CN100479204C - 具有磷光效应的荧光转化发光二极管及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有至少一个用于发射初级辐射(4)的LED(2)和至少一种用于将所述初级辐射转化为次级辐射(5)的荧光材料(6)的光源(1)。所述光源的特征在于，所述次级辐射在室温情况下具有超过一秒的衰减时间，在所述衰减时间内次级辐射的荧光强度降低50%。荧光材料显示出磷光效应。在关断LED之后，并且因此在结束激发荧光材料之后，荧光材料在一段较长的时间上发射次级辐射。光源在关断LED的时刻之后是可见的。优选地，衰减时间为几分钟直至几小时。例如，光源被用于照明逃生路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源，其具有至少一个用于发射初级辐射的发光二极管和至少一种用于将初级辐射转化成次级辐射的荧光材料。另外，还给出该光源的使用和适当的操作方法。
背景技术
例如从DE 196 38 667 C2中已知所述类型的光源。该光源也被称为荧光转化LED。光源的LED(发光二极管(Light Emitting Diode))具有作为活性层的例如由氮化铟镓(GaInN)构成的半导体层。通过电气控制，由该层从第一波长范围发射初级辐射。LED发射“蓝色”光。初级辐射的强度最大值为大约450nm。借助于荧光材料将初级辐射转化为次级辐射。荧光材料例如是利用铈掺杂或者激活的钇铝石榴石(YAG:Ce，Y3Al5O12:Ce)。荧光材料吸收初级辐射，并且从第二波长范围发射次级辐射。荧光材料发射具有依赖于铈浓度的强度最大值的“黄色”荧光。
荧光材料以粉末颗粒的形式嵌入环氧树脂或者低熔点的无机玻璃中。环氧树脂或者玻璃用作粉末颗粒的基质。当LED被接通时，激发粉末颗粒的荧光材料发射次级辐射(荧光)。一旦LED被关断，就不发射初级辐射，并且因此也不发射次级辐射。光源的光熄灭。光源的熄灭几乎与LED的断开同时发生。
但是，出于安全性原因，可以值得期望的是，即使在电流中断的情况下光源也仍然在较长一段时间上发射光。
另外，从DE-A 199 30 174中已预知借助于具有确定的占空比的调光来操作LED。
发明内容
因此，本发明的任务是，给出一种即使在电流中断时也在较长一段时间上发光的荧光转化LED。本发明的其他任务是提供节能的LED和尽可能长使用寿命的LED。
为了解决所述任务，给出一种光源，其具有至少一个用于发射初级辐射的LED和至少一种用于将初级辐射转化成次级辐射的荧光材料。所述光源的特征在于，直到利用人眼不能再觉察到次级辐射的荧光强度时，所述次级辐射在室温情况下具有至少0.1s、优选地至少1s的衰减时间。这里，室温表示在大约10℃至大约30℃的范围内的温度，但是尤其指大约20℃的温度。
即使在LED的电流供应在周期操作中出现故障或者中断之后，本发明的光源也发射光。这通过荧光材料的次级辐射具有相对长的衰减时间来实现。光源的荧光材料通过“磷光效应(Nachleuchteffekt)”来表征。在关断LED之后并且因此在结束激发荧光材料之后，荧光材料在较长一段时间上发射次级辐射。所述光源在关断LED的时刻之后是可见的。这适用于检测次级辐射的任意装置。但是，这尤其适用于人眼。另外，光源在较长的时间间隔内的可见性由于视觉的适应而被放大。
衰减时间优选地为几分钟至几小时。尤其利用次级辐射的这种长衰减时间，该光源可被用作应急照明。应急照明例如用于照明任意的空间，其中该空间的用于照明的“正常”光源出现故障。该空间例如是逃生路径的一部分。借助于该光源，即使在电流中断的情况下也可以指示逃生路径。
