專利名稱：聚合物波長轉(zhuǎn)換元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及波長轉(zhuǎn)換元件、其制造方法以及利用這種波長轉(zhuǎn)換元件的發(fā)光設(shè)備。
背景技術(shù)：
在許多照明設(shè)備的應(yīng)用中，發(fā)光二極管(LED)正逐漸成為傳統(tǒng)照明設(shè)備諸如熒光燈管和燈泡的替代品。具有高光輸出的高功率LED的發(fā)展擴大了 LED用于傳統(tǒng)照明目的方面的領(lǐng)域。由于其構(gòu)造和功能機理，LED在相當(dāng)窄的波段內(nèi)發(fā)光，且例如，傳統(tǒng)的LED發(fā)射紫外、藍(lán)、綠、紅或紅外波段的光。在傳統(tǒng)的照明應(yīng)用中，通常需要“白”光，并已經(jīng)開發(fā)了幾種方法來將LED的單色燈轉(zhuǎn)換為白光。在一種方法中，來自紅、綠和藍(lán)色發(fā)光二極管的光混合成白光。在另一種方法中，發(fā)光二極管(通常是藍(lán)色發(fā)光二極管)具有部分地將所發(fā)出的光轉(zhuǎn)換成為另一種顏色的波長轉(zhuǎn)換材料的。例如，通過提供具有將所需部分的藍(lán)光轉(zhuǎn)換成為黃光的黃色光波長轉(zhuǎn)換材料的藍(lán)色發(fā)光LED，未轉(zhuǎn)換的藍(lán)光和經(jīng)轉(zhuǎn)換的黃光的混合產(chǎn)生略帶白色的光。轉(zhuǎn)換波長的LED的這后一種方法已經(jīng)證明為實現(xiàn)輸出光的需要的色彩的有吸引力的途徑。對于用于這些應(yīng)用類型中的波長轉(zhuǎn)換材料，存在一些要求。高功率LED在發(fā)射高強度的光時耗散大量的熱能，且安排在這種LED上或其附近的波長轉(zhuǎn)換材料需要是熱穩(wěn)定的，且也需要是光穩(wěn)定的，以確保長的使用壽命和在該設(shè)備的整個使用期限中一致的顏色。此外，波長轉(zhuǎn)換程度取決于波長轉(zhuǎn)換材料中活性物質(zhì)的濃度以及材料的厚度。因此，厚度和濃度應(yīng)該能被精確控制。US 2004/0145308A1描述了一種陶瓷波長轉(zhuǎn)換元件，該元件由摻雜有活化劑(如鈰)的釔鋁石榴石(YAG)多晶陶瓷體形成。然而，可用于制造這種波長轉(zhuǎn)換元件的陶瓷材料的數(shù)量是相當(dāng)?shù)偷?，這限制了精細(xì)調(diào)節(jié)波長轉(zhuǎn)換的可能性。此外，在非常高的溫度下進(jìn)行陶瓷材料的燒結(jié)，這對許多發(fā)光材料(如有機物質(zhì))有害。此外，陶瓷波長轉(zhuǎn)換元件的精確的生產(chǎn)后成型是困難的。因此，對于用于制造溫度和光穩(wěn)定的波長轉(zhuǎn)換元件的新材料存在需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是至少部分地克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，并提供波長轉(zhuǎn)換元件的替代材料。本發(fā)明人驚訝地發(fā)現(xiàn)，交聯(lián)聚硅氧烷是用于包含發(fā)光顆粒的波長轉(zhuǎn)換元件的合適基質(zhì)材料。發(fā)光顆?？梢苑稚⒃诰酃柩跬橹校渲蠼宦?lián)以形成固體。在交聯(lián)的(兩者都是可接受的，只是總是使用同樣的形式)聚硅氧烷中，有可能保持發(fā)光顆?；旧暇鶆虻胤植?，同時避免發(fā)光顆粒團聚或相分離。特 別地，這可以在不使用表面活性劑或沒有發(fā)光顆粒表面的修飾的情況下獲得。因此，在第一方面，本發(fā)明涉及一種包含分散在包括交聯(lián)聚硅氧烷的基質(zhì)中的發(fā)光顆粒的波長轉(zhuǎn)換元件。