用于一般照明及显示器背光的磷光体转换白光发光装置和光致发光化合物
阅读说明：本技术 用于一般照明及显示器背光的磷光体转换白光发光装置和光致发光化合物 (Phosphor converted white light emitting devices and photoluminescent compounds for general lighting and display backlighting ) 是由 杨海涛 柴冰华 于 2016-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明涉及用于一般照明及显示器背光的磷光体转换白光发光装置和光致发光化合物。本发明涉及一种磷光体转换白光发光装置,包含：固态光发射器LED,其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光磷光体,其可操作以产生峰值发射波长在500nm到550nm范围内的光；以及红光发光锰活化的氟化物磷光体,例如锰活化的六氟硅酸钾磷光体(K-(2)SiF-(6):Mn～(4+))。所述黄光至绿光磷光体及红光发光磷光体以混合物形式纳入且分散遍及折射率为1.40到1.43的光透射材料。(The present invention relates to phosphor converted white light emitting devices and photoluminescent compounds for general lighting and display backlighting. The present invention relates to a phosphor-converted white light emitting device, comprising: a solid state light emitter LED operable to generate blue light having a dominant wavelength in a range of 440nm to 470 nm; a yellow to green-emitting phosphor operable to generate light having a peak emission wavelength in a range of 500nm to 550 nm; and red-emitting manganese-activated fluoride phosphors, such as manganese-activated potassium hexafluorosilicate phosphor (K) 2 SiF 6 :Mn 4+ ). The yellow-to-green and red-emitting phosphors are included in a mixture and dispersed throughout a light transmissive material having a refractive index of 1.40 to 1.43.)
本申请为申请日2016年09月01日，申请号201680065907.3，名称为“用于一般照明及显示器背光的磷光体转换白光发光装置和光致发光化合物”的发明专利申请的分案申请。
相关申请案的交叉参考
本申请案主张对2015年9月10日提出申请的美国临时申请案第62/216,985号及2016年6月2日提出申请的美国临时申请案第62/344,930号的优先权的权益，每一申请案均以引用方式全部并入本文中。
技术领域
本揭示内容涉及磷光体转换白光发光装置和光致发光化合物。特别地，但并非排他地，本发明的实施例涉及用于产生具有90及更高的高显色指数(CRI)的白光且用于一般照明的白光发光装置和光致发光化合物。此外，本发明的实施例涉及用于高色域显示器的背光中的白光发光装置及化合物。
背景技术
最近，白光发光LED(“白光LED”)已变得更加流行且更常用于替代常规荧光、紧凑型荧光和白炽光源。白光LED通常包括一或多种光致发光材料(通常无机磷光体材料)，其吸收由LED所发射辐射的一部分并且重新发射不同色彩(波长)的光。磷光体材料可作为层提供于经定位远离LED的波长转换组件上或纳入其中。通常，LED产生蓝光且磷光体吸收一定百分比的蓝光且重新发射黄光、绿光或绿光与黄光的组合。由LED所产生蓝光的未被磷光体材料吸收的部分与由磷光体发射的光组合提供在人眼看来颜色为白色的光。还发现白光LED在液晶显示器背光(例如电视、计算机监视器、膝上型计算机、平板计算机装置及智能电话)中的广泛用途。
为产生具有较高CRI、例如80或更高的白光，已知在波长转换组件中另外包括红光和/或橙光发光磷光体。
本发明涉及关于具有经改良发光效能、显色性和/或色域的白光发光装置及显示器背光的改良。
发明内容
本发明的实施例涉及用于一般照明及显示器背光的包括波长转换磷光体的白光发光装置。
根据本发明的实施例，白光发光装置包含：固态光发射器，其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长在500nm到575nm范围内的光；红光发光锰活化的氟化物磷光体，其折射率为约1.4(即n≈1.39到≈1.43)；及折射率为1.40到1.43的光透射材料，其包含黄光至绿光发光磷光体和红光发光锰活化的氟化物磷光体的混合物。通常，黄光至绿光发光及红光发光锰活化的氟化物磷光体的混合物纳入(分散于)光透射材料中且遍及光透射材料均匀分布。
