波長轉換元件的製作方法

2023-10-27 14:42:17 1

波長轉換元件的製作方法
【專利摘要】一種波長轉換元件(101、102、103、110)，包括聚合物載體材料，其包括適配於將第一波長的光轉換為第二波長的光的第一波長轉換材料，其中聚合物載體材料的氧擴散係數(D)在25℃為8×10-13cm2／s或更低。通過選擇氧擴散係數(D)在25℃為8×10-13cm2／s或更低的聚合物載體材料，實現了波長轉換材料延長的壽命。
【專利說明】波長轉換元件
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種包括聚合物載體材料的波長轉換元件，該聚合物載體材料包括螢光體，以及涉及包括這種光轉換元件的發光設備。
【背景技術】
[0002]基於發光二極體(LED)的照明設備正越來越多地用於多種照明應用。LED提供了優於諸如白熾燈和螢光燈之類的傳統光源的優勢，包括壽命長、發光效率高、工作電壓低和流明輸出調製快。
[0003]高效高功率LED通常基於藍色發光材料。為了生產基於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換材料(通常被稱為螢光體)將由LED發射的光的部分轉換為更長波長的光，以便產生具有期望的光譜特性的光的組合。波長轉換材料可以直接應用在LED晶片上，或者可以布置在距離螢光體一定距離的位置(稱作遠程配置)。
[0004]許多無機材料已經作為螢光體材料用於將由LED發射的藍色光轉換為更長波長的光。然而，無機螢光體有一些缺點，它們相對昂貴。此外，無機螢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螢光體量子效率有限並且發射光譜相對寬(尤其對於發射紅色光的LED螢光體)，這就導致額外的效率損失。
[0005]現今，當需要將LED發射的藍色光轉換為黃/橙色光，例如為了得到白色光輸出時，正在考慮用有機螢光體材料替代LED中的無機螢光體材料。有機螢光體具有優點，它們的發光光譜易於根據位置和頻帶寬度調節。有機螢光體材料還經常具有高透明度，這是有益的，因為與使用更吸收光和/或反射光的螢光體材料的系統相比，改進了照明系統的效率。此外，有機螢光體的成本比無機螢光體低得多。然而，由於有機螢光體對LED在電致發光活動過程中產生的熱敏感，有機螢光體主要用於遠程配置設備。
[0006]阻礙有機螢光體材料在基於遠程螢光體LED的照明系統中應用的主要障礙是它們的弱光化學穩定性。
[0007]US2007 / 0273274 (Horiuchi等人)公開了一種半透明層壓板，其包括發光設備並且包括有機螢光體，其被布置在氧氣濃度低的氣密腔體中從而減少螢光體的退化。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螢光體材料的發光設備。

【發明內容】

[0009]鑑於上述及其它現 有技術的缺點，本發明的一個目的是提供包括壽命增加的螢光體的波長轉換元件。
[0010]根據本發明的第一方面，通過一種波長轉換元件實現這個及其它目的，該元件包括聚合物載體，該聚合物載體包括適於將第一波長的光轉換為第二波長的光的第一有機波長轉換材料，其中聚合物載體材料的氧擴散係數(D)在25°C為8X IO-13Cm2 / s或更低。波長轉換元件被包括在發光設備中，該發光設備進一步包括適於發射第一波長的光的光源，其中波長轉換元件被布置為接收第一波長的光，並且適於將第一波長的光的至少部分轉換為第二波長的光。
[0011 ] 在本發明的實施例中，第一波長轉換材料可以為包括二萘嵌苯衍生物的有機螢光體材料。
[0012]可以通過在聚合物材料中對其的合併改進有機螢光體材料的穩定性，並且這最近已經在非公開申請(EP10181066.1)中被進一步描述，由此通過引用合併入本文。
[0013]本發明人驚訝地發現，當波長轉換材料被包含在惰性環境中時，波長轉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境中的退化率本質上相同，而對於高於0.6%的氧氣濃度，如通常所預期的，波長轉換材料的退化率隨氧氣濃度的增加而迅速增加。因此，本發明人已經發現，可以通過提供具有0.6%或更低的氧氣濃度的環境，實現與在惰性環境中所實現相同的波長轉換材料的穩定性和因此相同的壽命。由此，無需提供完全的惰性環境。
[0014]根據上述發現類推，本發明人已經發現，只要聚合物載體材料的氧擴散係數(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換材料，諸如有機螢光體材料，展示出卓越的穩定性以及由此改進的壽命。本發明人已經示出，對於具有高於SXlO-13Cm2 / s的氧擴散係數(D)的聚合物載體材料，波長轉換材料的退化率隨著氧擴散係數(D)的增加而迅速增加，從而如上所述大概相應於高於0.6%的氧氣濃度。
[0015]有利地，聚合物載體材料的氧擴散係數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]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，聚合物載體材料可以有利地包括半結晶聚合物材料。
[0017]有利地,第一波長轉換材料包括有機波長轉換材料。
[0018]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，第一波長轉換材料可以包括二萘嵌苯衍生物。
[0019]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，聚合物載體材料的玻璃轉化溫度可以為60°C或更高，例如100°C或更高，諸如140°C或更高。
[0020]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，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]在根據本發明的波長轉換元件中，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、聚醯胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
