CN100472827C - 具有转换结构的发光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括转换结构和一个或几个LED(40)的发光设备，其中该LED发射光到转换结构中。这些光然后被转换，并且以高的辐射通量被发射。

Description

具有转换结构的发光设备

本发明涉及包括LED的发光设备的领域。今天的LED通常发射在30到60流明范围内的光。这意味着，例如，对于汽车头灯，为了替代传统的卤素灯至少需要20到40个LED。即使是用未来的新一代LED，估计所需要的LED的数目最多也只减小50％。另一方面，由于LED在连续工作期间会发热，所以不可能在LED之间没有一定量的距离地去“包装(pack)”或排列LED。这意味着，具有紧密包装的LED的灯的光学器件将变得非常大，或者每个LED将需要它自己的灯光学器件。而且，不可能通过诸如反射镜等的光学装置来“集中”由LED发射的光。

所以，本发明的目的是提供一种从小的体积中发射具有高流明通量(即，高亮度(luminance))的光的发光设备。

这个目的是通过一种包括至少一个LED和至少一个转换结构的发光设备而达到的，其中该至少一个LED发射在≥220nm到≤550nm波长范围内的光，该至少一个转换结构朝向该至少一个LED放置而没有光学接触，它把来自该至少一个LED的光至少部分地转换成在≥300nm到≤1000nm波长范围内的光，其特征在于，该至少一个转换结构具有≥1.5且≤3的折射率n，以及比值A:E是≥2:1且≤50000:1，其中A和E被定义为如下：

该至少一个转换结构包括至少一个入表面和至少一个出表面，在入表面，由至少一个LED发射的光可以进入该转换结构；在出表面，光-优选地是在灯的光学系统中使用的光-可以离开该至少一个转换结构。

该至少一个入表面中的每一个具有入表面面积，入表面面积被编号成A₁，...，A_n，以及该至少一个出表面中的每一个具有出表面面积，出表面面积被编号成E₁，...，E_n，该至少一个入表面面积中的每一个的和值A是：A＝A₁+A₂...+A_n，以及该至少一个出表面面积中的每一个的和值E是：E＝E₁+E₂...+E_n。

通过这样做，有可能实现这样的一种灯，其与LED相比组合了高的光通量与显著增加的亮度。

按照本发明，该发光设备包括至少一个LED，其发射在≥220nm至≤550nm波长范围内的光。具有在这个波长范围内的发射的LED在实践中已证明了自己。按照本发明的优选实施例，该发光设备包括至少一个LED，其发射在≥250nm且≤500nm，更优选地是在≥300nm且≤480nm波长范围内的光。

按照本发明，该发光设备包括至少一个转换结构，它包括至少一个入表面A，在这里由该至少一个LED发射的光可以进入转换结构。在吸收后，由转换结构重新发射的光可以仅仅连同在材料的逸出圆锥(escape cone)内发射的部分一起通过入表面离去。该被发射光的主要部分将在转换结构内被俘获，并通过全内反射被导引到出表面。

为了增强这个过程，按照本发明的优选实施例，该至少一个入表面具有≥1nm且≤500nm的粗糙度Ra，优选地是≥10nm且≤100nm，更优选地是≥20nm且≤40nm。由此，确实有可能在该光转换结构的出表面E处聚集光。

按照本发明，转换结构和LED朝向彼此地放置，而没有光学接触。为了达到想要的光通量，这个特性是特别重要的。光学接触在本发明的意义中尤其是指，转换结构的折射率n_e高于物理上接触转换结构的媒介、结构、设备和/或LED的折射率n_m。

按照本发明的优选实施例，LED与转换结构直接有物理接触，但是每个LED具有比转换结构低的折射率。

然而，按照本发明的另一个优选实施例，LED和转换结构互相间隔一个距离地放置。在这种情形下，优选地，转换结构和LED之间的距离是≥1μm至≤100mm，优选地是≥100μm且≤10mm，更优选地是≥1mm且≤5mm。

除了将LED和转换层分隔开的光学功能以外，按照本发明的进一步的实施例，具有转换层与LED的热去耦也是有利的。在大多数应用中，对于远超过100℃的温度，转换过程的效率将显著地减小。在本发明的另一个优选实施例中，将专门的冷却装置应用到该发光设备，以把在转换层和LED内生成的热输送到该设备外面的散热装置，LED和转换结构互相间隔一个距离地放置，优选地如上所述。这种冷却可以通过强迫的空气流动和/或通过液体冷却(即在转换层周围抽吸液体)来实现。在本发明的这个优选实施例中，冷却装置因而是一个基于液体的系统及其混合，该液体优选地从包括水、油、丙烯、乙烯、乙二醇的组中选择。在后者的情形下，液体的折射率应当尽可能低，以防止被发射光的通过转换层表面A的光抽取(extraction)。转换层的折射率n_c与液体折射率n_l的差值应当是0.1≤n_c-n_l≤3，优选地是0.3≤n_c-n₁≤2.5，更优选是0.5≤n_c-n₁≤2。

