入本文。
[0013]本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，當波長轉(zhuǎn)換材料被包含在惰性環(huán)境中時，波長轉(zhuǎn)換材料的退化率與相應的在具有0.6%或更低的氧氣濃度的環(huán)境中的退化率本質(zhì)上相同，而對于高于0.6%的氧氣濃度，如通常所預期的，波長轉(zhuǎn)換材料的退化率隨氧氣濃度的增加而迅速增加。因此，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以通過提供具有0.6%或更低的氧氣濃度的環(huán)境，實現(xiàn)與在惰性環(huán)境中所實現(xiàn)相同的波長轉(zhuǎn)換材料的穩(wěn)定性和因此相同的壽命。由此，無需提供完全的惰性環(huán)境。
[0014]根據(jù)上述發(fā)現(xiàn)類推，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，只要聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)(D)在25°C為8X10_13cm2 / s或更低，被包括在聚合物載體材料中的波長轉(zhuǎn)換材料，諸如有機熒光體材料，展示出卓越的穩(wěn)定性以及由此改進的壽命。本發(fā)明人已經(jīng)示出，對于具有高于SXlO-13Cm2 / s的氧擴散系數(shù)(D)的聚合物載體材料，波長轉(zhuǎn)換材料的退化率隨著氧擴散系數(shù)(D)的增加而迅速增加，從而如上所述大概相應于高于0.6%的氧氣濃度。
[0015]有利地，聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)⑶可以在25°C為4X10_13cm2 / s或更低，諸如舉例而言IX 10_13cm2 / S或更低。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，聚合物載體材料可以有利地包括半結(jié)晶聚合物材料。
[0017]有利地,第一波長轉(zhuǎn)換材料包括有機波長轉(zhuǎn)換材料。
[0018]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，第一波長轉(zhuǎn)換材料可以包括二萘嵌苯衍生物。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，聚合物載體材料的玻璃轉(zhuǎn)化溫度可以為60°C或更高，例如100°C或更高，諸如140°C或更高。
[0020]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，聚合物載體材料有利地對第一波長和第二波長的光是透明的。
[0021]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件中，聚合物載體材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或其共聚物和/或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和/或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纖維素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
[0022]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，第一波長轉(zhuǎn)換材料可以散布于聚合物載體材料中，其中第一波長轉(zhuǎn)換材料在波長轉(zhuǎn)換構(gòu)件中的重量含量可以是I %或更低。
[0023]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，聚合物材料可以為薄膜形式，薄膜的厚度范圍是從30微米至2毫米。
[0024]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，波長轉(zhuǎn)換元件可以包括第二波長轉(zhuǎn)換材料，該材料適于將第一波長的光轉(zhuǎn)換為第三波長的光。因此，使用多于一個波長轉(zhuǎn)換材料，可以更方便地按期望修改其光學特性。第二波長轉(zhuǎn)換材料可以是無機或有機的。
[0025]在根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設備的實施例中，光源和波長轉(zhuǎn)換元件可以被布置為相互隔開。在所謂的遠程配置中即是如此，其中波長轉(zhuǎn)換元件被較少地暴露于LED的高工作溫度下，由此減小熒光體材料的退化率。
