Результат интеллектуальной деятельности: СВЕТОИЗЛУЧАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО, ИСПОЛЬЗУЮЩЕЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ВЕЩЕСТВА С ОКСИОРТОСИЛИКАТНЫМИ ЛЮМИНОФОРАМИ

Область техники

[1] Примерные варианты воплощения изобретения относятся к светоизлучающему устройству, использующему неорганические люминесцентные вещества на основе силикатов в качестве преобразователя излучения. Светоизлучающее устройство может излучать цветной или белый свет посредством использования люминесцентных веществ, которые могут применяться в качестве преобразователя излучения для преобразования первичного излучения с более высокой энергией, например ультрафиолетового (УФ) излучения или синего света, в видимое излучение с большей длиной волны. Светоизлучающее устройство, содержащее такие люминесцентные преобразующие вещества, может отличаться, в частности, своей улучшенной температурно-зависимой эффективностью люминесценции или квантовой эффективностью и более продолжительным ресурсом люминесцентных веществ, которые могут реагировать на эмиссию производимого света. В частности, может достигаться высокая стабильность люминофоров по отношению к появляющейся нагрузке излучения и по отношению к влиянию атмосферной влажности и других факторов окружающей среды.

Уровень техники

[2] Светоизлучающее устройство (LED - light emitting device) широко используется для различных применений, например индикаторов, информационных панелей и устройств отображения, с тех пор как светоизлучающие устройства могут реализовывать цвета. Белый свет также может обладать применимостью для общего освещения. Так как такие светоизлучающие устройства обеспечивают высокую эффективность и долгий срок службы и являются экологичными, это породило непрерывное развитие светоизлучающих устройств для многих применений.

[3] Для содействия большему внедрению производители пытаются разработать различные способы реализации цветов, включая белый свет, и при этом для реализации белого света общеприняты технологии размещения люминофоров вокруг светоизлучающих диодов и комбинирования света, излучаемого из светоизлучающего диода, и света, излучаемого из люминофоров.

[4] Например, стали известны активированные европием оксиортосиликаты щелочноземельных металлов общего типа Sr₃SiO₅:Eu для использования в LED, излучающих цветной или белый свет, при этом также возможно полностью или частично заменить элемент стронций в этих соединениях ионами других щелочноземельных металлов.

Раскрытие изобретения

Техническая проблема

[5] Однако признанным недостатком люминесцентных веществ является то, что они имеют сравнительно короткий ресурс при условиях использования. Это связано, в частности, с высокой чувствительностью к влажности легированных европием оксиортосиликатов щелочноземельных металлов.

[6] Поэтому существует потребность в подходе к снижению существенного недостатка, который может привести к полному исключению возможности технического применения люминофоров или, по меньшей мере, в значительной степени ограничить недостатки.

Техническое решение

[7] Эти и другие потребности удовлетворяются настоящим изобретением, в котором примерные варианты его воплощения предусматривают светоизлучающие устройства, включающие в себя химически модифицированные оксиортосиликатные люминесцентные вещества с улучшенными свойствами, в частности со значительно улучшенной стабильностью к атмосферной влажности.

[8] Дополнительные признаки изобретения будут изложены в последующем описании и частично будут очевидны из описания, или могут быть изучены в процессе применения на практике изобретения.

[9] Другие аспекты, признаки и преимущества настоящего изобретения очевидны из последующего подробного описания, просто за счет иллюстрации некоторого числа конкретных вариантов воплощения и реализации, включая наилучший вариант, предусмотренный для осуществления настоящего изобретения. Настоящее изобретение также допускает другие и различные варианты воплощения, и его некоторые подробности могут быть модифицированы в различных очевидных отношениях, все без отклонения от существа и объема настоящего изобретения. Соответственно, чертежи и описание должны рассматриваться как иллюстративные по своей природе, а не как ограничительные.

[10] Примерные варианты воплощения настоящего изобретения раскрывают светоизлучающее устройство. Это устройство включает в себя светоизлучающий диод. Это устройство также включает в себя люминесцентные вещества, расположенные вокруг светоизлучающего диода, чтобы поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом. Свет, излучаемый светоизлучающим диодом, имеет длину волны, отличную от поглощенного света. Люминесцентные вещества содержат легированные Eu²⁺ силикатные люминофоры с образованием смешанных фаз между оксиортосиликатами щелочноземельных металлов и оксиортосиликатами редкоземельных металлов, используемыми в качестве базовых кристаллических решеток для активации Eu²⁺, приводящей к люминесценции.

