Сид-модуль с преобразованием люминофором с улучшенными передачей белого цвета и эффективностью преобразования

Сид-модуль с преобразованием люминофором с улучшенными передачей белого цвета и эффективностью преобразования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к осветительному устройству и преобразующему длину волны элементу для использования в таком осветительном устройстве.

Уровень техники, к которой относится изобретение

В области техники известны осветительные системы с несколькими люминофорами. Например, US 2012043552 описывает СИД (светодиодную) лампу накачки выбранных длин волн, имеющую несколько люминофоров. В различных вариантах осуществления этого предшествующего уровня техники светодиоды, испускающие излучение при фиолетовых и/или ультрафиолетовых длинах волн, используют для накачки люминофорных материалов, которые излучают свет иной частоты. СИДы для накачки характеризуются как имеющие длину волны пикового излучения от примерно 405 до 430 нм при нормальной работе. Их применяют в сочетании с по меньшей мере преобразующим в синий свет люминофором с сильным поглощением на длинах волн за пределами примерно 405 нм. В определенных вариантах осуществления СИДы, работающие в диапазонах различных длин волн, размещают в комбинации для уменьшения повторного поглощения излучения и улучшения эффективности светоотдачи. US 2012043552 предлагает оптическое устройство, которое содержит монтажный элемент и по меньшей мере один светоизлучающий диод, покрывающий часть монтажного элемента. СИД включает содержащую галлий и азот подложку, имеющую поверхностную область, и содержащий галлий и азот буферный слой, покрывающий поверхностную область. Активная область испускает электромагнитное излучение с максимумом при длинах волн в диапазоне от примерно 405 нм до примерно 430 нм. СИД имеет электрические контакты для подачи электрического тока в область перехода. Дополнительно данное устройство содержит смесь трех люминофорных материалов в связующем материале. Смесь люминофорных материалов, расположенная в окрестностях СИДа, взаимодействует с электромагнитным излучением от СИДа для преобразования электромагнитного излучения в диапазон длин волн от примерно 440 до 650 нанометров. В другом варианте осуществления устройство содержит преобразующий в синий свет люминофорный материал в окрестностях СИД-устройства, проявляющий сильное поглощение при длинах волн более чем примерно 405 нм.

WO 2014/068440 описывает осветительное устройство, содержащее источник синего света, источник зеленого света, первый источник красного света, содержащий первый красный люминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечения красного света со спектральным светораспределением в широкой полосе частот, и второй источник красного света, содержащий второй красный люминесцентный материал, выполненный с возможностью обеспечения красного света со спектральным светораспределением, включающим одну или более линий излучения красного света. В частности, первый красный люминесцентный материал содержит (Mg,Ca,Sr)AlSiN₃:Eu и/или (Ba,Sr,Ca)₂Si_5-xAl_xO_xN_8-x:Eu, а второй красный люминесцентный материал содержит K₂SiF₆:Mn.

US 2004217364 описывает излучающую белый свет лампу, включающую твердотельный ультрафиолетовый (УФ) излучатель, который испускает свет в спектре ультрафиолетовой длины волны. Преобразующий материал выполнен с возможностью поглощения по меньшей мере некоторой части света, испускаемого УФ-излучателем, и повторного излучения света при одном или более иных значениях длины волны. Здесь присутствуют один или более комплементарных твердотельных излучателей, которые испускают свет при иных значениях длины волны, чем УФ-излучатель и преобразующий материал. Данная лампа излучает белый свет, представляющий собой комбинацию света, испускаемого комплементарными излучателями и из преобразующего материала, причем этот белый свет имеет высокую эффективности и хорошую цветопередачу. Другие варианты осуществления излучающей белый свет лампы в соответствие с настоящим изобретением содержат твердотельный лазер вместо УФ-излучателя.

Сущность изобретения

В продаже имеются СИД-лампы, содержащие светодиодные модули типа кристалл на печатной плате (CoB), демонстрирующие улучшенное воспроизведение белого света благодаря излучению в фиолетовом диапазоне спектра. Эти СИД-модули содержат в качестве основы, например, излучающие фиолетовый свет СИДы и смеси преобразующих в синий, зеленый и красный цвета люминофоров для формирования белого спектра с высоким индексом цветопередачи (ИЦП) и дополнительного излучения в фиолетовом диапазоне спектра вследствие рассеяния света накачки СИДами через люминофорный слой.