[0022]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，第一波長轉換材料可以散布於聚合物載體材料中，其中第一波長轉換材料在波長轉換構件中的重量含量可以是I %或更低。
[0023]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，聚合物材料可以為薄膜形式，薄膜的厚度範圍是從30微米至2毫米。
[0024]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，波長轉換元件可以包括第二波長轉換材料，該材料適於將第一波長的光轉換為第三波長的光。因此，使用多於一個波長轉換材料，可以更方便地按期望修改其光學特性。第二波長轉換材料可以是無機或有機的。
[0025]在根據本發明的發光設備的實施例中，光源和波長轉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，其中波長轉換元件被較少地暴露於LED的高工作溫度下，由此減小螢光體材料的退化率。
[0026]一種用於製造使用在波長轉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或更低的氧擴散係數(D)的步驟。
[0027]注意到，本發明涉及在權利要求中所述的特徵的所有可能組合。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]現將參照示出本發明(多個)示範性實施例的附圖，更詳細地描述本發明的這個和其它方面，其中:
[0029]圖1a-1d示出了根據本發明的發光設備的實施例的截面側視圖； [0030]圖2示出了來自包括螢光體材料的聚合物材料層的發光以時間為函數的繪圖；
[0031]圖3示出了在不同氧氣濃度下，包括在聚合物材料中的螢光體材料的衰減率以溫度的倒數為函數的繪圖；
[0032]圖4示出了包括在聚合物材料中的螢光體材料(在120°C下測量)的衰減率以(在N2中的)氧氣濃度為函數在對數尺度的繪圖；以及
[0033]圖5示出了包括在不同聚合物材料中的螢光體材料(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(D)為函數的繪圖。
【具體實施方式】
[0034]在下列描述中，將參照一種波長轉換元件和包括這樣的波長轉換元件的一種發光設備描述本發明，該波長轉換元件包括具有波長轉換材料的聚合物載體材料，該波長轉換材料散布或分子溶解在聚合物載體材料中。
[0035]本發明人驚訝地發現，通過選擇在25°C具有8X 10_13cm2 / s或更小的氧擴散係數(D)的聚合物載體材料，可以改進波長轉換材料的穩定性並且因此延長其使用壽命。優選地，聚合物載體材料的氧擴散係數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化溫度，例如60°C或以上，優選地為100°C或以上，諸如140°C或以上。這是因為聚合物的氧擴散係數通常在高於其玻璃轉化溫度的溫度會相對地高。從而，具有相對高的玻璃轉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)也保持低氧擴散係數。
[0038]在根據本發明的波長轉換元件中，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、聚醯胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
[0039]圖1a-1d不出了根據本發明的發光設備104、105、106、107的不範性實施例的截面側視圖，包括多個LED100，以及至少一個波長轉換元件101、102、103、110，該波長轉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發射的第一波長的光，並且適於將第一波長的光的至少部分轉換為第二波長的光。聚合物載體材料通常是透明的，從而由在波長轉換元件101、102、103、110中包含的波長轉換材料所轉換的和/或由LED發射的光可以通過其透射。
[0040]如圖1a所示，發光設備104可以包括多個波長轉換元件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，發光設備105、106、107包括單個波長轉換元件102、103、110，其被布置以從所有的LED100接收光。此外，如圖1c-1d所示，波長轉換元件103、110的可以被成形為半球或燈泡。波長轉換元件還可以是薄膜的形式，該薄膜可以被彎曲，並且安裝在玻璃管中或者纏繞玻璃管，並且這種管可以設置有發光二極體以作為改型螢光燈工作。當聚合物載體材料為具有散布於其中的波長轉換材料的薄膜的形式時，薄膜的厚度範圍可以為從30微米到2毫米。 [0041]圖1d示出了根據本發明的發光設備的實施例，此處該設備被設置為改型燈107，包括設置有傳統燈頭108的基底部分108。圖1d中的光轉換元件110的形式是燈泡形的，以便適合於相應的光出口構件109的形式。
[0042]此外，如本領域技術人員將理解的，本發明的方法並不涉及使用任何特定的有機螢光體化合物，並且因此，波長轉換材料可以包括任何具有所希望的特性的有機螢光體化合物，該希望的特性用于波長轉換元件的給定應用。然而二萘嵌苯衍生化合物諸如二萘嵌苯雙醯胺和二萘嵌苯單醯胺(例如可以從BASF可商業獲得的染料「F170」、「F240」、「R)83」、「F300」或「F305」中的任一個)可以有利地作為這些螢光體化合物使用，顯示出比其它材料更高的穩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)螢光染料、芴衍生物、香豆素染料、氧雜蒽染料、吡咯甲川-BF2(P-BF2)複合物、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、螢光金屬複合物之類的發光聚合物。
[0044]在本發明的一個實施例中，第一波長轉換材料可以包括諸如所謂的量子點的納米螢光體，其包括例如硒化鎘和磷化銦。