发现与使用具有较高折射率的其它光透射材料的装置相比，将黄光至绿光发光及红光发光锰活化的氟化物磷光体纳入折射率与红光发光锰活化的氟化物磷光体的折射率相当的光透射材料中导致由所述装置发射的光通量的实质增加(约5％增加)。假设光通量的增加是由光透射材料的折射率(n≈1.4)使得具有约1.4的相当折射率的红光发光锰活化的氟化物磷光体的红光提取(和/或激发)增加而引起。在一个实施例中，红光发光锰活化的氟化物磷光体包含红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体，其组成可由化学式K2SiF6:Mn4+代表。K2SiF6:Mn4+具有约1.399的折射率。预计本发明可对折射率为约1.4的其它红光发光锰活化的氟化物磷光体有用，且相信具有这些性质的锰活化的氟化物磷光体可包括K2TiF6:Mn4+、K2SnF6:Mn4+、Na2TiF6:Mn4+、Na2ZrF6:Mn4+、Cs2SiF6:Mn4+、Cs2TiF6:Mn4+、Rb2SiF6:Mn4+、Rb2TiF6:Mn4+、K3ZrF7:Mn4+、K3NbF7:Mn4+、K3TaF7:Mn4+、K3GdF6:Mn4+、K3LaF6:Mn4+和K3YF6:Mn4+。
在一些实施例中，光透射材料，基于甲基的硅酮，例如二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷。
黄光至绿光发光磷光体包含可由蓝光激发且可操作以发射峰波长为500nm到575nm的光的任何磷光体。在打算用于一般照明的一个实施例中，黄光至绿光发光磷光体包含铈活化的石榴石磷光体，例如铈活化的铝酸钇(YAG)磷光体或铈活化的铝酸镥(LuAG)磷光体。YAG磷光体的实例可由化学式Y3-x(Al1-yGay)5O12:Cex代表，其中0.01<x<0.2且0<y<2.5。LuAG磷光体的实例可由化学式Lu3-x(Al1-yMy)5O12:Cex代表，其中M是Mg、Ca、Sr、Ba、Ga和其组合中的至少一个，0.01<x<0.2且0<y<1.5。在一个实施例中，M＝Ga且LuAG磷光体可由化学式Lu3-x(Al1-yGay)5O12:Cex代表。YAG或LuAG磷光体可进一步包含卤素，例如F、Cl或Br。
在打算用于一般照明的另一实施例中，绿光发光磷光体包含由化学式A2SiO4:Eu代表的铕活化的硅酸盐磷光体，其中A是Mg、Ca、Sr、Ba和其组合中的至少一个。铕活化的硅酸盐磷光体可进一步包含卤素，例如F、Cl或Br。黄光至绿光发光磷光体包含铈活化的石榴石磷光体。
对于显示器背光，黄光至绿光发光磷光体优选包含峰值发射波长与显示器的绿色滤波器匹配、通常为535nm的窄带绿光发光磷光体。在此说明书中，窄带发光磷光体是指其发射峰具有约50nm或更小的FWHM(半高全宽)的磷光体。在实施例中，黄光至绿光发光磷光体包含FWHM为50-52nm的铕活化的β-SiAlON磷光体。铕活化的β-SiAlON磷光体的实例是由化学式MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n:Eu代表，其中M是Mg、Ca、Sr和其组合中的至少一个，0.01<x<0.1，0.01<m<0.12且0.1<n<0.5。在另一实施例中，黄光至绿光发光磷光体包含由通式SrGa2S4:Eu代表的FWHM为46-48nm的铕活化的硫化物磷光体。
对于一般照明，白光发光装置可进一步包含可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长在580nm到620nm范围内的光的橙光至红光发光磷光体。已发现包括第三橙光至红光发光磷光体提供装置的亮度的显著增加(约8％)、一般CRI(Ra)的增加、CRI(R9)的增加和发光效能(LE)的增加。
光透射材料包含黄光至绿光发光磷光体、红光发光锰活化的氟化物磷光体以及橙光至红光发光磷光体的混合物。
在一些实施例中，橙光发光磷光体包含诸如CASN(1-1-1-3)或2-5-8氮化硅磷光体等铕活化的氮化硅磷光体，其具有M′2Si5N8:Eu的一般结晶结构，其中M是Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的至少一个。
在实施例中，CASN磷光体可由化学式(Ca1-xSrx)AlSiN3:Eu代表，其中0.5<x≤1。在实施例中，2-5-8氮化硅磷光体可由化学式Ba2-xSrxSi5N8:Eu代表，其中0≤x≤2。优选地，橙光发光磷光体产生峰值发射波长在590nm到610nm范围内的光。
本发明发现特定应用于高CRI装置且装置可有利地操作以产生一般CRI(Ra)为90或更高的白光。在此专利说明书中，除非另外规定，否则CRI是指为CRI(R1)至CRI(R8)的平均值的一般CRI(Ra)。在实施例中，白光发光装置可操作以产生相关色温(CCT)介于2700K与3000K之间且一般CRI(Ra)为90或更高的白光。在一些实施例中，白光发光装置另外可操作以产生CRI(R9)为90或更高的白光。
在一些实施例中，红光发光锰活化的氟化物磷光体(例如六氟硅酸钾磷光体)对黄光至绿光发光磷光体的重量比大于50％且更通常介于约70％与约90％之间或约85％。