根据一种特殊的改进方案，存在多种具有不同衰减时间的荧光材料。如上所述，唯一的荧光材料可具有多个发射状态。从这些状态出发的次级辐射可以在相应荧光的波长范围方面相互区别。如果所述次级辐射另外具有不同的衰减时间，那么在关断LED之后由光源所发射的光的颜色随时间变化。因此有利的是，提供多种荧光材料，这些荧光材料虽然通过次级辐射的不同衰减特性来表征，但是在相同的波长范围内进行发射。由此，即使在LED的电流供应中断时，由光源所发射的光的颜色几乎不改变。光源的光的颜色近似保持不变。
唯一的LED可以激发一种或者多种荧光材料发射次级辐射。也可以设想是，具有表示特征的初级辐射的LED单独地激发每种荧光材料发射相应的次级辐射。
光源可以包括具有相关的荧光材料的唯一的LED。尤其还可以设想，多个具有相关的荧光材料的LED以阵列的形式被排列。这里，可以分别使用相同的LED-荧光材料组合。也可以设想的是，所述阵列由不同的LED-荧光材料组合来组建。
每种任意的、具有次级辐射荧光强度的相应长的衰减时间的荧光材料可被考虑用作荧光材料。荧光材料可以是有机或者无机荧光材料。在一种特殊的改进方案中，从氧化物荧光材料、铝酸盐荧光材料和/或硫化物荧光材料的组中选择荧光材料。无机荧光材料分别借助于一种或者多种掺杂来激活。依赖于掺杂(类型和浓度)，得出荧光材料的分别不同的光物理特性。所述一种掺杂或者多种掺杂例如不仅影响波长范围，而且还影响次级辐射的发射的衰减时间。
在一种特殊的改进方案中，所述铝酸盐荧光材料包括具有至少一种从铕(Eu2+，Eu3+)和/或镝(Dr3+)的组中选出的掺杂的碱土金属铝酸盐。该碱土金属铝酸盐具有例如从SrAl2O4:Eu2+，Dy3+，CaAl2O4:Eu2 +，Dy3+，SrAl14O25:Eu2+，Dy3+的组中选出的正式成分。例如在通过450nm时的宽带的初级辐射激发之后，具有正式成分SrAl2O4:Eu2+，Dy3+(掺杂铕和镝)的荧光材料发射绿色的次级辐射。在200分钟之后，该荧光材料仍然显示10％的余光。其它所提及的荧光材料发射蓝色的次级辐射(CaAl2O4:Eu2+，Dy3+)和蓝绿色的次级辐射(SrAl14O25:Eu2+，Dy3+)。
在一种特殊的改进方案中，所述硫化物荧光材料包括具有至少一种从铜(Cu+)和/或银(Au+)的组中选出的掺杂的硫化锌(ZnS)。该荧光材料的正式成分例如为ZnS:Ag+，Cu+。该荧光材料发射绿色的次级辐射。
在另一改进方案中，所述氧化物荧光材料包括具有至少一种从铕(Eu2+，Eu3+)、镁(Mg2+)和/或钛(Ti4+)的组中选出的掺杂的硫氧化钇。这种荧光材料的正式成分例如为Y2O2S:Eu3+，Mg2+，Ti4+。该荧光材料发射红色的次级辐射。
在一个尤其优选的实施方案中，借助于具有适当的占空比的调光来操作具有发出磷光的荧光材料的LUKOLED，其中关断持续时间为至少50ms。在此情况下，通常可以一方面通过选择至少1∶1000至1∶10000或者更小比例以上的占空比来实现尤其节能的LED。由于对人眼的闪烁效应，迫使传统的LUKOLED使用最高为1∶100的占空比。然而，适当的存储荧光材料的使用提供了进一步降低所述阈值的完美的可能性。
另一方面，在另一尤其优选的实施方案中，通过将接通时间和关断时间选择成绝对明显地更长来实现长使用寿命的LED。对于两个阶段(接通阶段和关断阶段)来说，通常的预知值为5ms，对应于50％的占空比。应用存储荧光材料提供完美的可能性，即在相同的占空比时使用所述阶段的明显更长的周期持续时间，对于两个阶段来说典型地为至少50ms。这里，每单位时间开关过程的次数比接通阶段的长度更重要。总之，可以基于现在可能的长的关断阶段来实现十分显著地减小开关过程的次数。由此显著地减小开关中的开关损耗。这种减小了的负荷延长了使用寿命。
附图说明
下面，借助于多个实施例和与此相关的附图对本发明进行更详细的描述。图是示意性的，并且是不按比例的。
图1示出荧光转化LED形式的光源的横截面；
图2示出节能LED的典型占空比；
图3示出具有长使用寿命的LED的典型占空比；
图4示出间歇地操作的LED的典型占空比。
具体实施方式