[0026]一種用于制造使用在波長轉(zhuǎn)換元件中的聚合物材料的方法，包括確定聚合物載體材料在25°C具有8X10_13cm2 / s或更低的氧擴散系數(shù)(D)的步驟。
[0027]注意到，本發(fā)明涉及在權(quán)利要求中所述的特征的所有可能組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]現(xiàn)將參照示出本發(fā)明(多個)示范性實施例的附圖，更詳細地描述本發(fā)明的這個和其它方面，其中:
[0029]圖1a-1d示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設備的實施例的截面?zhèn)纫晥D； [0030]圖2示出了來自包括熒光體材料的聚合物材料層的發(fā)光以時間為函數(shù)的繪圖；
[0031]圖3示出了在不同氧氣濃度下，包括在聚合物材料中的熒光體材料的衰減率以溫度的倒數(shù)為函數(shù)的繪圖；
[0032]圖4示出了包括在聚合物材料中的熒光體材料(在120°C下測量)的衰減率以(在N2中的)氧氣濃度為函數(shù)在對數(shù)尺度的繪圖；以及
[0033]圖5示出了包括在不同聚合物材料中的熒光體材料(在60°C下測量)的衰減率以不同聚合物材料的氧氣擴散常數(shù)(D)為函數(shù)的繪圖。
【具體實施方式】
[0034]在下列描述中，將參照一種波長轉(zhuǎn)換元件和包括這樣的波長轉(zhuǎn)換元件的一種發(fā)光設備描述本發(fā)明，該波長轉(zhuǎn)換元件包括具有波長轉(zhuǎn)換材料的聚合物載體材料，該波長轉(zhuǎn)換材料散布或分子溶解在聚合物載體材料中。
[0035]本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，通過選擇在25°C具有8X 10_13cm2 / s或更小的氧擴散系數(shù)(D)的聚合物載體材料，可以改進波長轉(zhuǎn)換材料的穩(wěn)定性并且因此延長其使用壽命。優(yōu)選地，聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)⑶在25°C可以為4X10_13cm2 / s或更小，諸如舉例而言在25°C為IXKT13Cm2 / s或更小。
[0036]聚合物載體材料可以有利地包括半結(jié)晶聚合物。
[0037]此外，聚合物載體材料可以有利地具有相對高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度，例如60°C或以上，優(yōu)選地為100°C或以上，諸如140°C或以上。這是因為聚合物的氧擴散系數(shù)通常在高于其玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度會相對地高。從而，具有相對高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度的聚合物載體材料，即使是在更高的溫度(例如LED的高工作溫度)也保持低氧擴散系數(shù)。
[0038]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件中，聚合物載體材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或其共聚物和/或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和/或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纖維素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
[0039]圖1a-1d不出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設備104、105、106、107的不范性實施例的截面?zhèn)纫晥D，包括多個LED100，以及至少一個波長轉(zhuǎn)換元件101、102、103、110，該波長轉(zhuǎn)換元件以所謂的遠程配置與LED —段距離的位置布置，以便接收從LED100發(fā)射的第一波長的光，并且適于將第一波長的光的至少部分轉(zhuǎn)換為第二波長的光。聚合物載體材料通常是透明的，從而由在波長轉(zhuǎn)換元件101、102、103、110中包含的波長轉(zhuǎn)換材料所轉(zhuǎn)換的和/或由LED發(fā)射的光可以通過其透射。