Даже несмотря на то, что эти СИД-лампы с фиолетовой накачкой демонстрируют превосходную цветопередачу и улучшенное воспроизведение белого света вследствие максимума излучения около 410 нм, преобразование высокоэнергетических фотонов фиолетового света в фотоны видимого света смесью преобразующих в красный, зеленый и синий (RGB) цвета люминофоров приводит к довольно низкой энергоэффективности из-за больших потерь Стокса (Stokes). Кроме того, доля непреобразованного фиолетового света должна быть довольно высокой, поскольку увеличенная оптическая толщина люминофорного слоя, приводящая к усиленному преобразованию с уменьшением частоты люминесценции, могла бы значительно снижать эффективность преобразования из-за потерь на рассеяние. Потери на рассеяние в рамках концепции люминофорного слоя с фиолетовой накачкой + RGB-люминофора являются высокими, потому что большая доля синего света, излучаемого преобразующим в синий свет люминофором на основе Eu(II) (M₃MgSi₂O₈:Eu или M₅(PO₄)₃Cl:Eu, где в качестве M, как правило, используются Ca, Sr, Ba), поглощается применяемыми излучающими зелено-желтый и красный свет люминофорам.

Однако высокое содержание фиолетового излучения в белом спектре считается вредным из-за повышенной фотореакционной способности фиолетового света по сравнению с синим светом. Усовершенствованная концепция относительно уменьшенного содержания фиолетового света в спектре и световой эффективности по мощности может представлять собой светодиодный модуль, в котором комбинируют СИДы фиолетового свечения с СИДами синего свечения и смесью люминофоров, демонстрирующий преобразование в свет от зеленого до красного, с обеспечением системы, в которой сочетаются высокая цветопередача и улучшенное воспроизведение белого света. Поскольку здесь комбинируют СИДы фиолетового свечения и СИДы синего свечения, потери Стокса уменьшаются, и, таким образом, СИД-модули являются более энергоэффективными. Содержание в спектре фотоактивного фиолетового света можно легче регулировать с этой концепцией без ущерба для эффективности преобразования света с понижением частоты люминофорами, чем в подходе со смесью СИД фиолетового свечения + RGB-люминофор. Однако у данной концепции остается недостаток, заключающийся в том, что описанные излучающие красный свет люминофоры, такие как (Ca,Sr)SiAlN₃:Eu или (Ba,Sr,Ca)₂Si_5-xAl_xN_8-xO_x:Eu, демонстирируют более сильное поглощение в фиолетовом, чем в синем диапазоне спектра, и, таким образом, фотоны фиолетового света в значительном количестве преобразуются в фотоны красного света.

Следовательно, аспектом изобретения является обеспечение альтернативного устройства с улучшенным воспроизведением белого света и улучшенной эффективностью преобразования, которые, таким образом, предпочтительно устраняют, по меньшей мере частично, один или более из описанных выше недостатков.

Таким образом, в первом аспекте изобретение предлагает осветительное устройство (СИД-модуль с преобразованием люминофором), включающий:

- первый твердотельный источник света (здесь также обозначен как "первый источник света"), выполненный с возможностью подачи УФ-излучения ("излучение первого источника света" или "УФ-свет") с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм;

- второй твердотельный источник света (здесь также обозначен как "второй источник света"), выполненный с возможностью подачи синего света (здесь также обозначен как "излучение второго источника света") с длиной волны, выбираемой из диапазона 440-470 нм;

- преобразующий длину волны элемент, содержащий:

- первый люминесцентный материал, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом от второго твердотельного источника света, света первого люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длины волны зеленого и желтого света, и причем возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом; и

- второй люминесцентный материал, выполненный с возможностью подачи, при возбуждении синим светом от второго твердотельного источника света, света второго люминесцентного материала с длиной волны, выбираемой из диапазона длины волны оранжевого и красного света, и причем возбуждаемость второго люминесцентного материала (также) УФ-излучением меньше, чем синим светом, как дополнительно охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.

