CN108292657A - 用于持续消毒的基于发光二极管的结构及包含其的照明器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发光二极管(LED)结构、照明器材和提供白光照明的方法。LED结构包括：基板(200)；发光区，其限定在所述基板上作为腔体(201)；第一类型的半导体发光源(203)，其具有杀菌特性并安装于所述腔体中；第二类型的半导体发光源(204)，其安装于所述腔体中，并能激发波长转换材料(202)生成白光；以及波长转换材料层，其形成在半导体发光源(203、204)之上。本发明实现具有消毒功能的照明光源或照明器，人眼感知为白光光源，因此不会对人体造成伤害，也不会引起不适。

Description

用于持续消毒的基于发光二极管的结构及包含其的照明器
技术领域
本发明涉及人工照明设备以及用于光线消毒的方法。特别地，本发明涉及光电子学领域以及提供杀菌作用的白光发光二极管(LED)。本发明涉及一体式发光二极管结构以及持续操作的消毒照明器的应用。
背景技术
众所周知，紫外线(UV)光源具有杀菌灭菌作用，非常适合用来消毒。已知深紫外(短波紫外线)光源有效抑制表面上的细菌生长，因此作为杀菌源被广泛使用。然而，使用短波紫外线光源如汞灯的弊端在于，短波紫外线对人体有伤害，因此当有人在场时，其使用就受到限制。已知深紫外消毒的机制在于使DNA分子裂解，其中DNA分子对波长260-290nm的紫外线具有尤其强的吸收。
还已知，较长的波长也能够产生杀菌效果，但是其基于不同的物理机制。已知波长为365nm的长波紫外线抑制细菌生长，此外，蓝光/紫光也有类似的抑制细菌生长的作用。尽管蓝光/紫光波长的杀菌作用不太强，但是其可以作为持续操作的消毒光。众所周知，波长为405nm的光能够引起细胞内的活性氧(ROS)生成。这些带负电荷的氧离子反过来又会抑制细胞新陈代谢并且有效抑制例如菌群的生长。尽管消毒光线的强度具有主要的重要性，但是在表面或物体上积累的总剂量(单位J/m2)才最终定义消毒功率。
任何具有合适的发射光谱的低强度光源都能够用来消毒，只要照射时间足够长，当然，还要具备实际价值。然而，同样，人的在场为这种光线设置了界限。国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)和国际电工委员会标准IEC-62471定义了国际法规和安全准则。同样，国际非电离辐射防护委员会定义，紫外线波长为100-400nm。
如果辐射源有短波发射，例如波长低于410nm，并且这一短波发射为主导强度或颜色，则人通常会感到不舒服。
已知促进植物生长和光合作用的生长光包括蓝色光源和红色光源，有时还伴随有白色光源。因此，它们不能解决抗菌和杀菌的问题。
CN 104056289 A公开了一种应用发光二极管和紫外线杀菌灯的光源。然而，由于紫外线对人体的不利影响，这种装置也不适合用于普通照明。
EP 2554583 A1公开了一种在封闭环境中使用的具有消毒能力的LED光源。这种光源发射的波长小于300nm，同样由于紫外线对人体的不利影响而不适合用于普通照明。
根据我们的实验室试验，多个独立且空间分离的发射波长为405nm的LED和多个单独白光LED的组合可形成引起不适的光源。基于单独封装的多个LED的光源不能产生光滑均匀的光场。特别是，具有密集短波发射的点光源会使人感到不安。有必要提供一种光源，在这种光源中，短波长点光源不会在多个白光LED之间明显视觉可见。然而，白光LED和405nm的LED的物理重叠不是直接的或可能的。
US 8398264公开了将光源进行空间混合的一个例子。扩散板和菲涅耳透镜组合使用来提供均匀的发射，并且避免光源平面中单独的短波长发射器直接可见。但是，已知的基于扩散板的装置比较复杂、昂贵。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的一个目的在于提供一种使用具有带消毒能力的可调节的发射光谱的一体式发光二极管结构的白光照明方法。
某些实施例的一个方面提供了一种作为白光光源的一体式发光二极管结构，其包括：基板，至少一个或多个发射区，以及两个或三个电控制接口。
