具有至少一只发光二极管作为光源的照明单元

技术领域

本发明涉及权利要求1的前序部分所述的具有至少一只LED作为 光源的照明装置。尤其是涉及基于主要发射近紫外或短波蓝光的LED 的、发射可见光或白光的亮度变换LED。

背景技术

发射白光的LED眼下主要通过发射约460nm蓝光的 Ga(In)N-LED和发射黄光的YAG∶Ce3+荧光物质产生(US5 998 925和EP 862 794)。然而，由于基于有缺陷的彩成分(首先是红成分)而造 成其不良的显性，该白光LED只限制用于普通照明的目的。尝试以 主要发射蓝光的LED与多种荧光物质组合来改善显性以取代之，请 参阅WO 00/33389和WO 00/33390。

此外，原则上是众知的，发白光的LED也用所谓的有机LED实现， 或通过单LED与相应的彩混合来联合地实现。至多应用一个UV LED(发射最大值在300～370nm)，该UV LED借助多个荧光物质，至 多3个，在红，绿，蓝光谱段内发射的(RGB-混合)转变为白光(WO 98 39 805，WO 98 39 807和WO 97 48 138)。众知作为蓝成分的无 机荧光物质BaMgAl10O17∶Eu2+或ZnS∶Ag+，作为蓝绿成分如ZnS∶Cu+或 (Zn，Cd)S∶Cu+，或ZnS∶(Al，Cu)+；作为红成分如Y2O2S∶Eu2+。此外， 推荐一系列有机荧光物质。

荧光灯或白炽灯很少适用于具有较小尺寸的较高品质发白光的光 源或譬如LCD的背景照明。而OLED更好地适用于它，但与无机荧光 物质比较，有机荧光物质的UV-稳定性差。此外，造价较高。带有荧 光物质YAG∶Ce3+(及其衍生的石榴石)，蓝光LED原则上也适合于它， 然而其缺点在于品位置设置：只以较有限的方式这样选择品位 置，使得出现良好显性的白光，因为白光感主要通过LED的蓝光 发射和荧光物质地黄光发射的混合产生。荧光灯和UV-(O)LED的缺 点在于：UV能量以不佳的能效转变为可见光：(在荧光灯254和 365nm，在UV LED300-370nm)波长例如254nm的UV辐射转变为具有 波长450-650nm的光。这意味着，在理论上的100％量子效率情况下， 能量耗损为40到60％。

通常有机荧光物质比无机荧光物质更难制造，此外，为了能在长 寿命(例如超过30000小时)的光源内使用，通常是不稳定的。

本现有技术在由LED和荧光物质组合的能效和/或荧光物质的稳 定性方面具有一些显著缺点，和/或几何尺寸方面的限制。

发明内容

本发明的任务在于提供根据权利要求1的前序部分所述的具有至 少一只LED作为光源的照明单元，其特征在于高效性。

本任务通过权利要求1的特征部分的特征来解决。特别有利的扩 展在从属权利要求中给出。

本发明与研制发射可见光或白光的LED相结合是尤为有利的。该 LED可以通过在近UV或极短波的蓝光(这里总称为“短波的”)中进 行发射的具有发射波长在370和430nm之间的LED与至少一种在下面 所引用的荧光物质组合起来以进行制造，该荧光物质完全地或局部地 吸收LED的辐射，并且其自身在以下光谱段内发射，该光谱段与LED 光和/或其它素的附加混合会给出具有良好显性的白光，或具有 所希望的品位置的光。按照应用，具有本发明特性的仅仅一种荧光 物质已够用。它也可能与一种或多种其它的本发明的荧光物质或其它 类的荧光物质，例如YAG∶Ce组合。与利用长波蓝光(430到480nm) 的现有技术相反，这里LED的蓝光不能(或几乎不能)直接利用，而 只适合于荧光物质的初级激励。