本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件可以形成為自支持的元件，其可以在獨立的步驟中制造和隨后安置以使用。另外，波長轉(zhuǎn)換元件可以“原位”形成，諸如直接在發(fā)光二極管的表面上形成。此外，由于波長轉(zhuǎn)換聚合物元件的固體和堅固狀態(tài)，在加工步驟過程中，厚度可以很容易地調(diào)整到所需的值(即控制旋涂參數(shù))。此外，使用的聚合物具有有利于顆粒的良好分散而不需要表面活性劑或顆粒表面修飾，并可以提供在整個聚合物轉(zhuǎn)換器元件中單個發(fā)光顆粒均勻分布的聚合物轉(zhuǎn)換器的初始粘度值。交聯(lián)聚硅氧烷是溫度穩(wěn)定的(通常在高達(dá)300°C以上的溫度下)，這意味著它們在發(fā)光二極管的正常工作條件下是穩(wěn)定的。交聯(lián)聚硅氧烷進(jìn)一步在暴露于光照下是穩(wěn)定的，這意味著它們將不會由于高強度的光照而降解/褪色。聚合物波長轉(zhuǎn)換器可以很容易地成型為不同形式。這可能導(dǎo)致來自LED轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的光會更好的外部耦合(outcoupling)。此外，本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件具有固有的彈性，使得它們具有良好的耐受熱應(yīng)力的能力，例如由于波長轉(zhuǎn)換元件和發(fā)光二極管之間不同的熱膨脹系數(shù)。該波長轉(zhuǎn)換元件的彈性也是有利的，因為該元件的形狀可以被操控，例如如果需要的話可以彎曲以使其適合于其預(yù)期安置在上面的基底。在實施方式中，波長轉(zhuǎn)換元件可以包括至少包含第一發(fā)光材料的第一亞層和包含第二發(fā)光顆粒的第二亞層。對于一些應(yīng)用，對于第一波長轉(zhuǎn)換利用第一波長轉(zhuǎn)換元件和隨后對于不同的第二波長轉(zhuǎn)換利用第二波長轉(zhuǎn)換元件是有利的。通過在同一基質(zhì)的不同亞層中排列不同的發(fā)光材料，可以避免任何不希望的光學(xué)效應(yīng)和獨立元件之間的界面的分層。還可以向該結(jié)構(gòu)中添加含有或不含有發(fā)光顆粒的其它亞層。在本發(fā)明的實施方式中，所述基質(zhì)包括交聯(lián)的聚(二甲基硅氧烷)。交聯(lián)PDMS在熱和光穩(wěn)定性方面以及保持均勻分布在基質(zhì)中的高濃度發(fā)光材料而同時避免發(fā)光顆粒的團聚或相分離方面已顯示出優(yōu)良性能。進(jìn)一步地，PDMS是一種相對廉價的材料，從而導(dǎo)致波長轉(zhuǎn)換元件低成本大規(guī)模制造的可能性。在本發(fā)明的實施方式中，所述發(fā)光顆粒是陶瓷顆粒。已知陶瓷顆粒難以均勻地分布在聚合物基質(zhì)中。但是，所提出的交聯(lián)聚硅氧烷基質(zhì)已被證明具有保持均勻和獨立地分布在聚合物基質(zhì)中的大量陶瓷顆粒的能力。在本發(fā)明的實施方式中，所述顆粒的表面是陶瓷材料的。交聯(lián)聚硅氧烷基質(zhì)能夠保持均勻且獨立地分布的發(fā)光顆粒、尤其是陶瓷發(fā)光顆粒，而不需要額外的表面活性劑或顆粒表面修飾。這消除了發(fā)光顆粒的加工前表面修飾的需要。在第二方面，本發(fā)明涉及一種發(fā)光設(shè)備，包括發(fā)光二極管和安置的用來接收來自所述發(fā)光二極管發(fā)射的光的本發(fā)明波長轉(zhuǎn)換元件。