Неожиданно оказалось, что такое устройство может обеспечивать белый свет с высокой эффективностью, высокой цветопередачей и высокой степенью воспроизведения белого света, в отличие от устройств предшествующего уровня техники, в которых, например, большой сдвиг Стокса приводит к значительным потерям. С помощью настоящего изобретения два люминесцентных материала могут обеспечивать белый свет, используя синий свет от второго твердотельного источника света. УФ-излучение дополнительно улучшает воспроизведение белого света для света осветительного устройства, который включает в конкретном варианте осуществления (по меньшей мере временно) излучение первого источника света (т.е. УФ-свет первого источника света), свет второго источника света или синий свет и свет люминесцентных материалов от двух люминесцентных материалов. Таким образом, источники света и люминесцентные материалы выполнены с возможностью преобразования длины волны никакой части или только части УФ-излучения первого источника света и с возможностью преобразования части синего света второго источника света в видимое излучение, испускаемое по меньшей мере в одной или более из зеленой, желтой, оранжевой и красной частей спектра. Таким образом, настоящее изобретение основано, в частности, на принципе УФКЖС (УФ, красный, желтый и синий) или принципе УФКЗС (УФ, красный, зеленый и синий), хотя также могут быть возможными их комбинации (т.е. УФКЖЗС). Например, некоторые люминесцентные материалы на основе легированного церием граната люминесцируют как зеленым, так и желтым светом. Выражение "с длиной волны, выбираемой из диапазона 380-420 нм" и аналогичные выражения могут, в частности, указывать, что доминирующая длина волны находится в пределах этого диапазона длин волн. Таким образом, в частности, доминирующая длина волны первого источника света и доминирующая длина волны второго источника света, разумеется, являются неодинаковыми. Аналогичным образом, в частности, доминирующие длины волн первого люминесцентного материала и второго люминесцентного материала, разумеется, являются неодинаковыми (и обе они независимо отличаются от соответствующих доминирующих длин волн первого источника света и второго источника света). Таким образом, оптический спектр света осветительного устройства от УФ до красного может, в частности, включать по меньшей мере четыре максимума.

Термин "люминесцентный материал" может также относиться к множеству различных люминесцентных материалов. Таким образом, осветительное устройство может содержать более чем два различных люминесцентных материала, но по меньшей мере один, который квалифицируется как первый люминесцентный материал, и по меньшей мере один, который квалифицируется как второй люминесцентный материал. Таким образом, первый и второй люминесцентные материалы представляют собой различные люминесцентные материалы.

Термин "источник света" может также относиться к множеству источников света, такому как 2-20 (твердотельных) СИД-источников света. Таким образом, термин "СИД" может также относиться к множеству СИДов. Таким образом, осветительное устройство может содержать более двух различных источников света, но по меньшей мере один, который квалифицируется как первый источник света, и по меньшей мере один, который квалифицируется как второй источник света. Таким образом, первый и второй источники света представляют собой различные источники света. В частности, источники света включают твердотельные СИД-источники света (такие как СИД или лазерный диод).

Отличительная особенность этих люминесцентных материалов заключается в том, что возбуждаемость первого люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом, и что возбуждаемость второго люминесцентного материала УФ-излучением меньше, чем синим светом. Другими словами, при регистрации спектра возбуждения люминесцентных материалов, более высокий максимум возбуждения будет в диапазоне синих длин волн, чем в диапазоне УФ длин волн. Можно также переопределить в отношении спектра поглощения или спектра отражения: максимум поглощения больше и минимум отражения меньше в диапазоне синих длин волн, чем максимум поглощения и минимум отражения в УФ-диапазоне длин волн, соответственно. Таким образом, поглощение УФ-излучения может быть относительно низким, приводя к большей эффективности и лучшей цветопередаче, в то время как поглощение синего света может быть относительно высоким, что, следовательно, также приводит к лучшей эффективности (меньше потери Стокса).

Для настоящего применения может оказаться подходящим ряд люминесцентных материалов. Далее здесь сначала приводится общее обсуждение некоторых классов люминесцентных материалов, а затем некоторые конкретные классы обсуждаются более подробно.

Общее обсуждение подходящих люминесцентных материалов

В данном общем обсуждении обозначения конкретных элементов в значительной степени унифицированы.

В конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из класса A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, класса MA₂O₄:Ce³⁺, класса MS:Ce³⁺ и класса A₃Z₆N₁₁:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из лантаноидов (таких как Gd, Tb, Lu), скандия, иттрия и лантана, где B выбирается из группы, состоящей из алюминия и галлия, M выбирается из группы, состоящей из щелочноземельных элементов (таких как Mg, Ca, Sr, Ba) и где Z выбирается из группы, состоящей из кремния и германия.

Первый класс (класс A₃B₅O₁₂:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺) представляет собой класс систем гранатов (которые дополнительно описываются ниже в более подробном обсуждении подходящих люминесцентных материалов). Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру (пространственная группа Ia3d). Примерами представителей данного класса являются Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, Lu₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ и т.д.

