CN1823428B - 具有光转换元件的发光元件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种发光元件，该元件具有：至少一个初级辐射源，其在工作时发射初级电磁辐射；以及至少一个光转换元件，利用所述光转换元件将至少部分初级辐射转换为改变了波长的辐射。光转换元件在元件的辐射方向上后方设置有带有多个纳米颗粒的过滤元件，这种纳米颗粒具有过滤物质，其通过吸收有选择地降低不希望的辐射的至少一部分光谱区域内的辐射强度。
Description
本专利申请要求欧洲专利申请03015972.7和德国专利申请10361661.6的优先权，这些专利申请的公开内容通过参考方式结合在本申请中。
本发明涉及到一种发光元件，该发光元件具有：至少一个初级辐射光源，其在工作中发射初级电磁辐射；以及至少一个光转换元件，利用该光转换元件将至少一部分初级辐射转化为改变了波长的辐射。
例如在DE 101 33 352 A1中描述了这种发光元件。至少一个发光二极管用作初级辐射光源，其发射出波段在300到485nm之间的初级辐射，通过荧光物质，这种初级辐射被部分或全部地转换为长波辐射。在该发光元件中，UV或近UV波段内的光辐射可被转化为可见光，该元件尤其适合借助于不同的荧光物质产生出高度色彩重现的白光。
这种发光元件也存在缺点，该元件具有不能忽视的UV或近UV光谱区域内的初级辐射的剩余发射，特别是在使用高功率的发光二级管作为初级辐射光源的情况下。但是这种剩余发射必须尽可能地避免，因为UV或可见的近UV波段内的电磁辐射在强烈的作用下对人眼具有损害作用。UV波段或者说紫光波段(400nm-420nm)的辐射根据射入人眼中的辐射功率高低可以导致对人类眼睛的不同程度的伤害。当波长400nm在以下时主要是白内障，也就是晶状体模糊。当波长在400nm到420nm之间时，还将导致视网膜光化学能力的下降。
本发明的目的在于，提供一种发光元件，该发光元件具有用于至少部分减小不希望辐射的辐射强度的媒质。
本发明的目的通过根据权利要求1所述的发光元件实现，本发明的优选改进方案以及有利设计在从属权利要求中说明。
根据本发明，在开头所述类型的发光元件中，在发光元件的辐射方向上在光转换元件后面安置有一个具有大量纳米颗粒的过滤元件，纳米颗粒具有过滤物质，这些过滤物质通过吸收有选择地将不希望的辐射的至少一个光谱区域内的辐射强度降低。
与本发明相关的纳米颗粒中应理解为是平均颗粒直径大于或等于0.1nm和小于或等于100nm的颗粒。
相对于可见辐射的波长，这种纳米颗粒有相对很小的扩展尺寸。因此，可见光辐射在纳米颗粒上基本上不进行非弹性散射，而是瑞利散射，通过瑞利散射使得可见光辐射几乎没有能量损失地进行散射，因此通过过滤元件，基本上仅减小了在发光元件中所产生的电磁辐射的那些波长区域的辐射强度，过滤物质吸收这些辐射。因此，能够有选择地降低至少部分不希望的电磁辐射的辐射强度。
本发明中所提到的概念“不希望的辐射”并不是指这种辐射绝对是不希望的，而是指不希望从该发光元件产生这样的辐射，并因此应尽可能地避免。
在该发光元件的有利的实施例中，“不希望的辐射”是指初级辐射或者初级辐射的部分光谱区域。
这种不希望的辐射来源于小于或等于420nm的波长区域和大于或等于10nm的波长区域或者与该波长区域重叠的波长区域。
在该发光元件的其他实施例中，初级辐射光源优选具有至少一个发光二极管，其在工作时产生UV辐射和/或蓝光。不希望的辐射的部分光谱区域的辐射强度优选被降低了至少50％。
为了最大限度地避免所希望的辐射在纳米颗粒上的非弹性散射，纳米颗粒有利地具有d50值，该值(以Q0计)小于或等于25nm，优先小于或等于21nm和大于或等于1nm。
特别优选的是纳米颗粒具有d50值，该值(以Q0计)小于或等于所希望的辐射的最小波长的1/20和大于或等于1nm。在一个特别有利的实施例中，所有纳米颗粒的平均直径最大为所希望辐射的最小波长的1/20。
其中，Qn(n＝0，1，2或3)是分布总和类型的通用符号，其中n指维度。Q0表示数量分布总和(0-维的)，也就是所测得的粒子直径依赖于粒子的数量而分布。
d50表示“平均直径”，其是平均颗粒尺寸的量度。当d50值来自于数量分布总和Q0的时候，意味着所有粒子数中的50％的粒子的直径比d50的值更小，所有粒子数中的50％粒子的直径更大。
在优选的实施例中，过滤物质中包括由金属氧化物材料组、硫化物材料组、氮化物材料组、硅酸盐材料组所组成的组中的至少一种材料。根据本发明，过滤元件也可以具有带有不同过滤物质的纳米颗粒的多个局部群。在这样的情况下，只有纳米颗粒的至少一个局部群中的过滤物质必须满足本发明或者其实施例的条件。