在本發(fā)明的實施方式中，任選地通過粘結(jié)材料將波長轉(zhuǎn)換元件安置在發(fā)光二極管的光發(fā)射表面上。在替代的實施方式中，波長轉(zhuǎn)換元件和發(fā)光二極管相互隔開安置。在第三方面，本發(fā)明涉及一種制造波長轉(zhuǎn)換元件的方法，所述方法包括 提供包含至少分散在可交聯(lián)的聚硅氧烷中的發(fā)光顆粒的分散體；和交聯(lián)所述分散體以獲得固體波長轉(zhuǎn)換元件。該方法允許獨立地制造波長轉(zhuǎn)換元件，該波長轉(zhuǎn)換元件可以在后面階段安置在發(fā)光二極管上。在交聯(lián)之前向聚硅氧烷聚合物添加發(fā)光顆粒獲得了發(fā)光顆粒在波長轉(zhuǎn)換元件中的良好控制的濃度和分散性。該方法還允許直接在基底(諸如LED的光發(fā)射表面)上交聯(lián)分散體，從而獲得LED 和光學(xué)波長轉(zhuǎn)換元件之間的良好光學(xué)結(jié)合(optical bond)而不需要粘結(jié)材料。在實施方式中，聚硅氧烷包括二乙烯基官能化聚(二甲基硅氧烷)。此外，分散體可能進(jìn)一步包含交聯(lián)劑，例如但不限于四(二甲基甲硅烷氧基)硅焼。在實施方式中，在實現(xiàn)所述交聯(lián)的分散體之前將分散體在基底上沉積為層。在本發(fā)明的實施方式中，在交聯(lián)所述分散體之前，模制分散體為所需的形狀。在本發(fā)明的實施方式中，該方法包括提供發(fā)光顆粒在可交聯(lián)聚硅氧烷中的第一分散體和發(fā)光顆粒在可交聯(lián)聚硅氧烷中的第二分散體；沉積所述第一分散體的第一層；交聯(lián)所述第一分散體；在所述第一層上沉積所述第二分散體的第二層；和交聯(lián)所述第二分散體。在第四方面，本發(fā)明涉及一種制造發(fā)光設(shè)備的方法，包括提供發(fā)光二極管；和安置本發(fā)明的或根據(jù)本發(fā)明的方法制造的波長轉(zhuǎn)換元件以接收所述發(fā)光二極管所發(fā)出的至少部分的光。需要進(jìn)一步注意的是，本發(fā)明涉及權(quán)利要求中所述特征的所有可能的組合。附圖簡述參考顯示本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實施方式的附圖，下面詳細(xì)介紹本發(fā)明的這些和其他方面。

圖1說明本發(fā)明的發(fā)光設(shè)備。圖2說明本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的多層實施方式。圖3說明單獨的波長轉(zhuǎn)換元件的堆疊(stack)。圖4a和b顯示本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的SEM圖像。圖5a和b顯示本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的SEM圖像。
具體實施例方式本發(fā)明的發(fā)光設(shè)備100的一個實施方式在圖1中示意性地顯示，并包括具有指向上的主光發(fā)射表面102的發(fā)光二極管(LED) 101。本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件104安置在光發(fā)射表面102上，任選地通過光透射粘結(jié)材料103。在替代的實施方式中，波長轉(zhuǎn)換元件104可以以遠(yuǎn)離LED 101的一定距離安置。例如，本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件可以放置在離一個或多個LED—定距離處，例如形成燈的輸出窗口。應(yīng)該認(rèn)識到這些實施方式也包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。LED 101通過其發(fā)光表面102發(fā)光，經(jīng)過任選的粘結(jié)材料103，進(jìn)入波長轉(zhuǎn)換元件 104。LED光(未轉(zhuǎn)換的光)的第一部分被波長轉(zhuǎn)換材料中的發(fā)光材料吸收，并作為具有不同于未轉(zhuǎn)換的光的波長分布的轉(zhuǎn)換光重新發(fā)出。