[0040]如圖1a所示，發(fā)光設備104可以包括多個波長轉(zhuǎn)換元件101，其中每一個被布置以從單個LED100接收光，或者如圖1b-1d所示，發(fā)光設備105、106、107包括單個波長轉(zhuǎn)換元件102、103、110，其被布置以從所有的LED100接收光。此外，如圖1c-1d所示，波長轉(zhuǎn)換元件103、110的可以被成形為半球或燈泡。波長轉(zhuǎn)換元件還可以是薄膜的形式，該薄膜可以被彎曲，并且安裝在玻璃管中或者纏繞玻璃管，并且這種管可以設置有發(fā)光二極管以作為改型熒光燈工作。當聚合物載體材料為具有散布于其中的波長轉(zhuǎn)換材料的薄膜的形式時，薄膜的厚度范圍可以為從30微米到2毫米。 [0041]圖1d示出了根據(jù)本發(fā)明的發(fā)光設備的實施例，此處該設備被設置為改型燈107，包括設置有傳統(tǒng)燈頭108的基底部分108。圖1d中的光轉(zhuǎn)換元件110的形式是燈泡形的，以便適合于相應的光出口構(gòu)件109的形式。
[0042]此外，如本領域技術人員將理解的，本發(fā)明的方法并不涉及使用任何特定的有機熒光體化合物，并且因此，波長轉(zhuǎn)換材料可以包括任何具有所希望的特性的有機熒光體化合物，該希望的特性用于波長轉(zhuǎn)換元件的給定應用。然而二萘嵌苯衍生化合物諸如二萘嵌苯雙酰胺和二萘嵌苯單酰胺(例如可以從BASF可商業(yè)獲得的染料“F170”、“F240”、“R)83”、“F300”或“F305”中的任一個)可以有利地作為這些熒光體化合物使用，顯示出比其它材料更高的穩(wěn)定性以及良好的光學特性。
[0043]進一步的示例包括氟硼吡咯(BODIPY)熒光染料、芴衍生物、香豆素染料、氧雜蒽染料、吡咯甲川-BF2(P-BF2)復合物、二苯乙烯衍生物、羅丹明染料、諸如聚對苯乙烯撐(PPV)聚苯衍生物、熒光金屬復合物之類的發(fā)光聚合物。
[0044]在本發(fā)明的一個實施例中，第一波長轉(zhuǎn)換材料可以包括諸如所謂的量子點的納米熒光體，其包括例如硒化鎘和磷化銦。
[0045]在根據(jù)本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的實施例中，波長轉(zhuǎn)換元件可以包括第二波長轉(zhuǎn)換材料，其適于將第一波長的光轉(zhuǎn)換為第三波長的光。第二波長轉(zhuǎn)換材料可以是無機或有機的熒光體材料。因此，由于使用多于一個波長轉(zhuǎn)換材料，可以更方便地按期望修改輸出光的光譜組成。
[0046]無機熒光體材料的示例可以包括，但不限于，Ce摻雜的YAG(Y3Al5O12)或Ce摻雜的LuAG(Lu3Al5O12)。Ce摻雜的YAG發(fā)射淺黃色光，并且Ce摻雜的LuAG發(fā)射黃綠色光。其它發(fā)射紅色光的熒光體材料的示例可以包括，但不限于，ECAS(ECAS，其為CahAlSiN3 =Eux ；其中 0〈x ≤ I ;特別地 X ≤ 0.2)和 BSSN(BSSNE，其為 Ba2_x_zMxSis_yAlyN8_yOy:Euz(M=Sr, Ca ；
O≤ x ≤ 1，特別地 X ^ 0.2 ；0 ^ y ^ 4,0.0005 ≤ z ≤ 0.05)。
[0047]在本發(fā)明中，光源有利地是固態(tài)光源，諸如舉例而言LED或激光器，優(yōu)選地發(fā)射在光譜的藍紫或紫外部分中的光。
[0048]此外，本公開的實施例的其它變化可以被實施本發(fā)明的本領域技術人員通過對附圖、說明書和權(quán)利要求書的研究而理解和實現(xiàn)。例如，圖1a-1d僅僅是發(fā)光設備的示范性實施例，其中可以使用本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件，應理解，波長轉(zhuǎn)換元件可以被修改，并且被用于需要將光從一個波長轉(zhuǎn)化為另一個波長的幾乎任何類型的發(fā)光設備。此外，波長轉(zhuǎn)換元件可以被應用作為在任何發(fā)光設備上的覆蓋物。還可以設想，波長轉(zhuǎn)換構(gòu)件可以是自支撐的層，諸如具有任何適當形狀的不由發(fā)光設備支撐即可穩(wěn)固的薄膜或薄片。
[0049]已經(jīng)通過實驗證明了根據(jù)本發(fā)明的方法的優(yōu)點。
[0050]示例
[0051]在一個實驗中，在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基體中使用了 0.1%的紅色F305染料(其是一種可商業(yè)獲得的有機熒光體)。圖2示出了來自30微米厚的制備好的包括熒光體材料的PMMA基體的層以時間為函數(shù)的發(fā)光，該熒光體材料被450nm的藍色光在4.2ff / cm2光通量下照射。在層中的初始吸收是10%，因此強度與染料濃度直接相關。如可以看出的，由于光化學反應，強度隨時間以有衰減率k的時間的指數(shù)函數(shù)而不可逆地下降。
[0052]用450nm的藍色光在4.2ff / cm2光通量密度下照射制備好的包括熒光體材料的聚合物材料，并且在各種溫度下在各種氧氣濃度下測量熒光體材料的衰減率。在圖3中，衰減率圖示為溫度的倒數(shù)的函數(shù)，該衰減率是對壽命的測量。如圖3所示，對應于給定的氧氣濃度的平行線隨著氧氣濃度的升高，向上移動向更高的退化率。