根据本发明的另一个实施例，白光发光装置包含：固态光发射器，其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长在500nm到575nm范围内的光；以及红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体(K2SiF6:Mn4+)，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长介于约631nm与约632nm之间的光；以及橙光至红光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长在575nm到620nm范围内的光，其中所述装置可操作以产生相关色温介于2700K与3000K之间、一般显色指数(Ra)为90或更高且显色指数(R9)为90或更高的白光。
所述白光发光装置可进一步包含折射率为1.40到1.43的光透射材料，其包含黄光至绿光发光磷光体、红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体以及橙光至红光发光磷光体的混合物。
黄光至绿光发光磷光体包含铈活化的绿光发光铝酸盐磷光体，例如铈活化的铝酸钇(YAG)磷光体；铈活化的铝酸镥(LuAG)磷光体或硅酸盐磷光体。
橙光至红光发光磷光体包含发射峰值发射波长在580nm到620nm范围内的磷光体光的任何蓝光可激发磷光体。在一些实施例中，橙光发光磷光体包含诸如CASN(1-1-1-3)或2-5-8氮化硅磷光体等铕活化的氮化硅磷光体，其具有M′2Si5N8:Eu的一般结晶结构，其中M是Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的至少一个。
在实施例中，CASN磷光体可由化学式(Ca1-xSrx)AlSiN3:Eu代表，其中0.5<x≤1。在实施例中，2-5-8氮化硅磷光体可由化学式Ba2-xSrxSi5N8:Eu代表，其中0≤x≤2。优选地，橙光发光磷光体产生峰值发射波长在590nm到610nm范围内的光。
根据本发明的另一实施例，白光发光装置包含：固态光发射器，其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长在500nm到550nm范围内的光且选自由以下组成的群组：铈活化的钇石榴石磷光体及铈活化的镥石榴石磷光体；红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体(K2SiF6:Mn4 +)，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长介于631nm与632nm之间的光；以及橙光至红光发光铕活化的氮化硅磷光体，其可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长在575nm到620nm范围内的光。
在实施例中，白光发光装置可操作以产生相关色温介于2700K与3000K之间且CRI(Ra)为90或更高的白光。在一些实施例中，白光发光装置另外可操作以产生CRI(R9)为90或更高的白光。
根据又一实施例，白光发光装置包含：固态光发射器，其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光铈活化的铝酸镥磷光体，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长在500nm到550nm范围内的光；红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体(K2SiF6:Mn4+)，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长介于631nm与632nm之间的光；以及由化学式Ba2-xSrxSi5N8:Eu(其中0≤x≤2)代表的橙光至红光发光铕活化的氮化硅磷光体，可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长在590nm到620nm范围内的光，且其中所述装置可操作以产生相关色温介于2700K与3000K之间且显色指数(Ra)为90或更高的白光。
根据又一实施例，白光发光装置包含：固态光发射器，其可操作以产生主波长在440nm到470nm范围内的蓝光；黄光至绿光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长在500nm到575nm范围内的光；红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体(K2SiF6:Mn4 +)，其可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长介于631nm与632nm之间的光；以及橙光至红光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长在575nm到600nm范围内的光，其中所述装置可操作以产生相关色温介于约2700K与约3000K之间的白光，且其中在波长范围460nm到600nm内，由所述装置发射的光强度(正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)相较于相同相关色温的黑体曲线的光强度(正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)的最大偏差小于0.3。
