Результат интеллектуальной деятельности: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЙ ЭКРАН ДЛЯ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Изобретение относится к области светотехнической промышленности, а именно к конвертерам излучения в составе светодиодных осветительных устройств, в том числе "белого" света.

Поиск аналогов изобретения осуществляли по описаниям изобретений (полезных моделей): России (СНГ), США, Канады, Германии, Франции, Японии, Китая, находящихся в фонде ВПТБ и по поисковым базам данных Интернет.

Поиск патентной информации проводился с ретроспективой 50 лет.

Для просмотра были выбраны следующие классификационные индексы МПК8:

F21K - источники света, использующие люминесценцию;

F21V - выбор люминесцентного материала для световых экранов.

В результате поиска были обнаружены следующие патентные документы:

- Патент RU 94310 U1, МПК F21S 8/00 - светодиодное осветительное устройство собрано из отдельных светодиодных кристаллов, покрытых сверху прозрачной полимерной смесью с люминофором и защитной линзой;

- Патент RU 2155412 С1, МПК H01J 29/18 - электронные экраны, предназначенные для вывода изображений в телевизорах, компьютерах и мобильных устройствах.

- Патент США US 6357889 и патентная заявка США US 2010/295438 - отражающая поверхность или ее часть покрыта люминофором.

Используется смесь люминофоров на одной отражающей поверхности.

Из проведенного патентного поиска следует, что аналогом заявляемого люминесцентного осветительного устройства является устройство (патентная заявка США US 2010/295438), в котором «белый» свет возникает в результате сложения потоков возбуждающего синего излучения, частично отраженного от слоя люминофора, и люминесценции в желто-зеленой области спектра. При этом смесь нескольких люминофоров с различными областями свечения находится на подложке в виде сплошного слоя. Недостатком данного осветительного устройства является некомфортное излучение для зрения, поскольку спектр излучения устройства данной конструкции смещен в синюю область.

Прототипом для предлагаемого нами технического решения является осветительное устройство с люминесцентным экраном, заявленным в патенте RU 2475887 МПК H01L 27/15 от 20.02.2013, включающее в себя источник первичного излучения, состоящий из одного или нескольких светодиодов, а также конвертер излучения (люминесцентный экран), расположенный на светоотражающей подложке и выполненный в виде нескольких люминофорных слоев, преобразующих первичное излучение от светодиодов во вторичное излучение. Причем конвертер излучения расположен между источником первичного излучения и отражателем, вблизи от указанной поверхности отражателя и в отдалении от первичного излучения. Люминесцентный экран имеет многослойную структуру, включающую, по крайней мере, два фотолюминесцентных слоя с различной длиной волны вторичного излучения.

Недостатками данного устройства являются сложная технология изготовления многослойного конвертера излучения, неэффективная схема ступенчатого возбуждения последующего люминесцентного слоя излучением предыдущего слоя с потерями энергии при каждом преобразовании. Кроме того, в силу зависимости спектров возбуждения и люминесценции различных люминофорных слоев, очень проблематично варьирование цветности осветительного устройства, смещение спектра люминесценции одного из слоев и замена какой-либо из люминофорных композиций на другую.

Задачей нашего изобретения является разработка осветительного устройства с упрощенной технологией изготовления, обеспечивающего высокую светоотдачу и формирование излучения заданного спектрального состава, в том числе комфортного для зрения «теплого белого» света.

Поставленная задача заключается в создании люминесцентного экрана для осветительных устройств, включающего в себя источник первичного излучения и состоящего из отражающей подложки и нанесенных на ее поверхность двух люминесцентных слоев, содержащих порошки люминофоров, равномерно распределенных в связующем, прозрачном для возбуждающего люминесценцию излучения. Причем один из люминесцентных слоев выполнен в виде сплошного слоя, с одним видом люминофоров, а именно желто-зеленым, а другой люминесцентный слой с другим видом люминофоров - красным, представляет собой дискретные площадки. Люминесцентный слой, представляющий собой дискретные площадки, может иметь структуру расположения площадок регулярную или апериодическую. Первый слой, содержащий желто-зеленый люминофор, нанесен на отражающую подложку в виде сплошного слоя. Второй слой, содержащий красный люминофор, нанесен на сплошной слой желто-зеленого люминофора в виде дискретных площадок. В качестве желто-зеленого люминофора может использоваться люминесцентная композиция на основе иттрий-аллюминиевого или галлий-гадолиниевого граната, активированного церием, а в качестве красного люминофора - композиция на основе оксида иттрия, активированного европием.

Принцип работы заявляемого люминесцентного экрана представлен на фиг 1. В состав устройства входят:

1 - источник возбуждающего света;

2 - люминесцентный экран;

3 - подложка люминесцентного экрана;

4 - сплошной слой люминофора, излучающего в желто-зеленой области спектра;

5 - дискретный слой люминофора, излучающего в красной области спектра;

6 - отражающий слой.

Источник возбуждающего излучения (1) освещает люминесцентный экран (2). При этом часть возбуждающего излучения, попадая на экран, возбуждает желто-зеленый (4) и красный (5) люминофоры. Другая часть возбуждающего света отражается от люминофоров и отражающей поверхности (6), расположенной на подложке (3). Таким образом, излучение осветительного устройства формируется сложением люминесцентного излучения люминофоров и отраженной от экрана части возбуждающего излучения.

