CN102652166A - 具有光源和波长转换元件的照明设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括光源（2）和波长转换元件（7）的照明设备（1），波长转换元件（7）包括被与聚合物混合的磷光体。磷光体包含可经由被部分地禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂。磷光体和聚合物被选择为使得其折射率的差小于0.1。由于此选择，波长转换元件（7）中的散射保持在最小值。当使用包括特定的Mn(IV)激活氟化物化合物和特定的含氟聚合物时，获得令人感兴趣的波长转换元件（7）。

Description

具有光源和波长转换元件的照明设备
技术领域
本发明涉及包括被布置成发射具有主波长的光的光源和被布置成将具有主波长的光的至少一部分转换成具有次级波长的光的波长转换元件的照明设备，该元件包括具有可经由被部分禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂的磷光体，所述磷光体被与聚合物混合。本发明还涉及适合于在此类照明设备中使用的波长转换元件以及用于制造波长转换元件的方法。
背景技术
从专利公开US 2010/0096974-A1可知道开头段落中所述类型的照明设备。此文献描述了一种包括具有充当波长转换元件的密封剂的LED的设备。所述密封剂被形成为适当塑料或玻璃的壳，颗粒形式的磷光体或磷光体混合物被分散在其中。所述磷光体（混合物）充当发光材料，其吸收电磁波谱的一部分中的辐射能并发射电磁波谱的另一部分中的辐射能。以这种方式，由LED发射的具有主波长的光（的一部分）被转换成具有另一（次级）波长的光。
本发明人已经发现，具有将经由被部分禁止的吸收带被激励的金属-离子活化剂的磷光体显示出与适当波长的光的有限交互。尤其是在在主晶格中具有过渡金属-离子活化剂的磷光体中发现此类被禁止吸收带。在这些金属中，特别的d-d电子跃迁是被禁止的。此类磷光体在与具有适当波长的光的交互中显示出相对低的吸收率。无论如何，当使用通过转换元件的具有主波长的光的相对长的交互路径时，能够实现主波长的充分的光转换。实际上，这种解决方案暗示着相当厚的元件。然而，此类长交互路径通常导致不期望的大的散射损失。
发明内容
本发明的目的是减轻或至少减少上述问题和/或其它问题。本发明更特别地旨在提供一种具有光源和高效波长转换元件的廉价照明设备，所述高效波长转换元件具有磷光体，该磷光体具有可经由被部分禁止的吸收来激励的金属-离子活化剂。特别地，转换元件中的散射损失应是相对低的。本发明的另一目的是提供一种适合于在照明设备中使用的所指出类型的高效波长转换元件以及此类波长转换元件的制造。
借助于照明设备来实现这些和/或其它目的，其包括1）光源，其被布置成发射具有主波长的光，以及2）波长转换元件，其被布置成将具有主波长的光的至少一部分转换成具有次级波长的光，该元件包括具有可经由被部分禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂的磷光体，所述磷光体被与聚合物混合，磷光体和聚合物被选择为使得其折射率的差小于0.1。
本发明是基于本发明人获得的通过在具有与磷光体的折射率紧密匹配的折射率的聚合物中混合磷光体能够显著地减少转换元件中的不期望的散射的见识。实际上，如果折射率差小于0.1，则已获得散射的显著减少。优选地，磷光体的折射率和聚合物的折射率的差小于0.05，而小于0.03的差是更优选的。期望类型的最好照明设备是其中折射率差小于0.02的那些。一般认为较小的折射率差意味着波长转换元件中的较低散射损失。
在得到本发明的实验中，本发明人此外已认识到所指出的磷光体的单晶或全致密陶瓷的使用是非常有前途的，尤其是当其具有立方体—和因此的各向同性—结构时。此类材料是高度透明的，并因此显示出低散射或没有散射。然而，此类单晶以及全致密陶瓷的处理看起来过于昂贵或者仅仅由于温度约束而不可行。
原则上，本发明将在含有发射具有主波长的光的光源和用于（部分地）转换此光的波长的磷光体（诸如TL管）的所有种类的照明设备中起作用。然而，实践已显示本发明可以最有利地应用于包括一个或多个LED作为光源的照明设备中。
本发明的照明设备中的波长转换元件可以包括单个磷光体，但也可以包括多个磷光体。如果使用两个或更多磷光体，则其中的至少一个应具有可经由被部分禁止的跃迁激励的金属-离子活化剂。多个磷光体在设计应发射白光的照明设备时尤其有用。