[11] Необходимо понимать, что как вышеприведенное общее описание, так и последующее подробное описание являются примерными и поясняющими и предназначены для обеспечения дальнейшего пояснения заявленного изобретения.

Краткое описание чертежей

[12] Сопутствующие чертежи, которые приведены для обеспечения дальнейшего понимания изобретения и включены в данное описание и составляют его часть, иллюстрируют примерные варианты воплощения изобретения и вместе с описанием служат для объяснения принципов изобретения.

[13] На Фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 100 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[14] На Фиг. 2 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 200 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[15] На Фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 300 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[16] На Фиг. 4 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 400 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[17] На Фиг. 5 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 500 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[18] На Фиг. 6 представлен график, показывающий рентгенодифрактограммы различных люминесцентных веществ.

[19] На Фиг. 7 представлен график, показывающий спектры излучения люминесцентных веществ различного состава по изобретению.

Варианты изобретения

[20] Описано светоизлучающее устройство, использующее люминесцентные вещества, включающие в себя химически модифицированные оксиортосиликатные люминесцентные вещества. В последующем описании с целью пояснения излагаются многочисленные специфические подробности для того, чтобы обеспечить всестороннее понимание настоящего изобретения. Для специалиста, однако, очевидно, что настоящее изобретение может применяться на практике без этих специфических подробностей или с эквивалентной конструкцией. В других примерах хорошо известные структуры и устройства представлены в форме блок-схемы для того, чтобы избежать ненужного сокрытия настоящего изобретения.

[21] На Фиг. 1 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 100 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения. На Фиг. 1 показан корпус чипового типа, содержащий по меньшей мере один светоизлучающий диод и люминесцентные вещества.

[22] Обращаясь к Фиг. 1, на обеих сторонах подложки 1 могут быть сформированы электроды 5. На одном из электродов 5 может быть установлен светоизлучающий диод 6, излучающий первичный свет. Светоизлучающий диод 6 может быть установлен на одном электроде 5 посредством электропроводящей пасты 9, такой как серебряная (Ag) паста, и соединен с другим электродом 5 посредством, например, электропроводящей проволоки 2.

[23] Светоизлучающий диод 6 может излучать ультрафиолетовый или синий свет и может быть изготовлен из полупроводникового соединения на основе нитрида галлия. В особенности, светоизлучающий диод 6 может излучать синий свет.

[24] Люминесцентные вещества 3 могут располагаться на части верхней и боковых поверхностей светоизлучающего диода 6. Также светоизлучающий диод 6 может быть герметизирован формовочным элементом 10, например термореактивной смолой. Люминесцентные вещества 3 могут быть размещены вблизи светоизлучающего диода 6, но могут быть размещены в любом месте в качестве конфигурации. Люминесцентные вещества 3 могут также быть однородно распределены в формовочном элементе 10.

[25] Люминесцентные вещества 3, будучи расположенными вокруг светоизлучающего диода 6, могут поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом, или излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света. Люминесцентные вещества 3 могут быть силикатным материалом с легированными Eu²⁺ люминофорами, в которых в качестве базовых кристаллических решеток для активации Eu²⁺, приводящей к люминесценции, могут быть использованы твердые растворы, так называемые смешанные фазы, между оксиортосиликатами щелочноземельных металлов и оксиортосиликатами редкоземельных металлов. Люминесцентные вещества 3 будут подробно описаны ниже.

[26] Светоизлучающий диод 6 может быть электрически подключен к внешнему источнику питания через электроды 5 и, таким образом, может излучать первичный свет. Люминесцентные вещества 3 могут поглощать по меньшей мере часть первичного света и излучать вторичный свет с большей длиной волны, чем длина волны первичного света. В результате, излучаемый светоизлучающим диодом 6 первичный свет и вторичный свет от люминесцентных веществ 3 могут смешиваться, и смешанный свет может излучаться из светоизлучающего устройства. С использованием этого смешанного света может быть реализован желаемый цвет света, например белый свет.