过滤物质尤其优选具有二氧化钛、二氧化铈、二氧化锆、氧化锌、氧化钨、硫化锌以及氮化镓构成的组中的至少一种材料。
这些纳米颗粒有利地被埋置入一个优选对UV辐射不敏感的基体材料中，为此这种基体材料有利地是具有由硅树脂、旋涂玻璃、硅-化合物以及聚合物构成的组中的至少一种材料。
为了尽可能减少纳米颗粒在基体材料中的沉积，这些纳米颗粒特别有利地具有起到分散作用的表面涂层或者处理过的表面，并以此提高其在基体材料中的分散能力。
本发明的其他特点，优点以及有利之处在下面结合图1到2b中所描述的实施例中给出。
图1：发光元件的实施例的剖面示意图；
图2a：具有微粒的过滤元件的计算出的透射光谱；以及
图2b：根据本发明的过滤元件的实施例的计算出的透射光谱。
在实施例和附图中，相同的或者相同作用的组成部分分别具有同样的标号。图中示出的元件没有根据比例进行绘制，为了更好地理解，局部进行了放大示出。
在图1所示的实施例中，过滤元件1安置在用于发光二极管的常规的外壳10的辐射输出耦合面上。外壳10具有“Toplooker”构造形式并包括外壳基本构型4和第一和第二导电涂层8、9，这些导电层部分地覆盖在外壳基本构型4的壁上。发光二极管6安装在第二导电涂层9上，并因此与之导电接触。发光二极管芯片6的背离导电涂层9的一侧通过接合线7与第二导电涂层8导电连接。导电涂层例如也反射发光二极管芯片6在工作时产生的电磁辐射。
发光二极管芯片6具有一个安置在基底上的外延生长的半导体层序列，其包括在发光二极管芯片6工作时发射电磁辐射的活跃区(图中未示出).该半导体层序列的厚度例如可为8μm.
这种半导体层序列例如可以具有常规的pn结、双异质结结构、单量子阱结构(SQW)或者多量子阱结构(MQM)，对于本领域技术人员而言，这些结构都是熟知的，因此在此将不再进一步阐述。如以GaN为基的多量子阱结构的例子在WO 01/39282 A2中公开，其公开内容以参考形式包括在本申请中。
发光二极管芯片6的半导体层序列例如以InAlGaN为基，也就是说它包括化合物InxAlyGa1-x-yN(其中0≤x≤1，0≤y≤1，x+y≤1)的至少一种材料，它发射例如UV波段的电磁辐射。
发光二极管芯片6被光转换元件(部分)5封装，光转换元件5例如具有基于硅树脂的浇注材料和一种或多种分散在其中的荧光物质。运用这种发射UV波长区域(或者说UV波段)的辐射的光的发光二极管芯片作为激发荧光物质的初级辐射源的优点是，这种由荧光物质发射的光通常具有比由发光二极管发射的光更宽的光谱。例如，因此能够产生具有彩色重现的白光，该白光与其中初级辐射构成大部分光的元件相比被优化了。
包含在光转换元件5中的荧光物质吸收了大部分发光二极管芯片6所发射的具有UV波段的波长的辐射，然后发射出具有更长的波长的辐射。不同荧光物质所发射的辐射互相混合，产生国际照明委员会比色图表(CIE-Farbtafel)的一定色彩区域内的光，尤其是白色光。可能使用的荧光物质例如是以YAG:Ce，YAG:Tb为基的荧光物质颗粒或者其他合适的无机的或者有机的荧光物质颗粒，本领域人员对于这些可作为可激发UV的荧光物质颗粒是熟知的。
过滤元件1包括基体材料3，在基体材料中掺入了纳米颗粒2。这种基体材料基于硅树脂，也可以是通过旋涂的方法而涂覆的玻璃、硅化合物或其他紫外线稳定的聚合物，如通常是波导材料。
纳米颗粒2具有例如作为过滤物质的TiO2，其以不同的晶型存在。在锐钛型的晶型下，二氧化钛具有例如3.2eV的能带间隙能量，其对应的波长为387nm，这种锐钛型的晶型下的二氧化钛的吸收系数在400nm到380nm的波长区域中改变了超过2个数量级。
过滤物质也可以具有金红石晶型的二氧化钛，其包含在过滤元件1中的浓度例如约为15Gew.％，其中过滤元件具有厚度为50μm的涂层。二氧化钛例如以颗粒的形式存在，其具有17nm的d50值。
在图2b中示出了这种过滤元件1在仅考虑散射的情况下根据辐射波长的不同的电磁辐射的透射情况。当波长在约400nm的情况下，大约有95％的光透射，随着波长的不断增大，在约700nm的情况下，增长到超过99％的光透射。因此，由于过滤元件1的纳米颗粒2的散射而引起的辐射强度的损失非常小。
在图2a中同样示出了具有厚度为50μm的层的过滤元件的透射情况，这种过滤元件具有15Gew.％的金红石晶型的二氧化钛，唯一不同的是，二氧化钛以颗粒大小约为10μm的颗粒形式存在。实际上这样的过滤元件对所有可见波长区域的光都是不能穿过的。