本发明的另一个目的在于避免以短波发射为主导强度或颜色的辐射源给人体带来的不适。
本发明所基于的理念是提供一种发光二极管结构，其包括：
基板；
发光区，其限定在所述基板上作为腔体；
第一类型的半导体发光源，其具有杀菌和灭菌特性并安装于所述腔体中；以及
第二类型的半导体发光源，其安装于所述腔体中，并能激发波长转换材料以生成白光。
通常，在所述半导体发光源之上形成有波长转换材料层，并且存在电路层，用于连接所述半导体发光源至电控制接口。
本发明还提供一种促进白光照明和持续消毒功能的照明器材，其包括至少一个一体式发光二极管光源，所述一体式发光二极管光源具有：第一发射，其对人眼不可感知，在360-430nm的范围内，并且半高宽小于30nm；以及人眼可感知为白光的第二发射峰，其最大发射在430-700nm的范围内。在优选的实施例中，有两种不同类型的发射器，其发射峰在波长405nm处或左右以及450nm处或左右。
具体来讲，本发明由独立权利要求的特征部分的内容来描述。
本发明具有很多优点。
因此，本发明提供一种实现持续消毒处理的一体式LED结构和照明器。
本发明实现了由照明光源或照明器进行的消毒，照明光源或照明器被人眼可视为白光光源，其不会对人体造成伤害，也不会引起不适。上述目标是通过将短波发射与白光发射重叠实现的。这种白光光源或照明器适合用于普通照明目的，同时还能用于提供对暴露表面或物体进行消毒的手段。所述的发射区通常包括一个或多个半导体发光二极管，这种半导体发光二极管作为光发射器提供光发射技术上可靠，经济上可行。
本发明所公开的波长为405nm的电磁辐射的使用是安全的。这种新型的LED光源避免了短波长可见光的不利影响。
在具体的实施例中，本发明还实现了一种具有对物体的消毒作用且还能促进植物的光合作用的光源。因此，这种一体式LED结构能够合并于白光光源中，用来提供具有杀菌、灭菌、抗病毒(杀菌)和光合作用的消毒。
本发明通过所公开的一体式LED结构和照明器实现了为普通照明和光合作用照明提供消毒功能。
空间集成给出了一体式LED结构，该一体式LED结构具有埋在波长转换层下面的、彼此非常靠近的405nm发射源和450nm蓝光发射源。在优选的实施例中，提供了对两种发射的独立控制，即对405nm辐射和白光发射的独立控制。这就使得405nm辐射的强度能够被控制，以便当不需要白光时，能够仅使用405nm辐射且以最大的强度进行使用，而白光辐射可以被关闭。而相反地，例如当有人或者在某些应用中有动物在场时，405nm的辐射强度可以被调低或者完全关闭，而保持白光照明在合适的水平。
在一体式LED结构中，白光质量参数，如CRI和CCT，保持不变，因为405nm发射对光通量或光照度的影响可忽略。
一体式结构提供了一种手段使得具有杀菌和灭菌作用的发射器和白光光源非常靠近地在空间上安装，并且在一些实施例中，甚至将两者结合在一起。当杀菌短波长的强度相对于白光强度适当选择时，光源即可被人眼感知为普通白光光源。此外，空间布置保证了405nm的发射不能被人辨识，因为其与白光发射重叠在一起。
附图说明
以下将结合非限制性示例并参考附图对本发明进行进一步说明。在附图中：
图1为显示了蓝色危害光的光谱加权函数的图表；
图2为显示了蓝色危害光的光谱加权函数的图表，其中包括405nm发光二极管的典型发射光谱和405nm激光二极管的典型发射光谱；
图3为显示了用于持续消毒照明器的LED光源的照片，其中白光发射器和短波光线发射器空间结合在一个LED光源中，其光谱空间结合；
图4为根据本发明实施例的一体式LED结构的示意性俯视图；
图5为根据本发明实施例的一体式LED结构的示意性剖面图；
图6为显示了根据本发明实施例的一体式LED结构的典型发射光谱的图表；
图7为显示了根据本发明实施例的一体式LED结构的典型发射光谱的图表；
图8为根据本发明实施例的一体式LED结构的示意性俯视图；
图9为根据本发明实施例的一体式LED结构的示意性剖面图；以及
图10为显示了根据本发明实施例的一体式LED结构的典型发射光谱的图表。
具体实施方式
以下对非限制性实施例进行描述，本领域技术人员应该理解的是，只要不超出本发明的范围，可以对实施例的具体细节作出修改。
本发明提供一种一体式LED结构和一种照明器，用于使例如持续消毒处理得以实现。