Второй класс (класс MA₂O₄:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс CaSc₂O₄:Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе скандатов щелочноземельных металлов. Материалы в составе этого класса имеют орторомбическую кристаллическую структуру типа CaFe₂O₄. Примером представителя данного класса является CaSc₂O₄:Ce³⁺.

Третий класс (класс MS:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе сульфидов щелочноземельных металлов, кристаллизующихся в кубическую кристаллическую структуру типа хлорида натрия. Примером представителя данного класса является CaS:Ce³⁺.

Четвертый класс (класс A₃Z₆N₁₁:Ce³⁺; здесь также обозначен как класс La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺) представляет собой класс систем на основе нитридосиликатов редкоземельных элементов. Материалы в составе данного класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа Sm₃Si₆N₁₁. Примером представителя данного класса является La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺.

Отметим, что в качестве легирующего элемента каждая из этих систем имеет церий, хотя и не исключаются солегирующие элементы (такие как празеодим).

Дополнительные представители вышеупомянутых классов могут обеспечивать зеленый и/или желтый свет при возбуждении синим светом и могут лучше возбуждаться синим светом, чем УФ-излучением.

В дополнительном конкретном варианте осуществления второй люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из класса MD:Eu, класса MGB₃N₄:Eu и/или класса MM"₃ZN₄:Eu и/или класса M'B₂M"₂N₄:Eu (необязательно эти соединения можно рассматривать как принадлежащие к единому классу (также см. ниже)) и класса G₂ZF₆:Mn, где M выбирается из группы, состоящей из щелочноземельных элементов, где M' выбирается из группы, состоящей из Sr, Ba и Ca, где M" выбирается из группы, состоящей из Mg, Mn, Zn и Cd, где D выбирается из группы, состоящей из S и Se, где Z выбирается из группы, состоящей Si, Ge, Ti, Hf, Zr, Sn, где B выбирается из группы, состоящей из B, Al, Ga, Sc, и где G выбирается из группы, состоящей из щелочных элементов (таких как Li, Na, K и т.д.).

Первый класс (класс MD:Eu; здесь также обозначен как класс (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu) представляет собой класс систем на основе халькогенидов щелочноземельных металлов. Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру типа хлорида натрия (каменной соли). Примерами представителей данного класса являются SrS:Eu, CaS:Eu, CaSe:Eu и т.д.

Второй класс (класс MGB₃N₄:Eu; здесь также обозначен как класс SrLiAl₃N₄:Eu) представляет собой класс систем на основе нитридоалюминатов. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа плюмбата лития-калия. Примером представителя данного класса является SrLiAl₃N₄:Eu.

Третий класс (класс MM"₃ZN₄:Eu; здесь также обозначен как класс CaBe₃SiN₄:Eu) представляет собой класс систем на основе ортонитридосиликатов. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа силиката лития-натрия. Примером представителя данного класса является CaBe₃SiN₄:Eu.

Четвертый класс (класс M'B₂M"₂N₄:Eu; здесь также обозначен как класс SrAl₂Mg₂N₄:Eu) представляет собой класс систем на основе нитридоалюминатов магния. Материалы в составе этого класса имеют тетрагональную кристаллическую структуру типа карбида хрома-урана. Примером представителя данного класса является SrAl₂Mg₂N₄:Eu.

Пятый класс (класс G₂ZF₆:Mn; здесь также обозначен как K₂SiF₆:Mn класс) представляет собой класс систем на основе комплексных фторидов. Материалы в составе этого класса имеют кубическую кристаллическую структуру типа гиератита или гексагональную кристаллическую структуру типа демартинита. Примером представителя данного класса является K₂SiF₆:Mn(IV, т.е. четырехвалентный марганец).

Дополнительно, примеры представителей этого класса приведены ниже. Отметим, что большинство этих систем имеют в качестве легирующего элемента двухвалентный европий, хотя и не исключаются солегирующие элементы (такие как церий и/или двухвалентный марганец). Последний класс в группе содержит четырехвалентный марганец.

Таким образом, в конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, CaSc₂O₄:Ce³⁺, CaS:Ce³⁺ и La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, а второй люминесцентный материал выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaBe₃SiN₄:Eu, SrAl₂Mg₂N₄:Eu и K₂SiF₆:Mn.