按照本发明，进入转换结构的光至少部分地被转换成在≥300nm且≤1000nm波长范围内的光。通过这样做，该发光设备将发射在某一适用于各种各样应用的波长范围内的光。按照本发明的优选实施例，进入转换结构的光至少部分地被转换成在≥350nm且≤880nm，更优选地是在≥380nm且≤780nm波长范围内的光。

按照本发明，转换结构包括至少一个出表面，在这里光可以离开该转换结构。为了增强这一效果，按照本发明的优选实施例，该至少一个出表面装备有折射和/或衍射的结构或表面。这意味着，该至少一个出表面装备有散射结构、像锥样的结构、微透镜结构、或复合抛物线集中器(CPC)。出表面可包括一个或多个所指出的结构。出结构的几何形状也可以被使用来引导从出表面发射的光，以适配于应用的任何要求。

按照本发明，该至少一个入表面中的每一个具有入表面面积，入表面面积被编号成A₁，...，A_n，以及该至少一个出表面中的每一个具有出表面面积，出表面面积被编号成E₁，...，E_n，该至少一个入表面面积中的每一个的和值A是：A＝A₁+A₂...+A_n，以及该至少一个出表面面积中的每一个的和值E是：E＝E₁+E₂...+E_n。，而且比值A:E是≥2:1且≤50000:1，其中A与E是如以上所定义的。

这个特性是本发明的特别重要的特性之一。由此，LED的光通量可被设置在优选的和想要的范围内。按照本发明的优选实施例，比值A:E是≥5:1且≤5000:1，更优选地是≥10:1至≤3000:1，再优选地是≥20:1且≤1000:1，而最优选地是≥50:1和≤500:1，其中A与E是如以上所定义的。

按照本发明，该至少一个转换结构具有≥1.5至≤3的折射率n。由此，可以容易地达到：LED的效能在想要的范围内。尤其是，通过如上所述地设置折射率，进入如上所述的转换结构的光将在转换结构的、不是出表面的侧面/表面上受到全反射。通过转换结构的出表面发射的(可能在转换后)、来自LED的光的部分，与总的发射光相比较，可以高达

$1-\frac{1}{{2n}^2},$

其中n是转换结构的折射率。这导致一种非常高效的发光设备。优选地，该至少一个转换结构具有≥1.7且≤2.8，更优选地是≥1.8且≤2.6的折射率n。

按照本发明的优选实施例，转换结构具有≥0.8且≤1的被发射光的透射率。这大大地增强了该发光设备的效能。优选地，转换结构的透射率是≥0.9且≤1，更优选地是≥0.95且≤1。

按照本发明的优选实施例，转换结构在温度T时的量子效率与在20℃时的量子效率(热淬火)的关系是在100℃时的≥70％且≤100％，优选地是在100℃时的≥80％且≤100％，而最优选地是在100℃时的≥90％且≤100％。

按照本发明的优选实施例，转换层的量子效率减小到相比于室温时量子效率的50％时的温度(＝TQ_50％-数值)是≥120℃且≤400℃，优选地是150℃≤TQ_50％≤350℃，更优选地是180℃≤TQ_50％≤300℃。

按照本发明的优选实施例，转换结构吸收来自LED的光的≥50％且≤100％，优选地是≥70％且≤100％，而最优选地是≥90％和≤100％，并将其转换成比LED发射波长更长的波长。LED的和由转换结构发射的光的发射波长分别被称为LED和转换结构的发射谱的平均波长。

按照本发明的优选实施例，在转换结构的出表面处的亮度是供发光设备使用的平均LED亮度L_LED的≥0.1倍且≤300倍，更优选地是1×L_LED≤L_exit≤100×L_LED，最优选地是3×L_LED≤L_exit≤40×L_LED。在本发明的意义下，平均LED亮度具体地是由LED组件发射的每立体弧度的相对亮度(lumen fraction)除以LED组件面积。

按照本发明的优选实施例，转换结构基本上由单晶材料和/或单片多晶材料制成，该材料优选地是光学各向同性和/或非双折射的。这些材料满足如在本发明内使用的适当转换结构所需的要求。