有可能，在波长范围460nm到500nm内，由装置所发射的光强度(正规化至CIE 1931XYZ相对亮度Y＝100)相较于相同相关色温的黑体曲线的光强度(正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)的最大偏差小于0.2。
此外，有可能，在波长范围500nm到570nm内，由装置所发射的光强度(正规化至CIE1931 XYZ相对亮度Y＝100)相较于相同相关色温的黑体曲线的光强度(正规化至CIE 1931XYZ相对亮度Y＝100)的最大偏差小于0.1。
优选地，白光发光装置可操作以产生一般CRI(Ra)为90或更高且CRI(R9)为90或更高的白光。
根据本发明的另一方面，光致发光化合物包含：折射率为1.40到1.43的光透射材料(包封剂)，其包含峰值发射波长在500nm到575nm范围内的黄光至绿光发光磷光体与折射率为约1.4的红光发光锰活化的氟化物磷光体的混合物。通常，黄光至绿光发光及红光发光锰活化的氟化物磷光体的混合物纳入(分散于)光透射材料中且遍及光透射材料均匀分布。
在一个实施例中，红光发光锰活化的氟化物磷光体包含红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体，其组成可由化学式K2SiF6:Mn4+代表。K2SiF6:Mn4+具有约1.399的折射率。预计本发明可对折射率为约1.4的其它红光发光锰活化的氟化物磷光体有用，且相信具有这些性质的锰活化的氟化物磷光体可包括K2TiF6:Mn4+、K2SnF6:Mn4+、Na2TiF6:Mn4+、Na2ZrF6:Mn4+、Cs2SiF6:Mn4+、Cs2TiF6:Mn4+、Rb2SiF6:Mn4+、Rb2TiF6:Mn4+、K3ZrF7:Mn4+、K3NbF7:Mn4+、K3TaF7:Mn4 +、K3GdF6:Mn4+、K3LaF6:Mn4+和K3YF6:Mn4+。
在一些实施例中，光透射材料包含基于甲基的硅酮，例如二甲基硅氧烷或聚二甲基硅氧烷。
黄光至绿光发光磷光体可包含可由蓝光激发且可操作以发射峰波长为500nm到575nm的光的任何磷光体。对于一般照明应用，黄光至绿光发光磷光体包含铈活化的石榴石磷光体。或者和/或另外，黄光至绿光发光磷光体可包含铕活化的硅酸盐磷光体，其由化学式A2SiO4:Eu代表，其中A是Mg、Ca、Sr、Ba和其组合中的至少一个。对于显示器背光应用，黄光至绿光发光磷光体包含窄带绿光发光磷光体、优选铕活化的β-SiAlON磷光体或铕活化的硫化物磷光体，其由通式SrGa2S4:Eu代表。
对于一般照明应用，光致发光化合物可进一步包含峰值发射波长在580nm到620nm范围内的橙光至红光发光磷光体，且其中光透射材料包含黄光至绿光发光磷光体、红光发光锰活化的氟化物磷光体以及橙光至红光发光磷光体的混合物。
橙光至红光发光磷光体包含铕活化的基于氮化硅的磷光体。
当红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体对黄光至绿光发光磷光体的重量比大于50％且更通常介于70％与90％之间或约85％时，本发明具有特定效用。
根据本发明的实施例，显示器背光包含：固态光发射器，其可操作以产生蓝光；窄带绿光发光磷光体，其可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长为约535nm的光；红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体；以及折射率为1.40到1.43的光透射材料，其包含窄带绿光发光磷光体及红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体的混合物。在实施例中，窄带绿光发光磷光体可包含铕活化的β-SiAlON磷光体，其由化学式MxSi12-(m+n)Alm+nOnN16-n:Eu代表，其中M是Mg、Ca、Sr和其组合中的至少一个，0.01<x<0.1，0.01<m<0.12且0.1<n<0.5。在另一实施例中，窄带绿光发光磷光体可包含由通式SrGa2S4:Eu代表的铕活化的硫化物磷光体。
在本发明的各个实施例中，磷光体或光致发光化合物的混合物可作为LED封装的一部分提供通常于LED芯片上或远离固态光发射器。在远端磷光体配置中，磷光体的混合物提供于定位远离LED、通常由空气隙与LED分开的光学组件中。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参考附图仅以实例的方式阐述本发明的基于LED的白光发光装置及光致发光化合物，在附图中相似参考编号用于表示相似部分，且其中：
图1是本发明实施例的基于LED的白光发光装置的示意图；
图2是基于LED的白光发光装置的光通量对CIE x的图表，在这些装置中a)磷光体作为混合物纳入基于苯基的硅酮中且b)磷光体作为混合物纳入基于二甲基的硅酮中；
图3是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置的发射光谱；
图4是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置(装置11)的发射光谱；
图5是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置(装置12)的发射光谱；
图6是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置(装置13)的发射光谱；