Следовательно, в дополнительном аспекте изобретение также предлагает преобразователь света сам по себе, т.е. преобразователь света, включающий первый люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из класса (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, класса CaSc₂O₄:Ce³⁺, класса (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Ce и класса La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, и второй люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из класса (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, класса SrLiAl₃N₄:Eu, класса CaBe₃SiN₄:Eu, класса SrAl₂Mg₂N₄:Eu и класса K₂SiF₆:Mn, еще более конкретно преобразователь света содержит первый люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce³⁺, CaSc₂O₄:Ce³⁺ и La₃Si₆N₁₁:Ce³⁺, и второй люминесцентный материал, выбранный из группы, состоящей из (Sr,Ba,Ca)(Se,S):Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaBe₃SiN₄:Eu, SrAl₂Mg₂N₄:Eu и K₂SiF₆:Mn.

Термин "класс" здесь, в частности, относится к группе материалов, которые имеют одинаковую кристаллографическую структуру. Дополнительно, термин "класс" может также включать частичные замещения катионов и/или анионов. Например, в некоторых из вышеупомянутых классов фрагменты Al-O могут быть частично замещены фрагментами Si-N (или наоборот).

Дополнительно, тот факт, что вышеуказанные люминесцентные материалы обозначены как легированные европием (Eu) или церием (Ce), или марганцем (Mn), не исключает присутствия солегирующих элементов, таких как Eu, Ce, причем европий солегируется с церием; Ce, Pr, причем церий солегируется с празеодимом; Ce, Na, в котором церий солегируется с натрием; Ce, Mg, причем церий солегируется с магнием; Ce, Ca, причем церий солегируется с кальцием; и т.д. и т.п. Солегирование известно в области техники, и известно, что оно иногда повышает квантовую эффективность и/или регулирует спектр излучения.

В варианте осуществления отношение поглощения (или отношение возбуждения) для синего максимума относительно УФ максимума составляет по меньшей мере 1,5, такое как по меньшей мере 1,6 для первых люминесцентных материалов, излучающих свет от зеленого до желтого; отношение поглощения (или отношение возбуждения) для синего максимума относительно УФ максимума составляет по меньшей мере 1,1, такое как по меньшей мере 1,15 для второго люминесцентного материала, излучающего красный свет. В более конкретном варианте осуществления отношение поглощения (или отношение возбуждения) ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,5 для первых люминесцентных материалов, излучающих свет от зеленого до желтого, и причем отношение поглощения (или отношение возбуждения) ABS₄₆₀/ABS₄₁₀ составляет по меньшей мере 1,1 для второго люминесцентного материала, излучающего красный свет. Вышеуказанные отношения возбуждения относятся к отношениям возбуждения, когда наблюдается излучение в определенном свете (т.е., например, зеленом или желтом и красном, соответственно). Когда регистрируется спектр возбуждения, как правило, излучение измеряется при максимальной интенсивности излучение.

В частности, источники света выполнены с возможностью подачи менее чем 10%, в частности, менее чем 5% своей полной оптической мощности в диапазоне длин волн 380-430 нм, еще более конкретно, в диапазоне длин волн 400-430 нм.

Подробное обсуждение конкретных люминесцентных материалов

В более подробном описании конкретных люминесцентных материалов составы, которые определяют химические формулы, могут отличаться от представленных выше составов. Это было сделано, чтобы более подробно охарактеризовать эти конкретные люминесцентные материалы.