[0053]圖4中在120°C下測量的熒光體材料的退化率被圖示為(在氮氣中)氧氣濃度的對數(shù)尺度的函數(shù)?？梢钥闯?，能夠確定兩個不同的狀態(tài)。向上直到0.1%氧氣濃度的測量點，濃度對退化率只有微小 的影響。因此，本發(fā)明人可以通過繪制如圖4所示的直線，限定兩個狀態(tài)。這些線在0.6%氧氣濃度處交叉。本發(fā)明人限定兩個狀態(tài):在向上到約0.6%氧氣濃度的范圍內(nèi)，退化保持在第一狀態(tài)中，并且氧氣濃度對退化率只有微小的影響。在更高氧氣濃度的范圍內(nèi)，退化率隨著氧氣濃度的增加而十分迅速地增加。
[0054]以相同的方式，本發(fā)明人使用具有不同氧氣擴散常數(shù)的各種聚合物，并且在60°C測量該聚合物中包括的二萘嵌苯紅色染料F305材料的退化率。結(jié)果示出于表1中，并且繪制于圖5中，其中所測量的熒光體材料的退化率以聚合物的氧擴散系數(shù)為函數(shù)繪制。如圖5所示，對于具有高于SXlO-13Cm2 / s的氧氣擴散常數(shù)(D)的聚合物，熒光體的退化率相對恒定，而當D在SXlO-13Cm2 / s附近或更低時，熒光體退化率顯著降低。
[0055]表1
[0056]
【權(quán)利要求】
1.一種發(fā)光設備(104、105、106、107),包括:適配于發(fā)射第一波長的光的固態(tài)光源(100)，以及波長轉(zhuǎn)換元件(101、102、103、110)，其中所述波長轉(zhuǎn)換元件被布置成接收所述第一波長的光，并且適配于將所述第一波長的光的至少部分轉(zhuǎn)換為第二波長的光，所述波長轉(zhuǎn)換元件(101、102、103、110)包括聚合物載體材料,所述聚合物載體材料對所述第一波長和所述第二波長的光是透明的，所述聚合物載體材料包括適配于將第一波長的光轉(zhuǎn)換為第二波長的光的第一有機波長轉(zhuǎn)換材料，其中所述聚合物載體材料的氧擴散系數(shù)(D)在25°C為8X10_13cm2 / s或更低，其中所述聚合物載體材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和/或其共聚物和/或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)和/或其共聚物，或者聚丙烯腈、聚偏二氯乙烯、纖維素、聚酰胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料的所述氧擴散系數(shù)(D)在 25°C為 4Xl0-13cm2 / s 或更低。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料的所述氧擴散系數(shù)(D)在 25 °C 為 1XKT13Cm2 / s 或更低。
4.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料包括半結(jié)晶聚合物材料。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述第一波長轉(zhuǎn)換材料包括二萘嵌苯衍生物。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料具有60°C或更高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料具有100°C或更高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述聚合物載體材料包括第二波長轉(zhuǎn)換材料，所述第二波長轉(zhuǎn)換材料適配于將第一波長和/或第二波長的光轉(zhuǎn)換為第三波長的光。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備，其中所述第一波長轉(zhuǎn)換材料在所述波長轉(zhuǎn)換構(gòu)件中的重量含量為1%或更低。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的發(fā)光設備(104、105、106、107)，其中所述光源(100)和所述波長轉(zhuǎn)換元件(101、102、103、110)被布置為相互隔開。
【文檔編號】C09K11/06GK103649269SQ201280034535
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月13日
【發(fā)明者】R·A·M·?？嗣诽? J·盧布, R·T·韋格, P·A·范哈爾, J·C·克雷格 申請人:皇家飛利浦有限公司