图7，对于(i)装置14(实线)、(i)装置15(虚线)及(i)CCT为2700K的普朗克轨迹(Plankian locus)(短划线)，正规化的强度(正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100)对波长；
图8，对于装置14及15，自黑体曲线(2700K)的正规化的强度偏差(针对CIE 1931XYZ相对亮度Y＝100正规化)对波长；
图9是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置显示器背光(装置16)的发射光谱；且
图10是本发明的实施例的基于LED的白光发光装置显示器背光(装置17)的发射光谱。
具体实施方式
图1是本发明的实施例的白光发光装置10的示意图。装置10经配置以产生CCT(相关色温)为约2700K且一般CRI(显色指数)CRI(Ra)为90及更高的暖白光。
装置10包含一或多个容纳于封装14内的蓝光发光的基于GaN(氮化镓)的LED芯片12。一或多个LED芯片可操作以产生主波长在440nm到470nm、通常450nm到455nm范围内的蓝光。可(例如)包含表面可安装装置(SMD)的封装(例如SMD 5630LED封装)包含上部及下部主体部分16、18。上部主体部分16界定经配置以接纳一或多个LED芯片12的凹部20。所述封装进一步包含基底上的电连接器22及24，所述电连接器电连接至凹部20底层上的相应电极接触垫26及28。可使用粘合剂或焊料，将LED芯片12安装至位于凹部20底层上的导热垫30。导热垫30热连接至所述封装基底上的导热垫32。使用接合线34及36将LED芯片的电极垫电连接至封装底层上的相应电极接触垫26及28且凹部20完全充满透明硅酮38，所述硅酮装载有黄光至绿光发光磷光体、橙光至红光发光磷光体及红光发光锰活化的氟化物磷光体的混合物，使得LED芯片12的暴露表面由磷光体/硅酮材料混合物覆盖。为增强装置的发射亮度，使凹部20的壁倾斜且具有光反射表面。
红光发光锰活化的氟化物磷光体包含可由化学式K2SiF6:Mn4+代表的六氟硅酸钾磷光体，其可由蓝色激发光激发且可操作以产生峰值发射波长λp为约631nm到约632nm的红光。此一磷光体的实例是来自英特美公司(Intematix Corporation),美国加利福尼亚州弗里蒙特(Fremont California,USA)的NR6931 KSF磷光体，其峰值发射波长为632nm。为了简洁，将锰活化的六氟硅酸钾磷光体及K2SiF6:Mn4+磷光体称为“KSF”。
黄光至绿光发光磷光体包含可由蓝光激发且可操作以产生峰值发射波长λp在500nm到575nm范围内的光的任何磷光体，且可包括(例如)基于硅酸盐的磷光体、基于石榴石的磷光体，例如YAG或LuAG磷光体。此类磷光体的实例于表1中给出。
在一个实施例中，黄光至绿光发光磷光体包含绿光发光的基于LuAG的磷光体，如标题为“一般及背光应用中的绿光发光的基于石榴石的磷光体(Green-Emitting,Garnet-Based Phosphors in General and Backlighting Applications)”的美国专利US 8,529,791中所教示，其以引用方式全部并入本文中。此一绿光发光磷光体包含由镥、铈、至少一种碱土金属、铝、氧和至少一种卤素组成的铈活化的绿光发光铝酸镥磷光体，其中所述磷光体经配置以吸收波长在约380nm到约480nm范围内的激发辐射且发射峰值发射波长λp在约500nm到约550nm范围内的光。此一磷光体的实例是来自英特美公司、美国加利福尼亚州弗里蒙特的GAL540磷光体，其峰值发射波长为540nm。
橙光至红光发光磷光体包含可由蓝光激发且可操作以发射峰值发射波长λp在580nm到620nm范围内的光的任何磷光体且可包括(例如)铕活化的基于氮化硅的硅酸盐磷光体或α-SiAlON磷光体。此类橙光至红光发光磷光体的实例在表2中给出。在一个实施例中，橙光发光磷光体包含红光发光磷光体，如标题为“红光发光基于氮化物的钙稳定磷光体(Red-Emitting Nitride-Based Calcium-Stabilized Phosphors)”的美国专利US8,597,545中所教示，其以引用方式全部并入本文中。此一红光发光磷光体包含由化学式MaSrbSicAldNeEuf代表的基于氮化物的组合物，其中：M是Ca，且0.1≤a≤0.4；1.5<b<2.5；4.0≤c≤5.0；0.1≤d≤0.15；7.5<e<8.5；且0<f<0.1；其中a+b+f>2+d/v且v是M的化合价。或者，红光发光磷光体包含红光发光的基于氮化物的磷光体，如标题为“红光发光的基于氮化物的磷光体(Red-Emitting Nitride-Based Phosphors)”的美国专利US 8,663,502中所教示，其以引用方式全部并入本文中。此一红光发光磷光体包含由化学式M(x/v)M′2Si5-xAlxN8:RE代表的基于氮化物的组合物，其中：M是至少一种具有化合价v的单价、二价或三价金属；M′是Mg、Ca、Sr、Ba和Zn中的至少一个；且RE是Eu、Ce、Tb、Pr和Mn中的至少一个；其中x满足0.1≤x<0.4，且其中所述红光发光磷光体具有M′2Si5N8:RE的一般结晶结构，Al取代所述一般结晶结构内的Si，且M基本上位于所述一般结晶结构内的间隙位点处。一种此一磷光体的实例是来自英特美公司、美国加利福尼亚州弗里蒙特的XR600红光氮化物磷光体，其峰值发射波长为600nm。