图1中的光源1包括LED 2和荧光转化体3。该荧光转化体3由包含荧光材料6的粉末颗粒的环氧树脂组成。环氧树脂形成粉末颗粒的基质。粉末颗粒的平均的颗粒大小为10μm至20μm。
LED 2具有由氮化铟镓构成的半导体层作为活性层。通过电气控制，LED发射强度最大值大约为450nm的蓝色光(初级辐射4)。
荧光材料6是掺杂有铕和镝的铝酸锶。荧光材料6的正式成分是SrAl2O4:Eu2+，Dy3+。该荧光材料6在450nm处具有宽的吸收带。LED2的初级辐射4被荧光材料6吸收，并且被转化为次级辐射5。次级辐射5的发射是绿色的。在室温时，即使在发射初级辐射4的LED 2被断开之后的200分钟，荧光材料还提供大约10％的余光。这表明，次级辐射5具有远远超过1s的衰减时间，在该衰减时间内次级辐射5的荧光强度减小50％。
根据图1，一部分初级辐射4穿过荧光转化体3，而没有被荧光材料6吸收。然而一部分被吸收。其结果是，在操作LED 2时，针对光源1的光，得到由初级辐射4的蓝色发射和次级辐射5的绿色发射组成的混合物。在LED 2被断开之后，光源1只发射荧光材料6的次级辐射5的绿色发射。
在替代的实施方案中，这样相互地调节初级辐射4的强度和荧光材料6的量，使得即使在电气控制LED 2期间，也几乎没有初级辐射4穿过荧光转化体6。光源1不仅在电气控制LED 2期间发射次级辐射5的绿色发射，而且在断开LED 2之后也发射次级辐射5的绿色发射。
根据另一实施例，荧光转化体3包含具有正式成分CaAl2O4:Eu2+，Dy3+(蓝色荧光)、SrAl2O4:Eu2+，Dy3+(绿色荧光)和Y2O2s:Eu3+，Mg2+，Ti4+(红色荧光)的荧光材料6的混合物。荧光材料6通过次级辐射5的不同的衰减时间来表征。基于不同的衰减时间，在断开LED 2之后得到光源1的光的随时间变化的颜色。
在一个作为节能LED的实施方案中，借助于具有至少50ms、优选200ms的关断时间的PWM来操作配备有存储荧光材料的LUKOLED。这里，基于人眼的惯性，1∶1000的占空比、根据存储荧光材料或者其衰减时间甚至1∶10000或者更高的占空比完全足以实现总还是有辐射光源的印象。具体地说，在使用Sr铝酸盐或者硫氧化钇的情况下，可以使用占空比为1∶5000的LUKOLED。总之，在此情况下，根据荧光材料的选择，占空比可以为1∶2至1∶10000。例如可以使用如图2和3所示的占空比。
在实现长使用寿命和/或成本低的LED的另一实施方案中，借助于PWM如此操作配备有存储荧光材料的LUKOLED，即根据存储荧光材料和其衰减时间使用1∶1至1∶10的占空比，其中通过接通阶段为至少20ms(优选地＞50ms)并且关断阶段为至少50ms、优选地多于200ms，使相关的开关承受更小的负荷。由此，或者延长开关的使用寿命(典型地为2倍)，或者取而代之可以基于更小的负荷而使用更便宜的开关，以便获得与没有存储荧光材料(替代的是具有短衰减时间的传统荧光材料)时一样的使用寿命。具体地说，在使用硫化锌的情况下可以使用50％的占空比(占空比1∶2)。如在电子学中那样，占空比通常被定义为V＝tp/T，其中tp＝脉冲持续时间和T＝脉冲重复周期。脉冲持续时间和关断持续时间之和指的是T。
可以将如在调光时预知的通常技术用于周期的电流调节的控制电路，除了参见DE-A 199 30 174之外，也可以参见US-A 5 907 569或者DE-A 40 05 776。
原则上，所有具体提及的存储荧光材料、尤其如上所述的Sr铝酸盐或者另一种铝酸盐或者氧化物或者硫化物都适用于PWM操作。本质上，类似于在正常的发荧光的荧光材料的情况下，这些荧光材料中的许多种的光强最初大大降低，然而随后基于俘获过程则观察到长时间保持的剩余的磷光，人眼在数分钟至数小时内还可觉察到所述磷光。由于眼睛的灵敏度，所述剩余的磷光还总是能够被很好地觉察到。尤其好地适合的是这样的荧光材料，在这些荧光材料中直到荧光强度减小到原始强度的千分之一时衰减时间为至少0.1s，尤其优选的是衰减时间超过1s的那种荧光材料，在所述衰减时间内荧光强度减小50％。