按照本发明的优选实施例，转换结构基本上由从包括以下材料的组中选择的材料制成：

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)₃(M^IV _1-zM^V _z)₅O₁₂-其中M^I是从包括Y，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Gd，La，Yb或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Tb，Pr，Ce，Er，Nd，Eu或它们的混合物的组中选择的，M^IV是Al，M^V是从包括Ga，Sc或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，0≤y≤0，1，0≤z≤1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)₂O₃-其中M^I是从包括Y，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Gd，La，Yb或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Tb，Pr，Ce，Er，Nd，Eu，Bi，Sb或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，0≤y≤0，1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)S_1-zSe_z-其中M¹是从包括Ca，Sr，Mg，Ba或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Ce，Eu，Mn，Tb，Sm，Pr，Sb，Sn或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括K，Na，Li，Rb，Zn或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0.01，0≤y≤0，05，0≤z≤1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)O-其中M^I是从包括Ca，Sr，Mg，Ba或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Ce，Eu，Mn，Tb，Sm，Pr或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括K，Na，Li，Rb，Zn或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0，1，0≤y≤0，1，

(M^I _2-xM^II _xM^III ₂)O₇-其中M^I是从包括La，Y，Gd，Lu，Ba，Sr或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Eu，Tb，Pr，Ce，Nd，Sm，Tm或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Hf，Zr，Ti，Ta，Nb或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，

(M^I _1-xM^II _xM^III _1-yM^IV _y)O₃-其中M^I是从包括Ba，Sr，Ca，La，Y，Gd，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Eu，Tb，Pr，Ce，Nd，Sm，Tm或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Hf，Zr，Ti，Ta，Nb或它们的混合物的组中选择的，M^IV是从包括Al，Ga，Sc，Si或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0，1，0≤y≤0，1，或它们的混合物。

按照本发明的优选实施例，转换结构包括至少一个另外的表面，其既不是出表面也不是入表面，并且其中所述另外表面中的至少一个、但优选地是全部被配备以反射涂层，优选地是反射镜或介质涂层或它们的混合物。由此，转换结构和发光设备的效能可以进一步增强。反射镜优选地通过溅射或真空蒸镀直接施加到既不是出表面也不是入表面的该至少一个另外的表面。反射镜材料优选地从包括银、铝和/或它们的混合物的组中选择。反射镜的厚度优选地是≥50nm且≤1000nm。

按照本发明的优选实施例，被安排来照射转换层入表面的LED或是单独地或是在管芯封装中地被安装在用作为热导体的和提供电接触以便进行操作的单个支撑板上。该一个或多个支撑板也可以包含用于LED保护、操作和控制的有源电子元件。另外，按照本发明的优选实施例，在支撑板上的LED管芯被覆盖以光学结构，以使得LED管芯的光输出最佳化。

在本发明的进一步的优选实施例中，LED以≥0.05且≤0.5，优选地是≥0.1和≤0.3的封装密度被安装在支撑板上。封装密度是LED管芯表面积的和值与支撑板的表面积的比值。通过这样做，有可能实现一种在高功率效率处具有特别高的流明通量和超级亮度的发光设备，这是通过有效地冷却LED，由此保持LED的低于规定值的接点温度而达到的。

按照本发明的发光设备可被使用于各种各样的系统和/或应用，包括以下的一项或多项：

家用应用系统、商店照明系统、家庭照明系统、重点照明(accentlighting)系统、聚光照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自照明显示系统、像素化(pixelated)显示系统、分段显示系统、警告标志系统、医疗照明应用系统、指示标志系统、和装饰照明系统、便携式系统和汽车应用。

上述的部件、以及要求保护的部件和在所描述的实施例中按照本发明被使用的部件，关于它们的尺寸、形状、材料选择和技术概念并不依任何特殊的例外而定，使得在相关领域中已知的选择准则可以不受限制地被应用。

在从属权利要求、附图、例子和各个附图及例子的以下说明中公开了本发明的目的的附加细节、特性、特征和优点，其中以示例性方式显示按照本发明的发光设备的几个优选实施例。

图1显示按照第一实施例的发光设备的示意性局部截面图。

图2显示图1的发光设备的转换结构的透视图。

图3显示按照本发明第二实施例的发光设备的几个LED的非常示意性的顶视图。

图4显示按照第三实施例的发光设备的转换结构的透视图。

图5是显示发光设备的、和在按照例1的发光设备中使用的LED的发射谱的图。

图1显示按照第一实施例的发光设备1的示意性局部截面图。正如从图1可以看到的，转换结构10具有类似于长方体的层状结构。它包括两个入表面100和110(由于是透视图在图1上不能看到它们)，以及一个出表面200。两个入表面的表面积分别是A1和A2，导致A是A1+A2。由于只有一个具有出表面面积E1的出表面，所以作为该至少一个出表面面积中的每一个的和值的数字E仅仅是E＝E1。A:E的比值被设置为≥10:1且≤10000:1；在本例中，A:E约为30:1。然而，应当指出，图1中的实施例是非常示意性的，该比值对于其它应用可以是不同的。