根据本发明的实施例，磷光体材料混合物纳入其中的材料包含折射率为n＝1.40到1.43的光透射材料。例如，光透射材料包含基于二甲基的硅酮，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。此一适宜硅酮材料的实例是来自道康宁公司(Dow Corning)的OE-6370HF光学包封剂。
图2是本发明的基于LED的白光发光装置的光通量对CIE x的图表(■指定二甲基硅酮OE-6370HF)。CIE x的变化是由硅酮内磷光体混合物的不同载量造成。为了比较，显示其中相同磷光体混合物纳入基于苯基的硅酮内的相同装置的数据(◆指定苯基硅酮)。用于这些装置中的基于苯基的硅酮是来自道康宁公司的OE-6650光学包封剂。基于苯基的硅酮包封剂通常用于将磷光体包封于LED装置内。
图2显示与使用基于苯基的硅酮作为磷光体包封剂的相同装置相比，通过使用基于二甲基的硅酮作为磷光体包封剂使得装置的光通量增加约10％。相信光通量的增加是由与基于苯基的硅酮的折射率(n≈1.54)相比，基于二甲基的硅酮的较低折射率(n≈1.4)造成。相信此较低折射率通过减少磷光体粒子及周围光学介质(硅酮)的界面处的全内反射来增加来自通常具有一定折射率(K2SiF6:Mn4+-n＝1.3991)的红光发光锰活化的六氟硅酸钾(KSF)磷光体的红光提取。为了比较，其它磷光体(包括黄光至绿光发光LuAG及橙光发光氮化物)的折射率通常是约1.8，此可促使基于苯基的硅酮包封剂在基于LED的发光装置中的广泛用途。可预期，基于二甲基的硅酮的使用将对自除红光发光锰活化的六氟硅酸钾磷光体(KSF)外的磷光体的光发射具有有害效应且使装置的总体性能降低。然而，如图2所示，当红光发光锰活化的氟化物磷光体与其它磷光体组合使用时，净结果为光通量的增加。发现当总磷光体中的大多数(即，大于50重量％)是红光发光锰活化的氟化物磷光体时，光通量的增加更大。在其它实施例中，黄光至绿光发光、橙光至红光发光(当存在时)及KSF磷光体可作为混合物纳入折射率为约1.40至约1.43的其它光透射材料(例如光透射环氧树脂)中。
装置1：CCT 2700K及CRI(Ra)≥90的白光发光装置
表3A及3B将经配置以产生标称CCT为2700K且一般CRI(Ra)为90及更高的白光的指定为装置1的白光发光装置的详情制表。
装置1包含SMD 5630LED封装，其含有单一451nm GaN LED芯片以及两种磷光的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的NYAG4454铈活化的绿光发光YAG磷光体)及(ii)红光发光猛活化的氟化物磷光体(英特美NR6931 KSF)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的KSF磷光体的比例是86.5wt％，且其余13.5wt％是NYAG4454(表3B)。
表3C将白光发光装置(装置1)的光学特征制表。如自表可见，所述装置产生CCT≈2700K、一般CRI(Ra)为90及更高且CRI(R9)大于90的白光。此外，如自表3C可见，装置1的发光效能(LE)为335lm/W。
装置2到10：CCT 2700K且CRI(Ra)≥95的白光发光装置
表4A将指定为装置2到10的各种白光发光装置的详情制表。装置2至10标称上为相同装置且每一者经配置以产生标称CCT为2700K且一般CRI(Ra)为95及更高的白光。
每一装置包含SMD 5630 LED封装，其含有单一451nm GaN LED芯片以及三种磷光体的混合：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL540铈活化的绿光发光LuAG磷光体)、(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931 KSF)及(iii)橙光至红光发光磷光体(英特美的XR600基于氮化物的磷光体)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的红色磷光体(XR600+KSF)的比例是85wt％，且其余15wt％是GAL540(表4A)。KSF的比例是82wt％且XR600的比例是3wt％。
表4B将白光发光装置(装置2到10)的光学特征制表。如自表可见，每一装置均产生CCT≈2700K、一般CRI(Ra)为95及更高且CRI(R9)大于92的白光。此外，如自表4B可见，这些装置的发光效能(LE)在介于334lm/W与339lm/W之间的范围内且平均LE为335lm/W。
图3是表4B的装置中的一个的发射光谱。
表5A及5B将指定为装置11(参照)、12和13的各种白光发光装置的详情制表。每一装置经配置以产生CCT为约3000K的暖白光且包含含有单一451nm GaN LED芯片的SMD 2835LED封装。
装置11(参照)包含两种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL535铈活化的绿光发光LuAG磷光体)及(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931 KSF)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370 HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的KSF的比例是82wt％，且其余18wt％是GAL 535(表5B)。