[27] Светоизлучающее устройство 100 может содержать два или более светоизлучающих диода. Эти светоизлучающие диоды могут иметь одинаковые друг с другом пики излучения, или же могут иметь отличающиеся друг от друга пики излучения. Например, светоизлучающее устройство 100 может содержать одинаковые или разные светоизлучающие диоды, каждый из которых может излучать ультрафиолетовый или синий свет. Кроме того, светоизлучающее устройство 100 может содержать светоизлучающий диод, например красный светоизлучающий диод, который может излучать свет с большей длиной волны, чем пиковая длина волны излучения люминофоров. Такой светоизлучающий диод с большей длиной волны может использоваться для улучшения индекса цветопередачи светоизлучающего устройства 100. Более того, в дополнение к люминесцентным веществам 3 светоизлучающее устройство 100 может дополнительно содержать другие люминофоры. Эти другие люминофоры могут содержать ортосиликатные люминофоры, люминофоры на основе алюмоиттриевого граната (YAG - Yttrium Aluminum Garnet) или тиогаллатные люминофоры, но не ограничиваются ими. Соответственно, желаемый цвет света может достигаться соответствующим выбором светоизлучающего диода 6 и люминофоров.

[28] На Фиг. 2 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 200 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения. На Фиг. 2 показан примерный вид сверху корпуса с отражателем 21.

[29] Обращаясь к Фиг. 2, светоизлучающее устройство 200 может иметь структуру, похожую на описанную выше для светоизлучающего устройства 100, и может иметь отражатель 21 на подложке 1. Светоизлучающий диод 6 может быть установлен в отражателе 21. Отражатель 21 предусмотрен для отражения света, излучаемого светоизлучающим диодом 6, для увеличения яркости в пределах некоторого угла обзора.

[30] Например, как описано со ссылкой на Фиг. 1, люминесцентные вещества 3, будучи размещенными вокруг светоизлучающего диода 6, могут поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом, или излученного света с длиной волны, отличной от поглощенного света. Люминесцентные вещества 3 могут быть точечно нанесены на светоизлучающий диод 6 в отражателе 21 или могут быть однородно распределены по формовочному элементу 10 из термореактивной смолы. Люминесцентные вещества 3 будут подробно описаны ниже.

[31] Светоизлучающее устройство 200 может также содержать два или более светоизлучающих диода с одинаковыми друг с другом пиками излучения или отличающимися друг от друга пиками излучения, и может дополнительно содержать другие люминофоры в дополнение к люминесцентным веществам 3, как описано со ссылкой на Фиг. 1.

[32] В некоторых примерах светоизлучающее устройство 100 или 200, как показано на Фиг. 1 или Фиг. 2, может включать в себя подложку из металлического материала, например плату с металлическими печатными схемами (PCB - printed circuit board), которая обладает хорошей теплопроводностью. Такая подложка может легко рассеивать тепло от светоизлучающего диода 6. Кроме того, в качестве подложки может использоваться рамка с выводами, включающая в себя выводные клеммы. Такая рамка с выводами может быть окружена и поддерживаться формовочным элементом 10, чтобы инкапсулировать светоизлучающий диод.

[33] Как видно на Фиг. 2, отражатель 21 может быть выполнен из материала, отличного от подложки 1, но не ограничивается этим. Например, отражатель 21 может также быть выполнен из того же материала, что и подложка 1. Рамка с выводами с выводными клеммами может быть отформована со вставкой из пластика, такого как полифталамид (PPA - polyphthalamide), который может образовывать вместе подложку 1 и отражатель 21. Затем выводные клеммы могут загибаться с образованием электродов 5.

[34] На Фиг. 3 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 300 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения. Предполагается, что светоизлучающее устройство 300 может быть известно как светодиодная рампа.

[35] Обращаясь к Фиг. 3, светоизлучающее устройство 300 может иметь пару выводных электродов 31, 32 и углубленную область 33 в форме чаши, сформированную на части верхнего края одного выводного электрода 31. По меньшей мере один светоизлучающий диод 6 может быть установлен в углубленной области 33 и может быть электрически соединен с другим выводным электродом 32 посредством проводящей проволоки 2. Когда в углубленной области 33 смонтировано множество светоизлучающих диодов, они могут излучать свет одной и той же длины волны или отличающихся друг от друга длин волн.

[36] Кроме того, люминесцентные вещества 3 могут быть расположены вокруг светоизлучающего диода 6. Как описано со ссылкой на Фиг. 1, люминесцентные вещества 3, будучи расположенными вокруг светоизлучающего диода 6, могут поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом, и излучать свет с длиной волны, отличной от поглощенного света. Люминесцентные вещества 3 могут быть точечно нанесены на светоизлучающий диод 6 в углубленной области 33 или быть однородно распределены по формовочному элементу 34 из термореактивной смолы, сформированному в углубленной области 33. Люминесцентные вещества 3 будут подробно описаны ниже.