盡管也存在導(dǎo)致藍(lán)移的發(fā)光材料，通常情況下轉(zhuǎn)換的光相對于未轉(zhuǎn)換的光紅移。未轉(zhuǎn)換的光的第二部分未轉(zhuǎn)換地通過波長轉(zhuǎn)換元件，從而轉(zhuǎn)換的和未轉(zhuǎn)換的光的混合射出波長轉(zhuǎn)換元件。需要注意的是，例如，如果發(fā)光材料的濃度非常高，或者如果波長轉(zhuǎn)換元件的厚度非常高，則通過波長轉(zhuǎn)換元件的未轉(zhuǎn)換的光的部分可以是0或至少接近于 O0在實施方式中，發(fā)光二極管101在藍(lán)光范圍內(nèi)或其附近發(fā)光，且波長轉(zhuǎn)換元件能夠?qū)⑦@種帶藍(lán)色的(blueish)光轉(zhuǎn)換成黃光。藍(lán)光和黃光的混合產(chǎn)生白光。本文所用的術(shù)語“發(fā)光二極管”指本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何種類的發(fā)光二極管， 諸如但不限于基于無機物質(zhì)的發(fā)光二極管，基于聚合物的LED(PLED)和基于有機物質(zhì)的發(fā)光二極管(OLED)。波長轉(zhuǎn)換元件104包括分布(如分散)在交聯(lián)聚硅氧烷的基質(zhì)材料106中的發(fā)光顆粒105。這產(chǎn)生了具有良好控制的發(fā)光顆粒濃度的固體波長轉(zhuǎn)換元件。選擇基質(zhì)材料中的發(fā)光顆粒濃度，以對于一定厚度的波長轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)所需的光轉(zhuǎn)換程度?？梢詫崿F(xiàn)高達(dá)大約30% (ν/ν)的發(fā)光材料濃度而同時保持發(fā)光顆粒在基質(zhì)中的均勻分布。通常情況下，發(fā)光材料的濃度為3%至30% (ν/ν)，如5%至20%。本文所用的術(shù)語“發(fā)光顆?！敝溉魏尉哂羞m用于本申請中的熒光和/或磷光發(fā)光性能的發(fā)光材料的顆粒。發(fā)光顆?？梢允菃我徊牧系幕蚩梢允莾煞N或多種這樣的顆粒的混合物。發(fā)光顆粒的非限制性的例子包括無機和有機發(fā)光顆粒。典型的例子包括陶瓷發(fā)光顆粒，例如但不限于以下通式的鑭系元素激活的镥、釔和/或釓鋁石榴石 (LUl_x丁a_bYxGdy) 3 (Al1^uGazSiu) 5012_UNU: CeaPrb其中0 彡χ彡 1，0彡y 彡 1，0<ζ<0·1，0彡 u 彡0.2，0<a<0.2和 0<b<0.1， 如Lu3Al5O12: Ce3+(LuAG Ce)和Y3Al5O12 Ce3+(YAG Ce)及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其他發(fā)光材料，諸如下列通式的陶瓷磷光體材料MHh-XVh—zMHVx+A—A CexEuyMn 選自 Ca、Sr、Mg、Ba、Zn、Yb、Mn ；Miv 選自 Si、Ge、C、Zr、Hf，和 Mm 選自 Al、B、k、 Ga 和 Lu，諸如 CaAlSiN3:Eu。選擇波長轉(zhuǎn)換元件中的發(fā)光顆粒以匹配發(fā)光二極管的發(fā)射波長，從而使發(fā)光顆粒能夠轉(zhuǎn)換需要部分的未轉(zhuǎn)換的光。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以認(rèn)識到，本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件中的發(fā)光顆?？梢允蔷哂谢鞠嗤幕瘜W(xué)組成的多種顆粒，或可以代表具有不同化學(xué)組成的兩種或更多種類型的發(fā)光顆粒的混合物。兩種或更多種類型的發(fā)光顆粒的混合物可用于調(diào)整激發(fā)波長范圍和發(fā)射波長帶，從而獲得在感知的顏色方面所需的光輸出。