В качестве источника возбуждающего излучения используются светодиоды, излучающие преимущественно в синей области спектра, например XR7090 с длиной волны 450 - 470 нм. В качестве люминофоров используются композиции на основе порошков галлий-гадолиниевых или иттрий-аллюминиевых гранатов, активированных церием, или оксидно-иттриевых, активированных европием, со спектрами люминесценции в желто-зеленой 470-590 нм и красной 580-680 нм областях. Частицы порошка распределены в оптически прозрачном для возбуждающего излучения органическом связующем, и эта композиция нанесена на отражающий слой подложки экрана соответственно заданной структуре рабочей поверхности экрана.

Согласно предлагаемому изобретению структура рабочей поверхности люминесцентного экрана представляет собой набор дискретных площадок, на каждой из которых находится отдельная люминофорная композиция (фиг. 2, светлые и темные участки). В общем случае люминесцентный экран содержит один сплошной люминесцентный слой, покрытый дискретным люминесцентным слоем, площадки которого могут располагаться с зазором, касаться друг друга или почти сливаться. Дискретные площадки разных слоев могут не перекрываться, перекрываться частично или полностью. Типичными примерами расположения дискретных площадок могут служить регулярная «шахматная» структура (фиг. 2,а), апериодическая или квазипериодическая (фиг. 2,б). Структура поверхности люминесцентного экрана в основном определяется технологией ее формирования, в частности особенностями видов и способов печати, а также спектральными характеристиками осветительного устройства, которые необходимо получить.

Экспериментальные исследования технических характеристик предлагаемого люминесцентного экрана для осветительного устройства проведены на пилотном осветительном устройстве с использованием «синих» светодиодов XR7090, излучающих в области 450-470 нм и желто-зеленого люминофора ФЛЖ-7. Определение световой отдачи устройства проводили по следующей методике. Сначала была определена освещенность, которую дает наш источник света. Для этого мы использовали люксметр. На расстоянии 100 мм от источника света параллельно люминесцентному экрану устанавливается расчерченный на квадраты по 30 мм щит, таким образом, чтобы весь световой поток попадал только на него. Всего получилось 33×50 квадратов. Квадраты 30×30 мм соответствуют размеру фотоэлемента люксметра. При перемещении люксметра по расчерченным квадратам в каждом положении измеряется освещенность поверхности. По результатам измерений рассчитывали светоотдачу пилотного осветительного устройства

где S - светоотдача, лм/Вт;

Е - освещенность, лк;

s - освещаемая площадь, м²;

W - мощность, потребляемая источником, Вт.

После проделанных действий, на той же установке положение люминесцентного экрана меняли таким образом, чтобы свет от светодиодов проходил насквозь, иными словами, люминофор при этом «работает на просвет». В таблице 1 приведены значения светоотдачи при использовании желто-зеленого люминофора «на просвет» и «на отражение».

Из таблицы 1 следует, что использование люминофора «на отражение» увеличивает светоотдачу заявляемого экрана по сравнению с известным, работающим «на просвет».

Для расчета цветовой температуры использованы типовые спектры люминесценции желто-зеленого и красного люминофоров, используемых в люминесцентных экранах осветительных устройств, а также спектр излучения источника возбуждения. Коррелированная цветовая температура излучения зависит от яркостей свечения люминофоров и светодиодов, отношения площадей открытой поверхности желто-зеленого и красного люминофоров, а также коэффициента отражения экрана для возбуждающего излучения. Метод включает расчет колориметрических координат в цветовой системе XYZ МКО 1931 г. с помощью кривых сложения цветов и последующий расчет координат цветности ху. На фиг 3 представлены спектры люминесценции для красного и желто-зеленого люминофоров, а также комбинированного экрана с соотношением площадей красного и желто-зеленого люминофоров 2:3, соответствует 3500 К.

В таблице 2 представлены рассчитанные из графика МКО 1931 г. (фиг. 4) координаты цветности х, у для различных значений относительной площади красного люминофора - ε. Точки 1, 2, 3, 4, 5, 6 на графике (фиг. 4) отражают значения ε: 0; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 соответственно и образуют кривую цветности , которая пересекает кривую Планка в районе цветности излучения абсолютно черного тела при 6500 К, соответствующей эталонному источнику D65 или дневному свету. Также на кривую Планка нанесены точки, соответствующие таким эталонным источникам света, как лампа накаливания (источник А с температурой 2856 К), прямой солнечный свет (источник В с температурой 4870 К), свет в пасмурный день (источник С с температурой 6770 К) и точка равной энергии (источник Е, характеризующийся равными значениями координат х и y=0,3333).

Из полученных результатов также следует, что добавление красного люминофора действительно меняет цветность излучения комбинированного экрана с желтого на пурпурный, при этом относительно ахроматическое излучение получается при значениях ε в диапазоне 0,4-0,6 (точка 3-4 на фиг. 5), коррелированная цветовая температура, рассчитанная из номограммы, составляет 5500-3500 К.

Таким образом, заявляемый люминесцентный экран для осветительного устройства позволяет обеспечить комфортный для зрения спектральный состав излучения и упростить технологию изготовления люминесцентных экранов с заданными светотехническими характеристиками.