其发射大多接近于荧光物质所发射的波长的主辐射源可以显著地 提高能效。在400nm发射的源的情况下，能耗减少例如已经到达 12~39％。

技术上的问题在于：发展和生产在370nm和430nm的光谱段可调 整的，而且同时显示合适发射性能的足够有效的荧光物质。

为了实现彩或白光LED，本发明的荧光物质可能与具有尽可能 透明的粘结剂的一种或多种其它荧光物质组合(EP862 794)。荧光 物质完全或局部吸收发射UV/蓝光的LED的光，并在另一光谱段再宽 带地发射，所以以所希望的品位置产生总发射。迄今为止，几乎还 没有象这里所述的荧光物质那样好地满足这些要求的荧光物质。它表 现出高量子效率(典型地为70％)，同时表现出根据眼睛的灵敏度被 认为是明亮的光谱发射。品位置可以在宽波段内调整。此外，它们 的相当容易的、保护环境的可制造性，它们的无毒性和相当高的化学 稳定性属于这些荧光物质的优点。

本发明尤其涉及具有至少一只LED作为产生特定的所希望调 (例如绛红)或例如白光的光源(发光二极管)的照明单元，它是 通过借助于多种荧光物质把主要发射短波(即在光波段370到430nm 的UV到蓝)的辐射转换为白光：或者通过发射蓝或黄光的荧光物 质的次级辐射的混合，或者尤其是通过发射红、绿、蓝光的三种荧光 物质构成的RGB混合。对于显性特别高的要求，也可以组合多于3 种荧光物质。为此目的，也可以用本发明使用的荧光物质与其它的为 此应用已经众知的荧光物质相组合，例如SrS∶Eu(WO 00/33390)或 YAG∶Ce(US5 998 925)。

Ga(In，Al)N-LED尤其适合于主要发射短波的LED，但是为了 产生具有光波段为370到430nm的主发射的短波LED，也可以采取任 何其它的途径。

以超出眼下知识水平的方式，本发明利用了其它的荧光物质及其 混合物(看表1到表3)，由此扩展了LED的光谱发射特性。这时可 以如此选择使用的荧光物质及其混合，使得除了不褪的白光外，也 产生具有宽带发射的其它混。通常，LED的发射的光被包含荧光物 质的混合物所吸收。该混合物或直接沉积在LED上，或者分散在树脂 或硅中，或沉积到LED之上的透明玻璃片上，或者沉积到多个LED之 上的透明玻璃片上。

本发明的步骤在于：通过利用具有发射波长在370和430nm之间 的LED(不可见或几乎不可见的深蓝)和利用列在下面列出的荧光物 质来改善LED发射的光谱匹配和调整任意的标，确切地说，具有比 传统的LED更高的能效。

可激发相对长波的无机发光材料，眼下几乎不为人知。然而，令 人吃惊地表明，有一些无机发光材料还适合于利用峰值发射波长 370-430nm的辐射被有效地激发。典型的发射半值宽度处于 20nm~50nm。荧光物质的吸收可以通过选择的结构参量和化学成分加 以控制。这样的荧光物质都具有相对小的禁带宽(典型值约3ev)， 或者它们对于那些吸收由LED发射的约400nmUV/蓝光的离子具有强 的晶体场。

与所选择的LED(370~430nm)发光波长有关地，并且与所希望的 显性和/或所希望的品位置有关地，可以在荧光物质混合中选择 荧光物质的一定组合。因此，最合适的荧光物质混合是与所希望的目 标(显性，品位置，温)和当前的LED发射波长有关。

满足上述条件的每种荧光物质，原则上适合于应用。有效发射， 并且在370~430nm范围内可有效激发或至少局部可激发的荧光物质列 举在下表内。表1描绘了具有峰值发射波长从440到485nm的合适的 蓝荧光物质，表2描述了具有峰值发射波长从505到550nm的合适的 绿荧光物质，表3描绘了具有峰值发射波长从560到670nm的合适的 红荧光物质。因此，首次制造基于激发多种荧光物质的发射短波的二 极管的、具有较高效率的LED是可能的。