В конкретном варианте осуществления первый люминесцентный материал содержит A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из Sc, Y, Tb, Gd и Lu; где B выбирается из группы, состоящей из Al и Ga. Предпочтительно, M по меньшей мере содержит один или более из Y и Lu, где B по меньшей мере содержит Al. Материалы этих типов могут обеспечивать наиболее высокие эффективности. В конкретном варианте осуществления второй люминесцентный материал содержит по меньшей мере два люминесцентных материала типа A₃B₅O₁₂:Ce³⁺, где A выбирается из группы, состоящей из Y и Lu, где B выбирается из группы, состоящей из Al, и где отношение Y:Lu отличается для упомянутых по меньшей мере двух люминесцентных материалов. Например, один из них может быть исключительно на основе Y, таким как Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺, и один из них может представлять собой систему на основе Y и Lu, такую как (Y_0,5Lu_0,5)₃Al₅O₁₂:Ce³⁺. Варианты осуществления гранатов включают, в частности, гранаты A₃B₅O₁₂, где A содержит по меньшей мере иттрий или лютеций и где B содержит по меньшей мере алюминий. Такой гранат может быть легирован церием (Ce), празеодимом (Pr) или сочетанием церия и празеодима; однако, в частности, присутствует Ce. B содержит, в частности, алюминий (Al), однако B может также частично содержать галлий (Ga) и/или скандий (Sc) и/или индий (In), в частности, до примерно 20% Al, более конкретно до примерно 10% Al (т.е. ионы B, в частности, состоят из 90 мол.% или более Al и 10 мол.% или менее одного или более элементов из Ga, Sc и In); в частности, B может содержать до примерно 10% галлия. В другом вариант B и O могут по меньшей мере частично замещаться Si и N. Элемент A может, в частности, выбираться из группы, состоящей из иттрия (Y), гадолиния (Gd), тербия (Tb) и лютеция (Lu). Дополнительно, Gd и/или Tb, в частности, могут присутствовать только в количестве до примерно 20% A. В конкретном варианте осуществления люминесцентный материал на основе граната содержит (Y_1-xLu_x)₃Al₅O₁₂:Ce, где x равняется или более чем 0 и равняется или менее чем 1. Термины ":Ce" или ":Ce³⁺" (или аналогичные термины) указывают, что часть ионов металлов (т.е. в гранатах часть ионов "M") в люминесцентном материале замещается Ce (или другими люминесцентными частицами, когда в термине(ах) указывается подобно ":Yb"). Например, в случае (Y_1-xLu_x)₃Al₅O₁₂:Ce часть Y и/или Lu замещается церием. Такой способ записи известен специалисту в данной области техники. Как правило, Ce замещает M в количестве не более 10%; обычно концентрация Ce находится в диапазоне 0,1-4%, в частности, 0,1-2% (по отношению к M). Предполагая 1% Ce и 10% Y полная правильная формула может быть (Y_0,1Lu_0,89Ce_0,01)₃Al₅O₁₂. В составе гранатов Ce присутствует по существу или исключительно в трехвалентном состоянии, как известно специалисту в данной области техники.

В еще дополнительном варианте осуществления, с которым может, в частности, сочетаться предшествующий вариант осуществления, второй люминесцентный материал содержит M_1-x-y-zZ_zA_aB_bC_cD_dE_eN_4-nO_n:ES_x,RE_y, с M, выбранным из группы, состоящей из Ca (кальция), Sr (стронция) и Ba (бария); Z, выбранным из группы, состоящей из одновалентных Na (натрия), K (калия) и Rb (рубидия); A, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца), Zn (цинка) и Cd (кадмия), в частности, А, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца) и Zn (цинка), еще более конкретно A, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Mg (магния), Mn (марганца); B, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных B (бора), Al (алюминия) и Ga (галлия); C, выбранным из группы, состоящей из четырехвалентных Si (кремния), Ge (германия), Ti (титана) и Hf (гафния); D, выбранным из группы, состоящей из одновалентных Li (лития) и Cu (меди); E, выбранным из группы, состоящей из P (фосфора), V (ванадия), Nb (ниобия) и Ta (тантала); ES, выбранного из группы, состоящей из двухвалентных Eu (европия), Sm (самария) и иттербия, в частности, выбранного из группы, состоящей из двухвалентных Eu и Sm; RE, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных Ce (церия), Pr (празеодима), Nd (неодима), Sm (самария), Eu (европия), Gd (гадолиния), Tb (тербия), Dy (диспрозия), Ho (гольмия), Er (эрбия) и Tm (тулия); причем 0≤x≤0,2; 0≤y≤0,2; 0<x+y≤0,4; 0≤z<1; 0≤n≤0,5; 0≤a≤4 (например, 2≤a≤3); 0≤b≤4; 0≤c≤4; 0≤d≤4; 0≤e≤4; a+b+c+d+e=4; и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z. В частности, z≤0,9, например, z≤0,5. Дополнительно, в частности, x+y+z≤0,2.

Уравнения a+b+c+d+e=4 и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z, соответственно, в частности, определяют катионы Z, A, B, C, D и E и анионы O и N в решетке, и, таким образом, они также определяют нейтральность заряда системы. Например, компенсация заряда покрывается формулой 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z. Она покрывает, например, компенсацию заряда при уменьшении содержания O или компенсацию заряда при замещении катиона C катионом B или катиона B катионом A и т.д. Например, если x=0,01, y=0,02, n=0, a=3; то 6+3b+4c=10-0,02; причем a+b+c=4: b=0,02, c=0,98.

Как будет ясно для специалиста в данной области техники, a, b, c, d, e, n, x, y, z всегда равны или больше 0. Когда a определяется в сочетании с уравнениями a+b+c+d+e=4 и 2a+3b+4c+d+5e=10-y-n+z, то в принципе b, c, d и e не обязательно должны определяться. Однако для цели полноты здесь также определяются 0≤b≤4; 0≤c≤4; 0≤d≤4; 0≤e≤4.