在一个实施例中，一种照明光源或照明器可实现消毒功能，这种照明光源或照明器可被人眼感知为白光光源，其首先不会对人体造成伤害，其次也不会引起不适。这种白光光源或照明器适合用作普通照明用途，同时还适合提供对暴露表面或物体进行消毒的手段。
本发明还实现了一种对物体进行消毒且还促进植物光合作用的光源。本发明公开的一体式LED结构能够合并于白光光源中，用来提供具有杀菌、灭菌、抗病毒(杀菌)和光合作用的消毒。
因此，通过使用本发明公开的一体式LED结构和照明器，普通照明和光合作用照明能够实现消毒功能。
在实施例中，发射区包括波长转换材料，用来提供白光发射。在一些优选的实施例中，发射区包括多于一种类型的波长转换材料。这些材料可以垂直叠放在一起，或者不同材料相互靠近水平放置，或者组成混合材料层，以便得到较高的发光效率或较高的显色指数(CRI)或需要的色彩校正温度(CCT)。
在某些情况下，光线发射器可以串联或者并联地电连接，来实现公共电流驱动方案。此时，控制接口具有至少一根引线来提供公共驱动电流，以及至少一根接地线来关闭返回电源的电流路径。然而，在一些情况下，发射器并未电连接在一起，以便实现独立的强度控制。此时，控制接口具有至少三根引线来独立地提供驱动电流，以及至少一根接地线来关闭返回电源的电流路径。
在实施例中，一体式LED部件或封装具有两种不同类型的半导体发射器，其电路也可以是独立的。在标称操作点，电流同时针对两种发射器进行调节，然而，由于电路***是独立的，电流被分开调节，并且，在上述两种情况下，发射看起来均为白光，但是发射光谱具有光谱法可观察到的双峰结构，即450nm处或左右的蓝光发射和405nm处或左右的紫光发射。
如果405nm发射的强度为A，450nm发射的强度为B，则比A/B现在可以通过两个独立的驱动电流来自由调节。在标称情况下，所述比被调节，以便使得405nm的发射对人可辨识，并且在安全限制内，如上文所述。光源发射白光，同时给出低强度的405nm发射来提供持续的消毒功能。
在实施例中，根据是否有人在场，强度控制被动态利用。在第一种情况下，即无人在场时，比A/B可最大化。在第二种情况下，即有人在场时，强度A可调整为低的值以符合安全标准。因此，通常情况下，有至少两个操作设定点。在第一个操作设定点，405nm发射器的驱动电流调高至例如350mA，而450nm发射器的驱动电流则调低至0mA。在第二个操作设定点，405nm发射器的驱动电流调低至例如50mA，而450nm发射器的驱动电流则调至例如350mA。由此在仍然保持白光发射的情况下，发光二极管提供了具有杀菌和灭菌作用的照明。这种强度调节有利于有人在场时确保安全，并且避免暴露在405nm的高强度辐射中。
在一些优选的使用模式中，可以利用动态强度调节以在目标表面上积累了特定总辐射剂量之后调整405nm的发射。这可以通过以探测器电路整合特定波长信号并提供必要的反馈以合理控制一体化LED结构的输出来进行检测。通过避免405nm发射器的非必要使用，有利于减少能耗并延长LED的使用寿命。
白光光源的完整发射由405nm发射器的发射和450nm发射器的发射以及来自波长转换材料的发射(其是由450nm发射器的发射激发的)的总和形成。
在一些实施例中，一体式LED结构仅包括一种类型的光线发射器以及形成在所述光线发射器之上的波长转换材料层，优选地，所述光线发射器具有低于410nm波长的短波长发射。
在一些优选实施例中，完整白光源发射的发射光谱由405nm发射器的发射和来自波长转换材料的发射(其是由405nm的发射激发的)的总和形成。
在优选实施例中，波长转换材料为基于荧光体的，例如YAG:Ce材料，其提供CRI和CCT特性适合作为普通照明应用的白光发射光谱。在这种情况下，所述波长转换材料在360-410nm的波长范围内有较低的消光系数，以避免对低于410nm的发射过度吸收。
所述发射区可以形成为在所述基板的顶表面上的埋藏浅腔。在一些优选实施例中，所述LED结构可以包括在具有不同高度的埋藏腔体中的若干个发射区。
在一些实施例中，短波长发射器能发射具有杀菌、灭菌或抗菌作用的发射波长。在优选的实施例中，短波光线发射或强度对人的皮肤、眼睛或人体健康总体没有不利影响或者其不利影响可以忽略。