[37] Формовочный элемент 10 может инкапсулировать светоизлучающий диод 6, люминесцентные вещества и часть соответствующей пары выводных электродов 31 и 32. Формовочный элемент 10 может быть образован из эпоксида или силикона, в качестве примера.

[38] Светоизлучающее устройство 300 может быть выполнено имеющим пару выводных электродов 31 и 32. Однако светоизлучающее устройство 300 может иметь больше выводных электродов, чем пара выводных электродов 31 и 32.

[39] На Фиг. 4 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 400 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения. Фиг. 4 может показать корпус со светоизлучающим диодом высокой мощности.

[40] Обращаясь к Фиг. 4, светоизлучающее устройство 400 может содержать теплоотвод 41, обеспечиваемый в корпусе 43. Нижняя поверхность теплоотвода 41 может выступать наружу. Выводные электроды 44 могут быть обнажены внутри корпуса 43 и могут простираться через корпус за его пределы. По меньшей мере один светоизлучающий диод 6 может быть установлен на верхнюю поверхность теплоотвода 41 посредством электропроводящего клея 9 и электрически соединен с одним из выводных электродов 44 посредством электропроводящей проволоки. Кроме того, другая электропроводящая проволока может соединять другой выводной электрод 44 с теплоотводом 41, так что светоизлучающий диод 6 может быть электрически соединен с каждым из двух выводных электродов 44.

[41] В некоторых примерах вокруг светоизлучающего диода 6 на теплоотводе 41 могут быть расположены люминесцентные вещества 3. Как описано со ссылкой на Фиг. 1, люминесцентные вещества 3, будучи расположенными вокруг светоизлучающего диода 6, могут поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом, и излучать свет с длиной волны, отличной от длины волны поглощенного света. Люминесцентные вещества 3 могут быть точечно нанесены на светоизлучающий диод 6 на теплоотводе 41 или быть однородно распределены по формовочному элементу 10 (не показан), чтобы покрывать светоизлучающий диод. Люминесцентные вещества 3 будут подробно описаны ниже.

[42] На Фиг. 5 представлен вид в поперечном сечении светоизлучающего устройства 500 в соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения.

[43] Обращаясь к Фиг. 5, светоизлучающее устройство 500 содержит корпус 53 и множество теплоотводов 51 и 52, которые могут быть связаны с корпусом и быть изолированными друг от друга. Светоизлучающие диоды 6 и 7 могут быть установлены на теплоотводах 51 и 52 посредством электропроводящих клеев и электрически соединены с выводными электродами 54 посредством электропроводящих проволок (не показаны) соответственно. Выводные электроды 54 могут простираться изнутри корпуса 53 наружу. Только в качестве иллюстрации, на Фиг. 5 показаны два выводных электрода 54, но также может быть предусмотрено большее количество выводных электродов.

[44] Например, вокруг по меньшей мере одного из светоизлучающих диодов 6 или 7 могут быть расположены люминесцентные вещества 3, как описано со ссылкой на Фиг. 4. Люминесцентные вещества 3 будут подробно описаны ниже.

[45] В вышеописанных вариантах воплощения настоящего изобретения предполагается, что светоизлучающий диод 6 может быть установлен на подложке 1 или на теплоотводе посредством электропроводящего клея 9 и быть электрически соединен с электродом или выводным электродом посредством электропроводящей проволоки. Обычные специалисты в данной области техники признают, что варианты воплощения могут ограничиваться, когда светоизлучающий диод 6 является «кристаллом с одинарной связью», у которого его электроды находятся на верхней и нижней его сторонах соответственно. Замечено, что когда светоизлучающий диод 6 является «кристаллом с двойной связью», у которого оба электрода находятся на верхней его стороне, светоизлучающий диод 6 может быть электрически соединен с электродами или выводными электродами посредством двух электропроводящих проволок соответственно. В этом примере клей не должен быть электропроводящим.

[46] В некоторых примерах светоизлучающий диод 6 может быть образован из полупроводникового соединения на основе (Al,Ga,In)N.

[47] Светоизлучающий диод 6 может иметь, например, двойную гетероструктуру, структуру с одиночной квантовой ямой или структуру с множественными квантовыми ямами, которые могут иметь одну активную область между слоями полупроводников n-типа и p-типа.