另外的表面300(虽然有三个，但在图1上只指示了一个)被配备以反射镜，其在图1上也不能看到。在入表面100和110的光学距离内，提供了几个LED 40，它们发射光到入表面中。LED可以被提供在另外的部分，这些部分不是属于本发明的组成部分(用虚线表示，被标记为50和60)。图2显示图1的发光设备的转换结构10的透视图。

应当指出，在本实施例中，有两个入表面和仅仅一个出表面。然而，这不应被看作是限制意义上的；入表面和出表面的数目在本发明内可以任意设置，只要A与E之间的比值(如上所述，A是入表面的表面积的和值，E是出表面的出表面面积的和值)处在本发明的范围内。

图3显示按照本发明第二实施例的发光设备的几个LED的非常示意性的顶视图。在其上可以安装和/或提供LED的另外的部分被省略。为了说明起见，显示了转换结构10’的相应的入表面100’。正如从图3可以看到的，LED 40’可以以网格状结构被提供，在它们之间具有足够的空间，以便避免LED可能变得太热，LED 40’以≥0.05至≤0.5的封装密度被安装。

图4显示按照本发明第三实施例的、具有入表面100”和出表面200”的转换结构10”的透视图。为了更加增强在A与E之间的比值(如上所述，A是入表面的表面积的和值，E是出表面的出表面面积的和值)，转换结构可被设置成与长方体不同的形状，入表面具有多少有点梯形的形状。通过这样做，光通量可以更加增强，这对于某些应用可能是有利的。

此外，在仅仅示例性实施例中，还通过以下的例子来说明按照本发明的发光设备：

例1：

1000毫升的Lu(NO₃)₃(H₂O)₆的0.5279M溶液(通过在硝酸p.a.中溶解Lu₂O₃(Rhodia)而制成)与4241.4毫升的NH₄Al(SO₄)₂(H₂O)₁₂(AlfaAesar)的0.2089M溶液和2.320克Pr(NO₃)₃(H₂O)₆(Aldrich)混合。然后，在进行搅拌的同时慢慢加入1123克的(NH₄)HCO₃在8000毫升的软水中的溶液(80毫升/每分钟)。沉淀物被用水进行清洗、干燥，并在CO气氛下在1100℃焙烧(calcine)3小时。

陶瓷母体粉末(ceramic precursor powder)然后在乙醇中用2mm氧化铝球研磨达4小时，干燥，并用PVA粘合剂形成颗粒。陶瓷生坯(green body)通过冷的单轴向加压(3.2kbar)被形成。通过在1750℃烧结HIP(2小时无压力烧结+10小时在1kbar下的氩中的烧结)完成烧制。从这种起始材料，形成具有4×30×1mm³尺寸的“箱形(box-like)”形状的转换结构，该转换结构的折射率约为1.8。

然后以这样的方式如上所述地成形和提供转换结构，以使得两个4×30mm²表面被设计为入表面，而一个4×1mm²表面被设计为出表面。该转换结构然后在空气中以1250℃进行后退火达12小时。

其它表面被配备以反射镜。这导致240mm²的A，4mm²的E，从而导致60:1的A:E的比值，A和E是如以上所定义的。

该转换结构然后被安装在5×35×8mm³的箱中，其中一个5×8mm²的面是开放的。两个5×35mm²的面携有20个1mm²的蓝色发光LED，其被并联和串联连接到适当的外部电源。通过在40瓦电功率输入下一起工作的LED，在陶瓷的出表面上的流明通量在350流明的总通量下是15MCd/m²。

图5显示按照本例子制作的发光设备的发射谱，和所利用的LED之一的发射谱。可以看到，可以在想要的波长区域内达到非常宽的光谱，虽然不同的LED只具有最大值约450nm、覆盖小于100nm的较小的发射谱。

Claims (12)