在一些实施例中，短波长发射器能发射具有杀菌、灭菌或抗菌作用的发射波长，并且，该发射器还能够发射支持、增强并促进植物光合作用的波长。
下面对附图所示的实施例进行说明，可看到，在一个实施例中(黄色荧光体)，LED结构包括基板100、腔壁101内部的发射区、波长转换材料层102、主发射波长以405nm为中心的发射器103、主发射以450nm波长为中心的发射器104以及具有三条引线的控制接口105。
所述发射区包括第一类型的LED半导体芯片203，其发射波长385-430nm的光，其半高宽(FWHM)发射为5-20nm。所述发射区还包括：第二类型的LED半导体芯片204，其发射波长430-500nm的光；以及波长转换材料202，其峰值发射在500-700nm之间，半高宽发射约为100nm。
所述控制接口有三引线结构，并且可以实现上述两种半导体芯片的独立控制。
所述LED结构发射如图6所示的光谱。通过控制以405nm发射的第一种半导体芯片的电流，光谱可以动态调节为如图7(点线和点划线)所示。或者通过改变波长转换材料，实现如图7(实线)所示。
在另一实施例中(紫外荧光体)，LED结构包括基板300、腔壁301内部的发射区、波长转换材料302、主发射分别以365nm和430nm波长为中心的两个发射器303以及具有两条引线的控制接口305。
所述发射区包括单一类型的LED半导体芯片403，其以405nm发射，其半高宽(FWHM)发射约为14nm。所述发射区还包括波长转换材料层402，其在405nm处具有相对较高的消光系数，并且峰值发射在500-700nm，半高宽(FWHM)发射通常大于30nm。所述控制接口具有两条引线结构，并且实现所述发射器芯片的电控制。
所述LED结构发射如图10所示的光谱。
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
为了方便，在此使用的多个项目、结构单元、组成单元和/或材料可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。
此外，所描述的特征、结构或特性可以任何其它合适的方式结合到一个或多个实施例中。在下面的描述中，提供一些具体的细节，例如长度、宽度、形状等，以提供对本发明的实施例的全面理解。然而，相关领域的技术人员将明白，本发明无需上述一个或多个具体的细节便可实现，或者也可采用其它方法、组件、材料等实现。在其它示例中，周知的结构、材料或操作并未详细示出或描述以免模糊本发明的各个方面。
虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。
工业应用
本发明所公开的一体式LED结构可应用于例如但不限于食品生产和加工领域、飞机以及医院。提供白光照明同时还具有消毒功能的能力能大大减少传染病的发生。尤其引人关注的应用是家用的冰箱。在冰箱的封闭环境中，低成本、节能的一体式LED结构能够被非常高效地利用。当冰箱门关闭时，短波长消毒发射可以调节为高强度，而白光则被关闭。当有人打开冰箱门时，短波长发射可以被关闭，而白光被打开。
利用白光进行持续消毒的另一应用是用于食品店中的水果、蔬菜、鱼和肉柜台。在这些场所使用具有持续消毒功能的白光可以降低感染传播风险并提高生鲜产品的保存期限。
具有消毒功能的白光可应用于医院的手术室和病房以及飞机中，用于降低传染病风险。
另一应用是在温室大棚和食品加工厂中用于促进植物光合作用(以便促进其生长)，同时为植物提供杀菌和灭菌作用。
附图标记列表
100 基板
101 腔壁
102 波长转换材料层
103、104 发射器
105 控制接口
200 基板
201 腔壁
202 波长转换材料层
203、204 半导体芯片
300 基板
301 腔壁
302 波长转换材料层
303 发射器
305 控制接口
400 基板
401 腔壁
402 波长转换材料层
403 半导体芯片
引用列表
专利文献：
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CN104056289A
EP2554583A1
非专利文献：
国际电工委员会标准IEC-62471

Claims (14)