表1：发射蓝光的荧光物质

M3(PO4)4(X)∶Eu2+，其中m至少是单独的金属Ba，Ca之一或与Sr 组合(优选Sr分额最高达85％)，其中X至少是卤素F或Cl之一；

M*3MgSi2O8∶Eu2+，其中m至少是单独的金属Ba，Ca，Sr之一或组合，

Ba5SiO4Br6∶Eu2+

Ba1.29Al12O19.29∶Eu2+

YSiO2N∶Ce3+，(Sr，Ba)2Al6O11∶Eu2+

MF2∶Eu2+，其中M至少是金属Ba，Sr，Ca之一；优先Ba在金属M中 的份额＞5％，例如Ba＝10％，即M＝Ba0.10Sr0.45Ca0.45，

Ba0.57Eu0.09O0.34Al11.11O17∶Eu2+；

M**MgAl10O17∶Eu2+，其中M**至少是单独的金属Eu，Sr之一，或与 Ba组合(优选Ba份额最高75％)；

MLn2S4∶Ce3+，其M是金属Ca，Sr的组合，而Ln至少是金属La， Y，Gd之一。

表2：发射绿光(和青绿光)的荧光物质

SrAl2O4∶Eu2+；

MBO3∶(Ce3+，Tb3+)；其中M至少是单独的金属Se，Gd，Lu之一， 或与Y(尤其Y份额＜40％)的组合；金属Ce和Tb一起作为激活剂起 作用；尤其是Ce在金属M中的份额处于5％≤Ce≤20％的范围内，Tb在 该金属中的份额处于4％≤Tb≤20；优选Ce份额＞Tb份额；

M2SiO5∶(Ce3+，Tb3+)：其中M至少是金属Y，Gd，Lu之一，金属 Ce和Tb一起作为激活剂(优选Ce的份额＞Tb的份额)，

MN*2S4∶Ak：其中M至少是金属Zn，Mg，Ca，Sr，Ba之一；其中N 至少是金属Al，Ga，In之一；Ak或与Eu2+，Mn2组合一起(优选Eu 份额＞Mn份额)，或与Ce3+，Tb3+组合一起(优选Ce份额＞Tb份额)；

SrBaSiO4∶E2+

Ba0.82Al12O18.82∶Eu2+

Ba0.82Al12O18.82∶Eu2+，Mn2+

Y5(SiO4)3N∶Ce3+；

Ca8Mg(SiO4)4C12∶Ak2+其中Ak为单独的Eu2+或与Mn2组合一起(优选 Eu份额＞2×Mn份额)；

Sr4Al14O25∶Eu2+；

(Ba，Sr)MgAl10O17∶Ak，其中Ak是Eu2+或与Ce3+和Tb3+组合一起， 或与Mn2+组合一起，优选在激活剂Ak内的Eu份额＞50％；

Sr6BP5O20∶Eu2+

Sr2P2O7∶(Eu2+，Tb3+)与Eu和Tb组合一起

BaSi2O5∶Eu2+；

表3：发射红光(橙红到深红)的荧光物质

Ln2O2St∶Ak3+，其中，Ln至少是单独的金属Gd，La，Lu之一或与Y 组合(优选Y份额最高为40％；尤其是La份额最少为10％)，St至少 是元素S，Se，Te之一；Ak是单独的Eu或与Bi组合；

Ln2WmO6；Ak3+，其中，Ln至少是金属Y，Gd，La，Lu之一，Wm至少 是元素W，Mo，Te之一，Ak是单独的Eu或与Bi组合；

(Zn，Cd)S∶Ag+，其中Zn和Cd只被组合地使用，优选Zn份额 ＜Cd份额；

Mg28Ge7.5O38F10∶Mn4+

Sr2P2O7∶Eu2+，Mn2+

M3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+，其中，M至少是金属Ca，Ba，Sr之一。

(M1)2(M2)(BO3)2∶Eu2+，其中M1至少是金属Ba，Sr之一，M2至少 是金属Mg，Ca之一，优选在金属正离子M1中的Ba份额为80％，优选 在金属M2中的Mg份额至少为70％。