本發(fā)明的一個有利的性質(zhì)是所提出的聚硅氧烷基質(zhì)能夠保持獨立地分散且均勻地分布的發(fā)光顆粒而無需任何發(fā)光顆粒的表面修飾或表面活性劑。因此，當(dāng)提到陶瓷發(fā)光顆粒時，它們可以具有陶瓷(即未修飾的)表面?；|(zhì)106包括交聯(lián)聚硅氧烷，其中分布光致發(fā)光材料105。聚硅氧烷是具有功能性側(cè)鏈的聚合的硅氧烷。代表性的例子包括聚(二甲基硅氧烷)PDMS和聚(二苯基硅氧烷)PDPS，雖然其他聚硅氧烷也包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。為了使聚硅氧烷為可交聯(lián)的，通常在聚硅氧烷上需要反應(yīng)性的官能團。例如，聚硅氧烷可以是乙烯基封端或羥基封端的。交聯(lián)聚硅氧烷已被證明具有保持大量的陶瓷顆粒(如上述鋁石榴石)而沒有顆粒的團聚或沉積的能力。因此，該基質(zhì)材料已被證明是用于波長轉(zhuǎn)換元件的優(yōu)良選擇。通常情況下，交聯(lián)聚硅氧烷為交聯(lián)的聚(二甲基硅氧烷)(交聯(lián)的nPDMS，4 < η < 500，通常4 < η < 270)。已經(jīng)表明，PDMS尤其適合作為用于本發(fā)明的基質(zhì)材料，因為它顯現(xiàn)出對于溫度和光照的高的抗性。nPDMS聚合物也顯示出使它們對于單獨和均勻地分散發(fā)光顆粒而不使用表面活性劑和無需進(jìn)行顆粒表面的修飾以提高相容性非常有吸引力的初始的粘度水平。下面概括地描述制造本發(fā)明的波長轉(zhuǎn)換元件的方法。例如通過傳統(tǒng)涂層方法，如手術(shù)刀刮涂、旋涂等，將包含聚硅氧烷、交聯(lián)劑、發(fā)光材料和催化劑溶液的反應(yīng)混合物在基底上展開至需要的厚度。合適的基底包括但不限于熱塑性塑料基底，諸如聚碳酸酯、交聯(lián)的PE或PMMA以及玻璃、藍(lán)寶石和硅。在展開的反應(yīng)混合物中實現(xiàn)交聯(lián)以形成交聯(lián)聚硅氧烷基質(zhì)的固化層，其中發(fā)光顆粒獨立且均勻地分布。通常情況下，聚硅氧烷和發(fā)光顆粒在向反應(yīng)混合物中加入交聯(lián)劑和催化劑溶液之前預(yù)混合。在展開的反應(yīng)混合物中實現(xiàn)交聯(lián)的手段取決于引發(fā)劑/催化劑的類型和濃度、 交聯(lián)劑的類型和濃度及溫度(例如，在不同的值下逐步固化)，但交聯(lián)通常通過施加熱量較長的時間來實現(xiàn)。如果需要，基底可以除去以形成本發(fā)明的自支持的波長轉(zhuǎn)換元件，且固化層可以很容易地分割為多個所需大小的波長轉(zhuǎn)換元件。由于發(fā)光材料在基質(zhì)材料中均勻分布的事實，可以通過控制工藝參數(shù)(即旋涂條件或溶劑的加入)來調(diào)整波長轉(zhuǎn)換元件的厚度至所需的值。反應(yīng)混合物中的聚硅氧烷可以由基本上直鏈的聚(二甲基硅氧烷)代表，如式I 的雙官能乙烯基封端的聚(二甲基硅氧烷)。
權(quán)利要求
1.一種波長轉(zhuǎn)換元件(104、200)，包含分散在包括交聯(lián)聚硅氧烷的基質(zhì)(106)中的發(fā)光顆粒(105)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波長轉(zhuǎn)換元件(104、200)，包括至少包含第一發(fā)光顆粒組成 (211)的第一亞層(201)和包含第二發(fā)光顆粒組成012)的第二亞層(202)。
3.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的波長轉(zhuǎn)換元件(104、200)，其中，所述基質(zhì)包括交聯(lián)的聚(二甲基硅氧烷)。
4.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的波長轉(zhuǎn)換元件(104、200)，其中，所述發(fā)光顆粒是陶瓷顆粒。