[0045]在根據本發明的波長轉換元件的實施例中，波長轉換元件可以包括第二波長轉換材料，其適於將第一波長的光轉換為第三波長的光。第二波長轉換材料可以是無機或有機的螢光體材料。因此，由於使用多於一個波長轉換材料，可以更方便地按期望修改輸出光的光譜組成。
[0046]無機螢光體材料的示例可以包括，但不限於，Ce摻雜的YAG(Y3Al5O12)或Ce摻雜的LuAG(Lu3Al5O12)。Ce摻雜的YAG發射淺黃色光，並且Ce摻雜的LuAG發射黃綠色光。其它發射紅色光的螢光體材料的示例可以包括，但不限於，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]在本發明中，光源有利地是固態光源，諸如舉例而言LED或雷射器，優選地發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明的本領域技術人員通過對附圖、說明書和權利要求書的研究而理解和實現。例如，圖1a-1d僅僅是發光設備的示範性實施例，其中可以使用本發明的波長轉換元件，應理解，波長轉換元件可以被修改，並且被用於需要將光從一個波長轉化為另一個波長的幾乎任何類型的發光設備。此外，波長轉換元件可以被應用作為在任何發光設備上的覆蓋物。還可以設想，波長轉換構件可以是自支撐的層，諸如具有任何適當形狀的不由發光設備支撐即可穩固的薄膜或薄片。
[0049]已經通過實驗證明了根據本發明的方法的優點。
[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(其是一種可商業獲得的有機螢光體)。圖2示出了來自30微米厚的製備好的包括螢光體材料的PMMA基體的層以時間為函數的發光，該螢光體材料被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，由於光化學反應，強度隨時間以有衰減率k的時間的指數函數而不可逆地下降。
[0052]用450nm的藍色光在4.2ff / cm2光通量密度下照射製備好的包括螢光體材料的聚合物材料，並且在各種溫度下在各種氧氣濃度下測量螢光體材料的衰減率。在圖3中，衰減率圖示為溫度的倒數的函數，該衰減率是對壽命的測量。如圖3所示，對應於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下測量的螢光體材料的退化率被圖示為(在氮氣中)氧氣濃度的對數尺度的函數。可以看出，能夠確定兩個不同的狀態。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，本發明人可以通過繪製如圖4所示的直線，限定兩個狀態。這些線在0.6%氧氣濃度處交叉。本發明人限定兩個狀態:在向上到約0.6%氧氣濃度的範圍內，退化保持在第一狀態中，並且氧氣濃度對退化率只有微小的影響。在更高氧氣濃度的範圍內，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，本發明人使用具有不同氧氣擴散常數的各種聚合物，並且在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。結果示出於表1中，並且繪製於圖5中，其中所測量的螢光體材料的退化率以聚合物的氧擴散係數為函數繪製。如圖5所示，對於具有高於SXlO-13Cm2 / s的氧氣擴散常數(D)的聚合物，螢光體的退化率相對恆定，而當D在SXlO-13Cm2 / s附近或更低時，螢光體退化率顯著降低。
[0055]表1
[0056]
【權利要求】
1.一種發光設備(104、105、106、107),包括:適配於發射第一波長的光的固態光源(100)，以及波長轉換元件(101、102、103、110)，其中所述波長轉換元件被布置成接收所述第一波長的光，並且適配於將所述第一波長的光的至少部分轉換為第二波長的光，所述波長轉換元件(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於將第一波長的光轉換為第二波長的光的第一有機波長轉換材料，其中所述聚合物載體材料的氧擴散係數(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、聚醯胺和乙烯-乙烯醇中的至少一個。
2.根據權利要求1所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料的所述氧擴散係數(D)在 25°C為 4Xl0-13cm2 / s 或更低。
3.根據權利要求1所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料的所述氧擴散係數(D)在 25 °C 為 1XKT13Cm2 / s 或更低。
4.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料包括半結晶聚合物材料。
5.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備，其中所述第一波長轉換材料包括二萘嵌苯衍生物。
6.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料具有60°C或更高的玻璃轉化溫度。
7.根據權利要求1-5中任一項所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料具有100°C或更高的玻璃轉化溫度。
8.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備，其中所述聚合物載體材料包括第二波長轉換材料，所述第二波長轉換材料適配於將第一波長和/或第二波長的光轉換為第三波長的光。
9.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備，其中所述第一波長轉換材料在所述波長轉換構件中的重量含量為1%或更低。
10.根據上述權利要求中任一項所述的發光設備(104、105、106、107)，其中所述光源(100)和所述波長轉換元件(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 優先權日:2011年7月13日
【發明者】R·A·M·希克梅特, 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