装置12包含三种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL540铈活化的绿光发光LuAG磷光体)、(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931KSF)及(iii)橙光至红光发光磷光体(英特美的XR600基于氮化物的磷光体)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的红色磷光体(XR600+KSF)的比例是76.5wt％，且其余23.5wt％是GAL540(表5B)。KSF的比例是73.5wt％且XR600的比例是3wt％。
装置13包含三种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL540铈活化的绿光发光LuAG磷光体)、(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931KSF)及(iii)橙光至红光发光磷光体(英特美的XR600基于氮化物的磷光体)。将磷光体的混合物纳入基于苯基的硅酮(道康宁公司OE-6636光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的红色磷光体(XR600+KSF)的比例是78wt％，且其余22wt％是GAL540(表5B)。KSF的比例是75wt％且XR600的比例是3wt％。
表5C将装置11(参照)、12、13的光学特征制表，且图4、5及6分别显示装置11(参照)、12及13的发射光谱。
除黄光至绿光发光及KSF磷光体以外包括第三磷光体(即橙光至红光发光磷光体)的益处通过比较装置11(参照)及12的光学特征(表5C)来证明。可看出，包括第三橙光至红光发光磷光体使得亮度增加≈9％、一般CRI(Ra)自≈69增加至≈95且CRI(R9)自≈7增加至≈93。总之，包括第三磷光体(即橙光至红光发光磷光体)的益处可是亮度的增加、一般CRI(Ra)的增加及CRI(R9)的增加。
与将三种磷光体混合物封装于苯基硅酮中相比，将三种磷光体混合物封装于二甲基硅酮(更特别地折射率n≈1.40到1.43的光透射材料)中的益处可通过比较装置12与装置13的光学特征(表5C)来确定。可看出，二甲基硅酮的使用使亮度增加≈2.5％(即自105.2％至108.7％)。如上文所述，相信二甲基硅酮的使用增加由KSF磷光体产生的光的光提取，此可导致发光效能(LE)的增加。同时，当使用二甲基硅酮时，总体磷光体使用可增加(110g/100g硅酮-装置12对83g/100g的硅酮-装置13)，亮度、一般CRI(Ra)及CRI(R9)的实质增加可能远超过任何其它成本增加。
装置14(参照)及15：CCT 2700K的白光发光装置
为进一步说明并解释使用三种磷光体溶液及折射率为n＝1.40到1.43的磷光体包封剂的益处，现在讨论两个其它装置，即装置14(参照)及装置15。表6A及6B将白光发光装置装置14(参照)及装置15的详情制表。每一装置经配置以产生CCT为2700K的暖白光且包含含有单一451nm GaN LED芯片的SMD 5630 LED封装。
装置14(参照)包含两种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL535铈活化的绿光发光LuAG磷光体)及(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931 KSF)。将磷光体的混合物纳入基于苯基的硅酮(道康宁公司OE-6336光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的KSF的比例是82wt％，且其余18wt％是GAL 535(表6B)。
装置15包含三种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(英特美的GAL540铈活化的绿光发光LuAG磷光体)、(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931KSF)及(iii)橙光至红光发光磷光体(英特美的XR600基于氮化物的磷光体)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的红色磷光体(XR600+KSF)的比例是76.5wt％，且其余23.5wt％是GAL540(表6B)。KSF的比例是73.5wt％且XR600的比例是3wt％。
表6C将装置14(参照)及15的光学特征制表。可看出，包括第三橙光至红光发光磷光体及使用二甲基硅酮包封剂的组合效应使得亮度增加≈12％、一般CRI(Ra)自≈70增加至≈95、CRI(R9)自≈17增加至≈90且发光效能(LE)自≈311增加至≈333。
图7显示(i)装置14(参照)(虚线)、(ii)装置15(实线)及(iii)CCT为2700K的黑体曲线(短划线)的正规化的强度对波长。为对光谱进行有意义的比较，每一光谱经正规化，使得每一者均具有CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100。使用虑及观察者的白昼视觉响应的标准观察者的CIE 1931光度函数y(λ)正规化数据。
普朗克曲线或黑体曲线(短划线-图7)代表一般CRI(Ra)等于100的光谱。因此，为使白光发光装置具有可能的最高显色性，其发射光谱应尽可能紧密地匹配黑体光谱。