5.根據(jù)前述任一項權(quán)利要求所述的波長轉(zhuǎn)換元件(104、200)，其中，所述顆粒的表面是陶瓷材料的。
6.一種發(fā)光設(shè)備(100)，包括發(fā)光二極管(101)和安置的用來接收由所述發(fā)光二極管發(fā)射的光的權(quán)利要求1至5的任一項所述的波長轉(zhuǎn)換元件(104)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述波長轉(zhuǎn)換元件(104)被安置在所述發(fā)光二極管的光發(fā)射表面(10 上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光設(shè)備，其中，所述波長轉(zhuǎn)換元件(104)和所述發(fā)光二極管 (101)相互隔開安置。
9.一種制造波長轉(zhuǎn)換元件的方法，所述方法包括-提供包含至少分散在可交聯(lián)的聚硅氧烷中的發(fā)光顆粒的分散體；和-交聯(lián)所述分散體以獲得固體波長轉(zhuǎn)換元件。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中，所述聚硅氧烷包括二乙烯基官能化聚(二甲基硅氧烷)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9至10的任一項所述的方法，其中，所述分散體還包含交聯(lián)劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求9至11的任一項所述的方法，其中，所述交聯(lián)劑是四(二甲基甲硅烷氧基)硅烷。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在實現(xiàn)所述交聯(lián)分散體之前將所述聚硅氧烷沉積為層。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括在交聯(lián)所述分散體之前模制所述分散體為所需的形狀。
15.根據(jù)權(quán)利要求9至14的任一項所述的方法，包括-提供發(fā)光顆粒在可交聯(lián)聚硅氧烷中的第一分散體和發(fā)光顆粒在可交聯(lián)聚硅氧烷中的第二分散體；-沉積所述第一分散體的第一層；-交聯(lián)所述第一分散體；-在所述第一層上沉積所述第二分散體的第二層；和-交聯(lián)所述第二分散體。
全文摘要
本發(fā)明提供了通常用于LED(101)的波長轉(zhuǎn)換元件(104)，其包含分散在包括交聯(lián)聚硅氧烷的基質(zhì)(106)中的發(fā)光顆粒(105)。交聯(lián)聚硅氧烷是溫度穩(wěn)定的(通常在高達(dá)300℃以上的溫度下)，這意味著它們在發(fā)光二極管的正常工作條件下是穩(wěn)定的。此外，交聯(lián)聚硅氧烷在暴露于光照下是穩(wěn)定的，這意味著它們將不會由于高強度的光照射而降解/褪色。該聚合波長轉(zhuǎn)換器可以很容易地成型為不同形式。這可能導(dǎo)致來自LED轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的光會更好地外部耦合。
文檔編號H01J9/00GK102159664SQ200980136171
公開日2011年8月17日 申請日期2009年9月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月16日
發(fā)明者A·C·德卡爾瓦爾霍埃斯特維斯, C·H·M·馬雷, G·德維斯, J·C·M·布羅肯-齊杰普, J·拉文, N·范德維恩, R·科皮克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司