在根据本发明的照明设备的实施例中，磷光体包括Mn(IV)激活氟化物化合物。在此类磷光体中—其通常是晶体的—Mn(IV)过渡金属-离子位于晶体主晶格的特定配位点上。在这里，其充当需要经由被部分禁止的d-d跃迁来激励的活化剂。最一般地，具有基于氟化物的主晶格的磷光体显示出相对小的折射率。与精心选择的聚合物材料相组合，能够实现折射率的良好匹配，使得折射率差是相当小的，即小于0.1。Mn(IV)激活氟化物化合物相比于例如Cr(III)—或Eu(III)—激活晶体磷光体化合物的其它已知磷光体化合物而言是优选的，因为Mn(IV)化合物在电磁波谱的红色区域中显示出令人感兴趣的发射线图案，并且此外在波谱的蓝色区域中具有相对好的可激励性。
在根据本发明的照明设备的另一实施例中，Mn(IV)激活氟化物化合物包括K2SiF6:Mn(IV)和Na3Li3Al2F12:Mn(IV)中的至少一种。本技术领域的技术人员已知能够用其它元素来代替这些晶体化合物中的少量化学元素。这是由于原材料中的杂质或由于故意的选择以便调整这些化合物的性质。这些类型的化合物是令人感兴趣的，因为与其它磷光体化合物相组合，能够制造相对廉价的照明设备，其在具有高演色性（Ra8 > 80和正R9）的< 3000K的相关色温下具有暖白光光谱。其它磷光体化合物应在电磁波谱的黄色至绿色部分中发射。Y3Al5O12:Ce或Lu3Al5O12:Ce（或其已知变体）是用于此类其它磷光体化合物的良好候选。
在本发明的照明设备的另一实施例中，聚合物是含氟聚合物。当被与具有可经由被部分禁止的电子跃迁激励的金属-离子活化剂的磷光体混合时，能够非常有利地使用此类聚合物。尤其是包括Mn(IV)激活氟化物化合物（诸如类型K2SiF6:Mn(IV)和Na3Li3Al2F12:Mn(IV)的化合物）的磷光体能够被非常有利地应用于照明设备的波长转换元件。这些磷光体和聚合物的折射率匹配得相当好。包括被如前所述地与有机聚合物混合的如前所述的磷光体的波长转换元件看起来是相当透明的并因此显示出意想不到的低散射。
在本发明的照明设备的另一实施例中，聚合物是包括四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯中的至少两种的共聚物。通过使用如所指出的两种含氟聚合物的正确组合，能够将得到的共聚物的折射率精密地调整至期望的值，尤其是调整到被与聚合物混合的磷光体化合物的折射率的值。在这方面更加优选的是根据其中聚合物是四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物的本发明的照明设备。技术人员能够在没有任何发明性动作的情况下选择适当量的这三种含氟聚合物前体以便设计具有期望折射率的共聚物。
在根据本发明的照明设备的另一实施例中，聚合物中的磷光体的量在10～20 vol.%.范围内。实验已经显示小于10 vol.%的磷光体量导致应将转换元件设计得相当厚（> 2mm）以便获得充分的转换效率。大于20 vol.%的聚合物中的磷光体量导致具有小于0.1mm的厚度的转换元件，该元件在实践中难以搬运。聚合物中的磷光体的最佳量在13～17 vol.%范围内。使用这些量，能够制造具有厚度和吸收效率的最佳组合的转换元件。
本发明照明设备的令人感兴趣的实施例显示出其包括至少两个光源且波长转换元件远离光源布置的特征。根据本实施例的照明设备可以包括不止一个波长转换元件。通常，能够在其波长转换元件紧邻光源（通常为LED）的照明设备中应用本发明。在此类设备中，波长转换元件与LED进行直接接触且可以被成形为形成光学透镜。然而，本发明还可以在其中波长转换元件在光源（LED）附近的照明设备中应用。在此类设备中，转换元件可以作为光学透镜的外面上的层存在，该透镜与LED进行直接接触。然而，本发明还可以非常有利地应用于具有多个LED的照明设备中，其中，转换元件远离这些LED布置。在这种情况下，转换元件优选地具有板的形状并位于与光源相距一定距离处。
本发明还涉及一种波长转换元件，其适合于在照明设备中使用。更特别地，根据本发明的此类元件包括具有可经由被部分禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂的磷光体，所述磷光体被与聚合物混合，所述磷光体和所述聚合物被选择为使得其折射率的差小于0.1。所述磷光体优选地包括Mn(IV)激活氟化物化合物、更优选地是包括K2SiF6:Mn(IV)和Na3Li3Al2F12:Mn(IV)中的至少一种的化合物。磷光体还可以包括涂层以增加磷光体的稳定性。优选地，涂层材料基本上由在水中具有非常低的溶解度的氟化物组成，诸如氟化钙。所述聚合物可以是无机聚合物，但是有机聚合物是优选的。含氟聚合物看起来是非常有用的，尤其是包括四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯中的至少两种的共聚物。波长转换元件可以被成形为光学元件，特别是作为透镜或作为板。