1.包括至少一个LED和至少一个转换结构的发光设备，其中该至少一个LED发射在大于等于220nm至小于等于550nm波长范围内的光，该至少一个转换结构朝向该至少一个LED放置而没有光接触，它把来自该至少一个LED的光至少部分地转换成在大于等于300nm且小于等于1000nm波长范围内的光，其特征在于，该至少一个转换结构具有大于等于1.5且小于等于3的折射率n，以及比值A:E是大于等于2:1且小于等于50000:1，其中A与E被定义如下：

该至少一个转换结构包括至少一个入表面和至少一个出表面，在入表面由该至少一个LED发射的光可以进入该转换结构，在出表面光可以离开该至少一个转换结构，

该至少一个入表面中的每一个具有入表面面积，该入表面面积被编号成A₁，...，A_n，以及该至少一个出表面中的每一个具有出表面面积，该出表面面积被编号成E₁，...，E_n，该至少一个入表面面积中的每一个的和值A是：A＝A₁+A₂...+A_n，以及该至少一个出表面面积中的每一个的和值E是：E＝E₁+E₂...+E_n。

2.按照权利要求1的发光设备，其中该转换结构对该被发射光的透射率是大于等于0.8且小于等于1。

3.按照权利要求1或2的发光设备，其中该至少一个转换结构的至少一个入表面面积具有大于等于1nm且小于等于500nm的表面粗糙度。

4.按照权利要求1或2的发光设备，其中该转换结构的热淬火是在100℃时的大于等于70％且小于等于100％和/或TQ_50％-数值是大于等于120℃且小于等于400℃。

5.按照权利要求1或2的发光设备，其中从LED进入转换结构的光的大于等于50％且小于等于100％被转换结构转换。

6.按照权利要求1或2的发光设备，其中在该转换结构的出表面处的亮度L_exit是供发光设备使用的平均LED亮度L_LED的大于等于0.1倍且小于等于300倍。

7.按照权利要求1或2的发光设备，其中该转换结构基本上由单晶材料和/或立方体单片多晶材料制成。

8.按照权利要求1或2的发光设备，其中该转换结构基本上由从包括以下材料的组中选择的材料制成：

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)₃(M^IV _1-zM^V _z)₅O₁₂-其中M^I是从包括Y，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Gd，La，Yb或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Tb，Pr，Ce，Er，Nd，Eu或它们的混合物的组中选择的，M^IV是Al，M^V是从包括Ga，Sc或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，0≤y≤0，1，0≤z≤1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)₂O₃-其中MI是从包括Y，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Gd，La，Yb或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Tb，Pr，Ce，Er，Nd，Eu，Bi，Sb或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，0≤y≤0，1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)S_1-zSe_z-其中M^I是从包括Ca，Sr，Mg，Ba或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Ce，Eu，Mn，Tb，Sm，Pr，Sb，Sn或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括K，Na，Li，Rb，Zn或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0.01，0≤y≤0，05，0≤z≤1，

(M^I _1-x-yM^II _xM^III _y)O-其中M^I是从包括Ca，Sr，Mg，Ba或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Ce，Eu，Mn，Tb，Sm，Pr或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括K，Na，Li，Rb，Zn或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0，1，0≤y≤0，1，

(M^I _2-xM^II _xM^III ₂)O₇-其中M^I是从包括La，Y，Gd，Lu，Ba，Sr或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Eu，Tb，Pr，Ce，Nd，Sm，Tm或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Hf，Zr，Ti，Ta，Nb或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤1，

(M^I _1-xM^II _xM^III _1-yM^IV _y)O₃-其中M^I是从包括Ba，Sr，Ca，La，Y，Gd，Lu或它们的混合物的组中选择的，M^II是从包括Eu，Tb，Pr，Ce，Nd，Sm，Tm或它们的混合物的组中选择的，M^III是从包括Hf，Zr，Ti，Ta，Nb或它们的混合物的组中选择的，且M^IV是从包括Al，Ga，Sc，Si或它们的混合物的组中选择的，以及0≤x≤0，1，0≤y≤0，1，或它们的混合物。

9.按照权利要求1或2的发光设备，其中该转换结构包括至少一个另外的表面，其既不是出表面也不是入表面，以及其中所述另外表面的至少一个被配备以反射涂层。

10.按照权利要求9的发光设备，其中所述另外表面的全部被配备以反射涂层。

11.按照权利要求9的发光设备，其中该反射涂层是反射镜。

12.一种包括按照权利要求1的发光设备的系统，该系统被使用于以下应用中的一项或多项：

家用应用系统、商店照明系统、家庭照明系统、重点照明系统、聚光照明系统、剧院照明系统、光纤应用系统、投影系统、自照明显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、警告标志系统、医疗照明应用系统、指示标志系统、和装饰照明系统、便携式系统和汽车应用。

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