为了保证发磷光的荧光材料持续地进行发射，已经证明合理的是，在阶段周期(Taktung)之间接通持续操作的阶段，以便实现“装载”或者“再生”发磷光的荧光材料。所述阶段的持续时间和频率取决于具体使用的荧光材料。所述操作方式在图4中示意性地进行了说明。
尤其可以使用通过在300至400nm范围内的UV辐射可特别好或者尤其好地激发的荧光材料。与可见的辐射相比，其优点是在UV激发时的快速可装载性。
适合的存储荧光材料的例子为：
SrAl2O4:Eu，Dy
Sr4Al14O25:Eu，RE(RE＝稀土金属)
Ca2Al2SiO7:Ce
CaYAl3O7:Ce
Ca2Al2SiO7:Mn，Ce
CaAl2O4:Eu，Nd
CaAl2O4:Tb，Ce
CaAl2O4:Mn，Ce
MgSiO3:Mn，Eu，Dy。
Claims (10)
1.一种光源，其包括按照荧光转化发光二极管的原理被实施的发光二极管(2)，其中作为初级光源的所述发光二极管发射具有在300nm-400nm范围内的波长的初级辐射(4)，其中在该初级光源之前连接有至少一种用于将所述初级辐射(4)转化为次级辐射(5)的荧光材料(6)，
其特征在于，荧光材料从氧化物、铝酸盐或硫化物的组中选择，使得该荧光材料发磷光，并且直到利用人眼不能再觉察到该荧光材料的次级辐射(5)的荧光强度为止，所述次级辐射(5)在室温情况下具有大于等于1s的衰减时间。
2.按照权利要求1所述的光源，其特征在于，存在多种具有不同衰减时间的荧光材料(6)，这些荧光材料通过所述次级辐射的不同的衰减特性来表征，其中至少一种荧光材料具有大于等于1s的衰减时间。
3.按照权利要求1或者2所述的光源，其特征在于，所述荧光材料通过在300-400nm范围内的UV辐射来激励。
4.按照权利要求1所述的光源，其中铝酸盐荧光材料具有掺杂有铕和镝的碱土金属铝酸盐。
5.按照权利要求1所述的光源，其中所述荧光材料是掺杂有铕、镁和钛的硫氧化钇。
6.按照权利要求1所述的光源，其特征在于，至少一种荧光材料从如下组中选择：SrAl2O4:Eu2+，Dy3+、CaAl2O4:Eu2+，Dy3+、Sr4Al14O25:Eu2+，RE3+，其中RE＝稀土金属、Ca2Al2SiO7:Ce、Y2O2S:Eu3+，Mg2+，Ti4+、CaYAl3O7:Ce、CaAl2O4:Eu，Nd、CaAl2O4:Tb，Ce、CaAl2O4:Mn，Ce、MgSiO3:Mn，Eu，Dy。
7.用于借助PWM操作光源的方法，其中该光源具有用于发射初级辐射(4)的发光二极管(2)和至少一种用于将所述初级辐射(4)转化为次级辐射(5)的荧光材料(6)，其特征在于，所述发光二极管是具有发磷光的荧光材料的荧光转化发光二极管，其中直到利用人眼不能再觉察到所述荧光材料的所述次级辐射(5)的强度为止，所述次级辐射(5)在室温情况下具有至少0.1s的衰减时间，并且以预定的1∶1000或更小的脉冲持续时间和脉冲重复周期之间的占空比定时地操作所述光源。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，脉冲持续时间和脉冲重复周期之间的占空比位于1∶1000至1∶10000的范围内。
9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，选择按照权利要求1所述的光源。
10.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述发磷光的荧光材料的激励通过在300-400nm波长范围内的初级辐射来进行。
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