本发明还涉及一种用于制造波长转换元件的方法。本发明方法具有将磷光体与聚合物混合、其后将化合物成形为波长转换元件的特征。与现有技术方法相反，磷光体和（预）聚合物在其混合之后未被‘就地’固化。根据本发明，优选地通过挤压或捏制来制备磷光体和已固化聚合物的混合物。优选地借助于热压或注塑成型来执行转换元件的成形。根据这种方法制造的元件能够非常有利地应用于照明设备中。
附图说明
通过下文描述的实施例，本发明的这些及其它方面将是明了的并由此进行阐述。
在所述附图中：
图1示出根据本发明的照明设备的第一实施例的横截面，以及
图2示出根据本发明的照明设备的第二实施例的横截面。
应强调的是，图是示意性的且不按比例。在不同的图中，用相同的附图标记来表示相同的元件。
具体实施方式
图1以横截面图来举例说明根据本发明的照明设备1的第一实施例。所述照明设备1包括光源2，其被体现为发光二极管（LED）。虽然能够使用不同类型的LED，但优选的是应用能够发射具有500nm或以下的波长的光的LED。在本设备中，使用GaInN型的LED，其能够发射具有450nm的波长最大值的光。所述光源2被定位于电力线4的部分3上，其连同另一电力线5一起安排促使LED发射辐射的电流。用指向远离LED的方向的箭头来指示此辐射。电力线4、5包括被直接连接到LED的细导线6。
光源2被封装在具有光学透镜的形状的波长转换元件7中。转换元件7主要由有机聚合物组成。磷光体已被与此聚合物混合。所述磷光体包含可经由被部分地禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂。在本情况下，使用Mn(IV)激活氟化物化合物作为磷光体，更特别地为化合物Na3Li3Al2F12:Mn(IV)。使用含氟聚合物作为用于磷光体的基质。更详细地，所使用的聚合物是四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯（DyneonTM 221 GZ）的共聚物。
由于磷光体和聚合物两者的特定选择，转换元件的两个组成部分的折射率的差在0.03以下。更确切地说，磷光体材料的折射率已被测量为1.340，而聚合物材料的折射率被与1.363的值匹配。由于两个组成部分的折射率的小的差（0.023），在转换元件中几乎未观察到散射或没有散射，即使当元件具有10 mm（长度）乘5 mm（横截面）的相当大的尺寸时。因此，450nm的蓝色辐射的高效吸收是可能的，其被波长转换元件转换成具有650nm的波长最大值的辐射。
在根据本发明的照明设备1的所述第一实施例中，波长转换元件被紧邻光源2（在这里为LED）定位。实际上，光源2直接被磷光体材料围绕。作为替换，还可以制备被成形为光学透镜的转换元件7，其中，磷光体并不紧邻光源2，但是在其附近。在那种情况下，磷光体在与光源1相距某个距离处集中于层8中。在本实施例中，层8充当波长转换元件。在本发明照明设备的本替换实施例中，透镜的另一部分（层8之外）基本上无磷光体。完整的透镜可以由与磷光体匹配的聚合物材料组成。在不脱离本发明的情况下，基本上无磷光体的那部分透镜由另一聚合物材料组成也是可以的。然而，层8应包含具有如根据本发明定义的折射率的聚合物。
在第一实施例的另一替换中，波长转换元件7可以包括附加磷光体，其优选地应在电磁波谱的黄色至绿色部分中发射。Y3Al5O12:Ce(III)或Lu3Al5O12:Ce(III)（或其已知变体）是用于此类附加磷光体化合物的良好候选。具有这些类型的磷光体混合物的波长转换元件是令人感兴趣的，因为用此类混合物能够制造相对廉价的照明设备，其在具有高演色性（Ra8 > 80和正R9）的< 3000K的相关色温下具有暖白光光谱。
图2以横截面图来举例说明根据本发明的照明设备1的第二实施例。设备1包括多个光源2（再次被体现为LED），在横截面图中仅示出其中的五个。这些LED可以发射相同或不同波长的辐射。用小箭头来指示辐射的方向。在光源2经由电力线和/或连接线（未示出）激活时，发射的光经由在这里被形成为板的转换元件7离开照明设备1。在通过板状转换元件7期间，入射辐射（的一部分）被转换成具有不同波长的辐射。在本设备中，所述光学板被附接于对（已转换的）辐射透明的衬底9。侧壁10和底壁11设置有反射装置，使得所产生的辐射的一大部分经由波长转换元件7离开照明设备1。如果使用以不同的波长发射辐射的LED，则在照明设备1中能够发生颜色混合。在此类设备中，应用波长转换元件7的叠层可能是有用的，单独的各元件针对由不同LED发射的不同波长被选择。