考虑到基于图2b中的透射光谱的过滤元件1除了散射还有二氧化钛的吸收作用，因此对于小于约420nm的波长光透射将明显降低。对于波长为412nm的辐射，透射率只超过约1％。因此可以非常有效地减少对眼睛有伤害的辐射和因而不希望的辐射如UV和/或短波的蓝光范围的初级辐射，而不必必须容忍所希望的辐射的辐射强度的过大地减小。
元件所发射的辐射通过过滤元件的纳米颗粒的散射有利地会改善其混合，特别是会改善不同颜色的光的混合。
作为金属氧化物如二氧化钛的替换方案，在实施例中，也可以作为替换或者附加而应用其他合适的金属氧化物或者合适的硫化物、氮化物和/或硅酸盐作为过滤物质使用。为此适合的物质例如为二氧化铈、二氧化锆、氧化锌、氧化钨、硫化锌以及氮化镓，根据不希望的辐射也就是说其吸收特性来选择这些物质。考虑到各个吸收系数(依赖于波长)，纳米颗粒的数量也要与被吸收辐射的强度的所希望的降低相对应。
原则上，在本发明中，对于来自于可见光波长区域的光是透光的但是对于不希望的辐射，尤其是来自于UV和/或紫光范围的辐射具有吸收作用的所有材料均适合于作为过滤物质的组成部分。
纳米颗粒具有起到分散作用的表面涂层或者起到分散作用的被处理表面，也就是说，这些颗粒表面涂布有合适的分子或者这些分子被纳米颗粒所吸收，从而改善纳米颗粒在基体材料中的分散能力。
本发明的保护范围并不由于对本发明实施例的描述而受到限制。本发明更确切地说包括每一个新的特征和每一个特征的组合，其尤其包括权利要求中的各个特点的每一个组合，甚至包括那些在权利要求中或在实施例中未明确说明的组合。
Claims (13)
1.一种发光元件，具有：
至少一个初级辐射源，其在工作时发射初级电磁辐射，以及
至少一个光转换元件，利用所述光转换元件将至少一部分初级辐射转换为改变了波长的辐射，
其特征在于，
所述光转换元件在所述发光元件的辐射方向上在后面安置有带有多个纳米颗粒的过滤元件，其中所述纳米颗粒是平均颗粒直径大于或等于0.1nm和小于或等于100nm的颗粒，其中这些纳米颗粒被埋置入基体材料中并且具有起到分散作用的表面涂层或者起到分散作用的处理过的表面，这些纳米颗粒具有过滤物质，所述过滤物质通过吸收有选择地降低不希望的辐射的至少一个部分光谱区域的辐射强度。
2.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，射到所述纳米颗粒上的可见辐射基本上被弹性散射了。
3.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述不希望的辐射是初级辐射或者初级辐射的部分光谱区域。
4.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述不希望的辐射来源于波长小于或等于420nm的UV波长区域或与该波长区域重叠的波长区域。
5.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述初级辐射源具有至少一个发光二极管，所述发光二极管在工作时发射UV辐射和/或蓝光。
6.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述不希望的辐射的部分光谱区域的辐射强度被降低至少50％。
7.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述纳米颗粒具有平均颗粒直径，其小于或等于25nm和大于或等于1nm。
8.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述纳米颗粒具有平均颗粒直径，其小于或等于21nm和大于或等于1nm。
9.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述纳米颗粒具有平均颗粒直径，其小于或等于所希望辐射的最小波长的1/20和大于或等于1nm。
10.根据权利要求1或2所述的发光元件，其特征在于，所述过滤物质具有由金属氧化物材料组、硫化物材料组、氮化物材料组以及硅酸盐材料组所构成的组中的至少一种材料。
11.根据权利要求10所述的发光元件，其特征在于，所述过滤物质具有由二氧化钛、二氧化铈、二氧化锆、氧化锌、氧化钨、硫化锌以及氮化镓所构成的组中的至少一种材料。
12.根据权利要求1所述的发光元件，其特征在于，所述基体材料对UV辐射不敏感。
13.根据权利要求12所述的发光元件，其特征在于，所述基体材料具有由硅树脂、旋涂玻璃、硅-化合物以及聚合物构成的组中的至少一种材料。
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