必须注意，通常激活剂总是取代一部分占首位的正离子(＝金属， 尤其是镧)，例如MS∶Eu(5％)代表M1-0.05Eu0.05S。

式子“M是至少金属X，Y之一”意味着或单独的金属X或单独的 金属Y，或者是两种金属的组合，即M＝XaYb，其中a+b＝1。

在白光LED的情况下使用类似于在本文开始的现有技术中所述的 结构。作为UV二极管(主辐射源)优选用GaInN或GaN或GaInAlN。 例如，它具有400nm峰值波长，20nm的半值宽度。该二极管衬底直接 或间接淀积有由三种荧光物质组成的悬浮体，每种荧光物质具有在 红、绿和蓝光谱段的发射最大值。从这些荧光物质中至少从表1到3 选择一种，并且或与公知的荧光物质组合，或与另外的表中的荧光物 质组合。该荧光物质混合体在约200℃的温度下烘烤。因此达到典型 为80的显性。

附图说明

本发明依靠多个实施例详细说明如下。其附图有：

图1示出用作白光光源(LED)的半导体结构元件；

图2示出根据本发明的具有荧光物质的照明单元；

图3到图17示出根据本发明的、具有各种荧光物质的LED的发射 谱。

具体实施方式

为了在白光LED内与GaInN芯片一起投入使用，例如使用与US 5 998 925所述类似的结构。用于白光的这类光源的结构在图1一目了 然地示出。该光源是具有第1和第2电引线2、3的峰值发射波长为 420nm和半值宽度为25nm的InGaN型半导体结构元件(芯片1)，放 入在不透光的主外壳8的空隙9内。引线之一3是经压焊丝14与芯 片1连接。空隙具有用作芯片蓝光主辐射的反射器的壁17。该空隙9 充填填料5，该填料作为主要成分包含环氧热塑合成树脂(80到90 重量％)和荧光物质素6(少于15重量％)。其它微量成分尚有甲醚 和硅胶。荧光物质素是混合物。第1转化荧光物质从表1选择。第 2荧光物质从表2，第3荧光物质从表3分别选择。

在图2示出了平面灯20作为照明单元的一截面。它由其上粘合一 只四方形外壳22的一个共同的支架21构成。它的上侧配有一个共同 的盖板23。该四方形外壳具有一个空隙，其内安置单个半导体结构元 件24。它们是具有峰值发射380nm的发射UV的发光二极管。借助于 直接在单个LED的热塑合成树脂内(类似于图1所描述的)的变换层 或安装在UV辐射可达到的所有平面上的层25来实现变换为白光。外 壳侧壁、盖板和底部的内表面属于此。在利用从表1~3的本发明荧光 物质中至少一种的条件下，变换层25由在黄、绿、蓝光谱段发射 的三种荧光物质构成。

组合所考察的荧光物质的一些具体实施例汇集在表4内。它涉及 在所有三种光谱段内合适的、本发明的和众知的荧光物质的汇集。在 第1列给出考察的序号。在第2列中给出荧光物质的化学式，在第3 列给出荧光物质的发射最大值，在第4和第5列给出X和Y标。在 第6和第7列给出反射系数和量子效率(都用％表示)。

尤其优选ZnS荧光物质用于LED。它在LED环境内示出良好的加 工性能。首先表4涉及发蓝光的荧光物质ZnS∶Ag，发绿光的荧光物质 ZnS∶Cu，Al和发红光的荧光物质ZnS∶Cu，Mn。必须强调，在通过用 370到410nm光波段的主辐射LED激励的情况下，用这三种荧光物质 可以制造发白光的荧光物质混合体，参阅图6的实施例6。因为这3 种荧光物质化学上几乎是相同的材料，所以它们可以极好地在热塑合 成树脂内或其它树脂内或在灌浆状态加工成荧光物质混合体。