[48] В качестве примера, светоизлучающий диод 6 может содержать множество светоизлучающих ячеек, разнесенных друг от друга на одной подложке. Каждая из светоизлучающих ячеек может содержать активную область, и эти светоизлучающие ячейки могут быть соединены друг с другом последовательно и/или параллельно посредством проволок (проводов) так, чтобы светоизлучающие ячейки могли бы непосредственно возбуждаться источником питания переменного тока. Такой светоизлучающий диод на переменном токе при подключении к источнику питания переменного тока может быть возбужден без внешнего преобразователя переменного тока в постоянный, посредством формирования мостового выпрямителя и последовательной (линейной) цепочки светоизлучающих ячеек, соединенных с выпрямителем, или посредством формирования последовательных цепочек светоизлучающих ячеек на одной подложке, причем эти цепочки электрически соединены друг с другом антипараллельно. Рабочее напряжение светоизлучающего диода на переменном токе может быть увеличено до напряжения бытового потребления, например 110В или 220В, т.к. светоизлучающие ячейки соединены последовательно. По сути может быть предусмотрено светоизлучающее устройство, которое может возбуждаться бытовым источником питания.

[49] В некоторых примерах люминесцентные вещества 3 могут быть расположены между светоизлучающим диодом 6 и подложкой 1, теплоотводом, на который может устанавливаться светоизлучающий диод, или могут быть распределены внутри клея 9. Эти люминесцентные вещества 3 могут поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого вниз светоизлучающим диодом 6, или излученного света с длиной волны, отличной от поглощенного света.

[50] Несмотря на то что выше были описаны несколько структур светоизлучающего устройства, настоящее изобретение может не ограничиваться этими структурами, а структура светоизлучающего устройства по настоящему изобретению может быть модифицирована, исходя из типов светоизлучающих диодов, способа их электрического подсоединения, желаемого угла обзора света и назначения применения светоизлучающего устройства.

[51] Теперь будут описаны люминесцентные вещества, используемые в вариантах воплощения изобретения.

[52] Эта группа люминесцентных веществ может содержать легированные Eu²⁺ силикатные люминофоры, у которых в качестве базовых кристаллических решеток могут использоваться твердые растворы, так называемые смешанные фазы, между оксиортосиликатами щелочноземельных металлов и оксиортосиликатами редкоземельных металлов. Образование твердого раствора между двумя различными типами оксиортосиликатов может быть возможным в некоторых концентрационных пределах, и было обнаружено, что они характеризуются следующим обозначением:

[53] (1-x)M^II ₃SiO₅·xSE₂SiO₅.

[54] В общей структурной формуле M^II предпочтительно может представлять ион щелочноземельного металла Sr или представлять ион другого щелочноземельного металла или двухвалентный ион другого металла, выбранного из группы элементов магний, кальций, барий, медь, цинк и марганец, и эти ионы могут использоваться в определенных количествах, как правило, в дополнение к стронцию, а также в виде смеси друг с другом. В случае бария может быть возможным полное замещение стронция. Доля двухвалентных ионов других металлов, которые могут быть введены в дополнение к стронцию, может составлять до 0,5.

[55] Символ SE, используемый в общей формуле, представляет редкоземельные металлы и обозначает трехвалентные ионы металла иттрия, лантана или так называемых лантаноидов, т.е. элементов с атомными номерами от 58 до 71, но, предпочтительно, соответствующие ионы элементов иттрия, лантана, гадолиния и лютеция. Эти ионы могут быть введены в матрицу как отдельные компоненты или как смеси друг с другом.

[56] Помимо европия и в дополнение к этому легирующему элементу, в принципе, прочие двухвалентные ионы редкоземельных металлов, такие как ионы самария, иттербия или некоторые трехвалентные ионы редкоземельных металлов, такие как, например, ионы церия (Ce³⁺), могут также использоваться в качестве активаторов.

[57] Для целей оптимизации люминесцентных свойств и характеристик стабильности, могут быть возможными дальнейшие модификации на основе состава люминесцентных веществ в соответствии с изобретением. В некоторых примерах кремний может быть заменен германием и/или алюминием, галлием, бором или фосфором, может быть необходимо, однако, предпринять надлежащие меры для сохранения баланса заряда. Они могут состоять, например, в дополнение к введению других одновалентных катионов, во введении лития, натрия или калия, или анионов, таких как фтор, хлор, бром или йод, в базовые кристаллические решетки.

[58] В качестве примера, люминесцентные вещества в соответствии с изобретением имеют следующую формулу:

[59] (1-x)(Sr_3-a-b-zBa_aCa_bM^II _cEu_z)SiO₅·xSE₂SiO₅,

[60] где M^II =Mg, Cu, Zn и/или Mn, а

[61] SE=Y, La, Gd и/или Lu и/или другой элемент, выбранный из группы, состоящей из лантаноидов с атомными номерами от 58 до 71,

[62] и молярные доли

[63] x≤0,2, в особенности, x≤0,1,

[64] 0≤a≤3, 0≤b≤0,05, 0≤c≤0,5

[65] и z≤0,25.