1.一种发光二极管结构，包括：
基板；
发光区，其限定在所述基板上作为腔体；
第一类型的半导体发光源，其具有杀菌和灭菌特性并安装于所述腔体中；
第二类型的半导体发光源，其安装于所述腔体中并能够激发波长转换材料生成白光；以及
波长转换材料层，其形成在所述第一类型的半导体发光源和所述第二类型的半导体发光源之上。
2.根据权利要求1所述的发光二极管结构，还包括电路层，用于连接所述第一类型的半导体发光源和所述第二类型的半导体发光源至电控制接口。
3.根据权利要求1或2所述的发光二极管结构，其中，所述第一类型的半导体发光源在365-430nm的波长范围内具有峰值光发射，且所述发射的半高宽低于30nm，并且，所述第二类型的半导体发光源在430-500nm的波长范围内具有峰值光发射。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发光二极管结构，其中，所述第一类型的半导体发光源在365-430nm的波长范围内具有峰值光发射，且所述发射的半高宽低于30nm，并且，所述第二类型的半导体发光源在430-500nm的波长范围内具有峰值光发射，并且所述波长转换材料的第三发射峰值在450-750nm的波长范围内。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的发光二极管结构，其中，所述波长转换材料在450-750nm的波长范围内具有光发射带，其中峰值发光强度在500-700nm的波长范围内且光发射的半高宽至少为50nm，并且，所述材料在430-500nm的波长范围内具有为1的最大归一化消光系数，且在365-430nm的波长范围内具有低于0.5的归一化消光系数的局部最小值，该局部最小值优选低于0.3。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的发光二极管结构，其中，可见光谱的CRI大于70，且色温在2000K和8000K之间，并且至少10％的光功率在365-430nm的波长范围内发射。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的发光二极管结构，其中，电路层形成在所述基板的顶表面上，用于连接所述第一类型的半导体发光源和所述第二类型的半导体发光源至电控制接口。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的发光二极管结构，其中，所述第一类型的半导体发光源和所述第二类型的半导体发光源通过电路层连接至电控制接口，以便所述第一类型的半导体发光源和所述第二类型的半导体发光源能够被独立控制。
9.一种照明装置，包括至少一个根据权利要求1-8中任一项所述的发光二极管部件，且用于灭菌、抗菌、杀菌或抗病毒目的。
10.一种照明装置，包括至少一个根据权利要求1-8中任一项所述的发光二极管部件，且用于植物的光合作用。
11.一种促进白光照明和持续消毒功能的照明器材，其包括至少一个一体式发光二极管光源，所述一体式发光二极管光源具有：
第一发射，其对人眼不可感知，在360-430nm的范围内，且半高宽小于30nm；以及
人眼可感知为白光的额外的发射峰，其最大发射在430-700nm的范围内。
12.一种促进白光照明和持续消毒功能的照明器材，其包括至少一个一体式光源，所述一体式光源具有：
第一发射，其对人眼不可感知，在395-408nm的范围内，且半高宽小于5nm；以及
人眼可感知为白光的第二发射，其最大发射在450-700nm的范围内。
13.一种为利用照明器材的普通白光照明提供消毒功能的方法，其特征在于：
-当有人在场时，光源调整为提供白光照明，以及在白光发射的背景下对人眼不可感知的杀菌和可选的灭菌的低强度发射；以及
-当无人在场的情况下，关闭白光照明，而使杀菌和可选的灭菌发射最大化。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述光源包括如权利要求1-10中任一项所述的发光二极管结构或如权利要求11或12所述的照明器材。
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