Предположим систему подобную SrMg₂Ga₂N₄:Eu. Здесь a=2, b=2, c=d=e=y=z=n=0. В такой системе 2+2+0+0+0=4 и 2×2+3×2+0+0+0=10-0-0+0=10. Таким образом, выполняются оба уравнения. Предположим, что вводится 0,5 O. Система с 0,5 O может быть получена, например, когда 0,5Ga-N замещается 0,5Mg-O (что представляет собой электронейтральное замещение). Это приводит к SrMg_2,5Ga_1,5N_3,5O_0,5:Eu. Здесь в такой системе 2,5+1,5+0+0+0=4 и 2×2,5+3×1,5+0+0+0=10-0-0,5+0=9,5. Таким образом, здесь также выполняются оба уравнения.

Как указано выше, в предпочтительном варианте осуществления d>0 и/или z>0, в частности, по меньшей мере d>0. В частности, люминофор содержит по меньшей мере литий.

В еще одном варианте осуществления 2≤a≤3 и, в частности, также d=0, e=0 и z=0. В таких случаях люминофор характеризуются, среди прочих, условиями a+b+c=4; и 2a+3b+4c=10-y-n.

В дополнительном конкретном варианте осуществления, с которым могут сочетаться предшествующие варианты осуществления, e=0. В другом дополнительном конкретном варианте осуществления, с которым могут сочетаться предшествующие варианты осуществления, M представляет собой Ca и/или Sr.

Таким образом, в конкретном варианте осуществления люминофор имеет формулу M(Ca и/или Sr)_1-x-yMg_aAl_bSi_cN_4-nO_n:ES_x,RE_y (I), с ES, выбранным из группы, состоящей из двухвалентных Eu (европия), Sm (самария) и Yb (иттербия); RE, выбранным из группы, состоящей из трехвалентных Ce (церия), Pr (празеодима), Nd (неодима), Sm (самария), Eu (европия), Gd (гадолиния), Tb (тербия), Dy (диспрозия), Ho (гольмия), Er (эрбия) и Tm (тулия), где y/x<0,1, в частности, y/x<0,01, и n≤0,1, в частности, n<0,01, еще более конкретно n<0,001, даже еще более конкретно n<0,0001. Таким образом, в этом варианте осуществления по существу описаны люминофоры, содержащие самарий и/или европий. Например, когда присутствует двухвалентный Eu, x=0,05, и, например, y1 для Pr может быть 0,001, и y2 для Tb может быть 0,001, приводя к y=y1+y2=0,002. В таком случае y/x=0,04. Еще более конкретно, y=0. Однако, как указано в других разделах, когда применяется Eu и Ce, отношение y/x может составлять более чем 0,1.

Условие 0<x+y≤0,4 показывает, что M может замещаться ES и/или RE в сумме до 40%. Условие "0<x+y≤0,4" в сочетании с тем, что x и y составляют от 0 до 0,2, указывает, что присутствует по меньшей мере один из ES и RE. Присутствие обоих типов не обязательно. Как указано выше, каждый из двух ES и RE может индивидуально относится к одному или более элементам, например, ES относится к одному или более из Sm и Eu, а RE относится к одному или более из Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er и Tm.

В частности, когда европий применяют как двухвалентный люминесцентный элемент или легирующий элемент, молярное отношение между самарием и европием (Sm/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001.

То же самое справедливо, когда европий применяют в сочетании с иттербием. Когда европий применяют как двухвалентный люминесцентный элемент или легирующий элемент, молярное отношение между иттербием и европием (Yb/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001. Когда совместно применяют все три элемента, могут применяться такие же молярные отношения, т.е. ((Sm+Yb)/Eu) составляет <0,1, в частности, <0,01, в частности, <0,001.

В частности, x находится в интервале 0,001-0,2 (т.е. 0,001≤x≤0,2), подобном 0,002-0,2, таком как 0,005-0,1, в частности, 0,005-0,08. В частности, в случае двухвалентного европия в описываемых здесь системах, его молярное процентное содержание может быть в диапазоне 0,1-5% (0,001≤x≤0,05), таком как 0,2-5%, подобном 0,5-2%. Для других люминесцентных ионов в вариантах осуществления x может (но не обязательно) равняться или составлять более чем 1% (x может равняться или составлять более чем 0,01).

В конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu, (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu, (Sr,Ca)LiAl₃N₄:Eu и (Sr,Ca)Li_dMg_aAl_bN₄:Eu с a, b, d, которые охарактеризованы выше.

Как также указано здесь, обозначение "(Sr,Ca)" и аналогичные обозначения с другими элементами показывают, что позиции M занимают катионы Sr и/или Ca (или другие элементы, соответственно).

В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из Ba_,95Sr_,05Mg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₂Ga₂N₄:Eu, SrMg₃SiN₄:Eu, SrMg₂Al₂N₄:Eu, SrMg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₃SiN₄:Eu, CaLiAl₃N₄:Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu и SrLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu.

Дополнительные (неограничивающие) примеры таких люминофоров представляют собой, например, (Sr_0,8Ca_0,2)_0,995LiAl_2,91Mg_0,09N_3,91O_0,09:Eu_0,005; (Sr_0,9Ca_0,1)_0,905Na_0,09LiAl₃N_3,91O_0,09:Eu_0,005; (Sr_0,8Ca_0,03Ba_0,17)_0,989LiAl_2,99Mg_0,01N₄:Ce_0,01,Eu_0,001; Ca_0,995LiAl_2,995Mg_0,005N_3,995O_0,005:Yb_0,005 (YB(II)); Na_0,995MgAl₃N₄:Eu_0,005; Na_0,895Ca_0,1Mg_0,9Li_0,1Al₃N₄:Eu_0,005; Sr_0,99LiMgAlSiN₄:Eu_0,01; Ca_0,995LiAl_2,955Mg_0,045N_3,96O_0,04:Ce_0,005; (Sr_0,9Ca_0,1)_0,998Al_1,99Mg_2,01N_3,99O_0,01:Eu_0,002; (Sr_0,9Ba_0,1)_0,998Al_1,99Mg_2,01N_3,99O_0,01:Eu_0,002.

В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu и (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu. В еще одном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из Ba_0,95Sr_0,05Mg₂Ga₂N₄:Eu, BaMg₂Ga₂N₄:Eu, SrMg₃SiN₄:Eu, SrMg₂Al₂N₄:Eu, SrMg₂Ga₂N₄:Eu и BaMg₃SiN₄:Eu. В частности, эти люминофоры и, даже более конкретно, (Sr,Ca)Mg₃SiN₄:Eu и (Sr,Ca)Mg₂Al₂N₄:Eu могут представлять собой люминофоры, имеющие хорошие люминесцентные свойства, помимо прочих, в отношении спектрального положения и распределения люминесценции.

Особый интерес представляют люминофоры, которые удовлетворяют условиям 0≤x≤0,2, y/x<0,1, M содержит по меньшей мере Sr, z≤0,1, а≤0,4, 2,5≤b≤3,5, B содержит по меньшей мере Al, c≤0,4, 0,5≤d≤1,5, D содержит по меньшей мере Li, e≤0,4, n≤0,1 и в котором ES по меньшей мере содержит Eu.

В частности, y+z≤0,1. Дополнительно, в частности, x+y+z≤0,2. Дополнительно, в частности, a близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, b составляет примерно 3. Дополнительно, в частности, c близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, d составляет примерно 1. Дополнительно, в частности, e близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, n близко к 0 или равно нулю. Дополнительно, в частности, y близко к 0 или равно нулю.

Особенно хорошими системами в отношении квантовой эффективности и устойчивости к гидролизу являются те, у которых z+d>0, т.е. присутствуют один или более из Na, K, Rb, Li и Cu(I), в частности, по меньшей мере Li, такие как, например, (Sr,Ca)LiAl₃N₄:Eu и (Sr,Ca)Li_dMg_aAl_bN₄:Eu, где a, b, d являются такими, как определяется выше. В дополнительном конкретном варианте осуществления люминофор выбирается из группы, состоящей из CaLiAl₃N₄:Eu, SrLiAl₃N₄:Eu, CaLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu и SrLi_0,5MgAl_2,5N₄:Eu.

Дополнительными люминофорами, вызывающими особый интерес, являются (Sr,Ca,Ba)(Li,Cu)(Al,B,Ga)₃N₄:Eu, которые включают в качестве иона M по меньшей мере Sr, в качестве иона B по меньшей мере Al и в качестве иона D по меньшей мере Li.

Дополнительные варианты осуществления

Преобразующий длину волны элемент может быть порошковым слоем, распределенным в абсорбирующем материале матрицы порошком, пленкой, полимерной пластинкой, керамической пластинкой и т.д. В варианте осуществления пре