表4 化学式号                                  Em     x       y       R(％) Q.E(％) 1  Ba3MgSi2O8∶Eu(5％)                440    0,16    0,07    42    50 2  (Ba0,15Sr0,85)5(PO4)3Cl∶Eu2+     448    0,15    0,05    46    76 3  ZnS∶Ag                                452    0,14    0,07    76    63 4  (Ba，Sr)MgAl10O17∶Eu2+              454    0,15    0,08    49    83 5  SrMgAl10O17∶Eu2+                    467    0,15    0,19    63    92 6  EuMgAl10O17                          481    0,17    0,31    35    63 7  ZnS∶Cu                                506    0,19    0,43    22    48 8  Ba0.74Eu0.08Al12O18.82                507    0,22    0,43    52    87 9  Ca8Mg(SiO4)4Cl2∶Eu2+             508    0,17    0,6     34    67 10 ZnS∶Cu                                510    0,2     0,46    16    55 11 BaMgAl10O17∶Eu2+，Mn2+              513    0,14    0,21    64    95 12 Ba0.72Eu0.05Mn0.05Al12O18.82         514    0,21    0,48    71    97 13 BaMgAl10O17∶Eu2+，Mn2+              515    0,14    0,65    39    88 14 (Sr，Ba)SiO4∶Eu2+                    517    0,23    0,61    54 15 SrAl2O4∶Eu2+                        523    0,29    0,58    28    77 16 ZnS∶Cu，Al                             534    0,31    0,61    29    83 17 YBO3∶(Ce3+，Tb3+)(9.5％/5％)          545    0,34    0,59    80    69 18 Ca8Mg(SiO4)4Cl2∶Eu2+，Mn2+        550    0,38    0,57    30    61 19 Sr1.95Ba0.03Eu0.02SiO4                563    0,44    0,53    21 20 Sr2P2O7∶Eu2+，Mn2+                 570    0,32    0,27    63    46 21 ZnS∶Cu，Mn                             585    0,49    0,45    19    44 22 Gd2MoO6∶Eu3+(20％)                  610    0,66    0,34    50 23 Y2W0.98Mo0.02O6∶Eu3+              612    0,61    0,38    68    73 24 Y2WO6∶Eu3+，Bi3+(7.5％，0.5％)      612    0,64    0,36    52 25 Lu2WO6∶Eu3+，Bi3+(7.5％，1％)       612    0,64    0,36    65 26 SrS∶Eu2+(2％)                          616    0,63    0,37    52    91 27 La2TeO6∶Eu3+(％)                    617    0,66    0,34    76 28 (La，Y)2O2S∶Eu3+(..)                626    0,67    0,33    84    73 29 Sr2Si5N8∶Eu2+(10％)                636    0,64    0,36    12    70 30 (Ba，Ca，Sr)MgSi2O8∶Eu，Mn          657    0,39    0,16    47    52

第14号荧光物质(Sr，Ba)SiO4∶Eu2+在绿光里如此宽带，以致在 这里不需要单独的红光成分。

最后，在表6示出表4的荧光物质与具有发射峰值在光波段370 到420nm的一个主光源(UV-LED)相结合的具体15个实施例。个别 的UV二极管汇集在表5内，其中，给出了单个二极管的发射峰值和 品位置(就定义而论，从380nm起)。

为了更好地比较，在表6的列1到列4内再次插入表4的数据。 在列5到10记录了单个荧光物质在各种波长情况下激励的可用性， 也就是说系统地对于单个物质在具有发射峰值在370到420nm、间隔 为10nm的短波二极管情况下的可用性。随后第15列示出了RGB混合 的具体例子(称为Ex1到Ex15)，就是说，短波LED(第2列给出选 择的峰值发射)与由红、绿、蓝光谱段组成的荧光物质的组合。在各 列内给出的数字表示光谱发射的相对份额。

在380nm以下的强短波UV二极管情况下，也由于通过三种荧光物 质的强烈吸收，UV二极管几乎不提供次级发射的任何份额。 然而从380nm的主发射开始，除蓝荧光物质外，二极管对蓝荧光 物质还提供微小的、随着波长上升而上升的额外的蓝光份额。这个份 额在表5内作为附加的第4份额出现。

最后，在表6的最后2行记录了整个系统的、复盖了比图表中 较宽白调波段的所测得的标。该系统的光谱分布在图3(相应于 EX1)到图7(相应于EX15)内描绘。

对发蓝光的第2，4和6号荧光物质；发绿光的第8，9，10，13， 15，16，17，18号荧光物质以及发红光的荧光物质26，28和28，已 经证明在370到420nm的主辐射的情况下，它们特别合适作为三混 合中应用的荧光物质。

第15号实施例利用了具有420nm峰值发射的、具有如此高强度 的发蓝光二极管，以致它可以完全取代蓝荧光物质，并且只需要2个 附加的绿和红光荧光物质。

                                    表5