波长转换元件7包括聚合物和具有可经由被部分禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂的磷光体。更确切地说，磷光体包括Mn(IV)激活氟化物化合物，更具体地为化合物K2SiF6:Mn(IV)。聚合物是选自有机聚合物类别的含氟聚合物。更确切地说，聚合物是包括四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯（DyneonTM THV 2030 GZ）中的至少两个的共聚物。所述磷光体已被与所指出的聚合物混合，从共聚物中的约15 vol%的磷光体开始。磷光体和聚合物材料已被选择为使得其折射率的差小于0.1。更确切地说，磷光体材料的折射率已被确定为1.340，而聚合物材料的折射率已被与1.350的值匹配。由于两个组成部分的折射率的差是小的（0.010），所以在转换元件中几乎未观察到散射或没有散射，即使当板状元件相当厚时（约2mm）。
根据本发明的波长转换元件是根据本发明的方法制造和成形的。首先，确定磷光体和聚合物的良好组合。这尤其意味着这两种物质之间的折射率的差应是小的（小于0.1，优选地小于0.05且更优选地小于0.02）。随后，在200℃以下的温度下对一定体积量的磷光体材料和聚合物材料进行组合和挤压或捏制。在此温度以上，磷光体材料的分解是可能的。聚合物中的磷光体的量在10和20 vol%之间范围内。在将两个组成部分混合之后，借助于热压或注塑成型将波长转换元件成形为光学透镜或光学板。元件的尺寸取决于其应用。
虽然已在附图和前述说明中示出并详细地描述了本发明，但应将此类图示和说明视为仅仅是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于公开的实施例。通过对附图、本公开和所附权利要求的研究，本领域的技术人员在实施要求保护的发明时能够理解并实现对公开实施例的其它修改。
在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一个”或“一种”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中叙述了某些措施的纯粹事实不表明不能有利地利用这些措施的组合。不应将权利要求中的任何附图标记理解为限制范围。

Claims (14)

1.一种照明设备（1），包括：
光源（2），其被布置成发射具有主波长的光，以及
波长转换元件（7），其被布置成将具有主波长的光的至少一部分转换成具有次级波长的光，元件（7）包括具有可经由被部分禁止的电子跃迁来激励的金属-离子活化剂的磷光体，所述磷光体被与聚合物混合，所述磷光体和所述聚合物被选择为使得其折射率的差小于0.1。
2.根据权利要求1所述的照明设备（1），其中，所述磷光体包括Mn(IV)激活氟化物化合物。
3.根据权利要求2所述的照明设备（1），其中，所述Mn(IV)激活氟化物化合物包括K2SiF6:Mn(IV)和Na3Li3Al2F12:Mn(IV)中的至少一种。
4.根据权利要求1、2和3中的任一项所述的照明设备（1），其中，所述聚合物是含氟聚合物。
5.根据权利要求4所述的照明设备（1），其中，所述聚合物是包括四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯中的至少两种的共聚物。
6.根据权利要求5所述的照明设备（1），其中，所述聚合物是四氟乙烯、六氟丙烯和偏二氟乙烯的共聚物。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备（1），其中，所述聚合物中的磷光体的量在10～20 vol.%范围内。
8.根据权利要求1所述的照明设备（1），其中，所述设备包括至少两个光源（2），并且其中，所述波长转换元件（7）远离光源（2）布置。
9.一种适合于在根据前述权利要求中的任一项所述的照明设备中使用的波长转换元件（7）。
10.根据权利要求9所述的波长转换元件（7），其中，所述元件（7）具有光学透镜的形状。
11.根据权利要求9所述的波长转换元件（7），其中，所述元件具有光学板的形状。
12.一种用于制造根据权利要求9所述的波长转换元件（7）的方法，其中，将所述磷光体与有机聚合物混合，然后将化合物成形为所述元件。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，借助于挤压和捏制之一将所述磷光体和所述有机聚合物混合。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，借助于热压和注塑成型之一对所述化合物进行成形。
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