参考图7，可看出，橙光至红光发光磷光体的添加及折射率紧密匹配KSF磷光体的折射率的包封剂的使用导致在三个方面更紧密匹配黑体光谱(虚线)的发射光谱(实线)。
首先，如由交叉阴影区域50所指示，介于约500nm与约540nm之间的绿色峰减小，使得此区域中发射光谱(实线)更紧密遵循黑体曲线(虚线)。假设绿色峰的减小是由增加光散射且减小自黄光至绿光发光磷光体的光提取的二甲基硅酮造成。
第二，如由交叉阴影区域52所指示，介于约550nm与约610nm之间的谷已通过包括橙光至红光发光磷光体而填充，使得此区域中的发射光谱(实线)更紧密遵循黑体曲线(虚线)。
第三，假设包括橙光至红光发光磷光体及使用二甲基硅酮的组合效应减少KSF磷光体的总量，此减少KSF发射尖峰54、56、58、60(装置14(参照)，115g KSF/100g硅酮；装置15，81g KSF/100g硅酮)，使得此区域中的发射光谱(实线)更紧密遵循黑体曲线(虚线)。
图8是装置14(参照)及15的自黑体曲线(2700K)正规化的强度偏差(针对CIE 1931XYZ相对亮度Y＝100正规化)对波长的图表。如自图8可见，在波长范围460nm到500nm内，正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100的由装置所发射光的强度相较于黑体曲线的光强度的最大偏差小于0.2。此外，可见在波长范围500nm到570nm内，正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100的由装置所发射光的强度相较于黑体曲线的光强度的最大偏差小于0.1。因此，可见在500nm到570nm的波长范围内实现最佳效应，其中装置15的发射光谱极紧密地遵循黑体曲线至几乎理想情况。在460nm到600nm的整体波长范围，可看出正规化至CIE 1931 XYZ相对亮度Y＝100的由装置所发射光的强度相较于黑体曲线的光强度的最大偏差小于0.3。
显示器背光
尽管已关于一般用高CRI白光发光装置阐述前述实施例，但本发明的实施例还在用作显示器背光的白光发光装置中有用。更特定地，但非排他性地，本发明实施例涉及用于高色域液晶显示器(例如电视、计算机监视器、膝上型计算机、平板计算机装置及智能电话)中的显示器背光。在显示器背光中，黄光至绿光发光磷光体包含峰值发射波长对应于显示器的绿色滤波器元件的窄带绿色磷光体。通常，在大多液晶显示器中，峰值发射波长为约535nm(±2nm)。在此说明书中，窄带绿光发光磷光体是指发射峰具有约50nm或更小的FWHM(半高全宽)的磷光体。适宜窄带磷光体的实例于表7中给出。在背光中，发射光谱与显示器的彩色滤板匹配，且红色、绿色及蓝色组件与红色、绿色及蓝色滤波器匹配。因此，包括橙光至红光发光磷光体并无益处。
装置16和17：显示器背光
表8A及8B将指定为装置16及17的各种白光发光装置的详情制表。每一装置经配置以用作显示器背光且包含含有单一452nm GaN LED芯片的SMD 5630 LED封装。
装置16包含两种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(峰值发射波长λp＝535nm的窄带绿光发光β-SiAlON:Eu磷光体)及(ii)红光发光锰活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931 KSF)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370 HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的KSF比例是82wt％，且其余18wt％是β-SiAlON:Eu(表8B)。
装置17包含两种磷光体的混合物：(i)黄光至绿光发光磷光体(窄带绿光发光硫化物磷光体：SrGa2S4:Eu，峰值发射波长λp＝536nm)和(ii)红光发光猛活化的氟化物磷光体(英特美的NR6931 KSF)。将磷光体的混合物纳入基于二甲基的硅酮(道康宁公司OE-6370HF光学包封剂)中且遍及其均匀分布。总磷光体重量的KSF比例是82wt％，且其余18wt％是SrGa2S4:Eu(表8B)。
表8C将装置16及17的光学特征制表且图4 9及10分别显示装置16和17的发射光谱。如自表4C可看出，装置16和17分别产生具有NTSC(国家电视系统委员会(NationalTelevision System Committee))比色法1953(CIE 1931)的色域％的光。
尽管已特定参照本发明的某些实施例阐述本发明，但所属领域的技术人员将易于明了，可在不背离本发明的精神及范围的情形下对形式和细节进行改变及修改。例如，尽管已关于锰活化的六氟硅酸钾磷光体(KSF)阐述本发明的实施例，但预计本发明对折射率为约1.4(通常n≈1.39至≈1.43)的其它锰活化的氟化物磷光体有用。相信具有这些性质的此类锰活化的氟化物磷光体可包括K2TiF6:Mn4+、K2SnF6:Mn4+、Na2TiF6:Mn4+、Na2ZrF6:Mn4+、Cs2SiF6:Mn4+、Cs2TiF6:Mn4+、Rb2SiF6:Mn4+、Rb2TiF6:Mn4+、K3ZrF7:Mn4+、K3NbF7:Mn4+、K3TaF7:Mn4 +、K3GdF6:Mn4+、K3LaF6:Mn4+和K3YF6:Mn4+。
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