[66] В соответствии с примерными вариантами воплощения настоящего изобретения оксиортосиликаты щелочноземельных металлов и редкоземельных металлов могут образовывать, в некоторых концентрационных пределах, твердые растворы, смешанные кристаллические фазы друг с другом, а активация Eu²⁺ таких базовых кристаллических решеток может привести к эффективным люминесцентным веществам со значительно улучшенной устойчивостью к влаге. Диапазон концентраций для образования твердых растворов может составлять до 15 мол.% оксиортосиликатов редкоземельных металлов.

[67] При возбуждении излучением с высокой энергией люминесцентные вещества в соответствии с изобретением излучают в видимой части спектра, предпочтительно в диапазоне между 560 нм и 620 нм, в зависимости от их конкретного химического состава. Возбуждаемость люминесценции Eu²⁺ может простираться от 220 нм в УФ диапазоне до 550 нм в видимом диапазоне, что означает, что изобретенные люминофоры могут возбуждаться даже зеленым возбуждающим излучением, давая эффективную люминесценцию от желтого до оранжевого или красного.

[68] Приготовление люминесцентных веществ может осуществляться на основе многостадийных высокотемпературных твердофазных реакций, происходящих между карбонатами щелочноземельных и редкоземельных металлов, предпочтительно использующихся в качестве исходного материала, или их соответствующих оксидов и коллоидного SiO₂, к реакционной смеси может быть возможно добавлять некоторые количества флюсов или минерализующих добавок, например NH₄Cl, фториды некоторых щелочных металлов или щелочноземельных металлов, для стимулирования реакционной способности и контроля распределения частиц по размерам в получившихся люминофорах. Эти исходные материалы могут тщательно смешиваться и затем прокаливаться в течение от 1 до 48 часов при температурах от 1300 до 1700°С в инертной или восстановительной атмосфере. Основной процесс прокаливания в целях оптимизации свойств люминесцентных веществ может необязательно иметь множество стадий прокаливания в различных температурных диапазонах. После окончания процесса прокаливания образцы могут охлаждаться до комнатной температуры и подвергаться подходящим процессам последующей обработки, которые предназначены, например, для исключения остатков флюса, минимизации поверхностных дефектов или точной регулировки распределения частиц по размерам.

[69] Вместо коллоидного диоксида кремния в качестве реагента для реакции с соединениями щелочноземельных и редкоземельных металлов может также альтернативно использоваться нитрид кремния (Si₃N₄). Также возможно отдельно друг от друга приготовить соответствующие индивидуальные компоненты оксиортосиликатов щелочноземельных или редкоземельных металлов, а затем обеспечить образование твердого раствора посредством повторяющейся термической обработки в подходящем для этой цели температурном диапазоне.

[70] Подробная информация о приготовлении люминесцентных веществ может быть описана ниже со ссылками на множество рабочих примеров.

[71] Пример 1

[72] Пример 1 описывает приготовление люминесцентного вещества оксиортосиликата стронция с составом (Sr_2,95Ba_0,01Eu_0,04)SiO₅, который считается контрольным материалом для оценки преимуществ изобретенных люминесцентных веществ.

[73] Для приготовления люминесцентных веществ могут быть тщательно смешаны приблизительно 217,75 г SrCO₃, 0,99 г BaCO₃, 3,52 г Eu₂O₃, 31,54 г SiO₂ и 2,68 г NH₄Cl, а затем прокалены в течение примерно 4 часов при температуре приблизительно 1350°C в атмосфере формир-газа. После окончания процесса прокаливания прокаленный материал может быть гомогенизирован посредством измельчения и затем снова подвергнут термической обработке при приблизительно 1350°C в течение примерно двух часов в восстановительной атмосфере N₂/H₂ с концентрацией водорода по меньшей мере примерно 5%. Последующая обработка охлажденного прокаленного материала может включать в себя его измельчение, осуществление процессов промывки и сушку и просеивание конечных продуктов.

[74] Пример 2

[75] Пример 2 описывает синтез люминесцентного вещества, имеющего состав 0,99·(Sr_2,95Ba_0,01Eu_0,04)SiO₅·0,01·Y₂SiO₅. Это люминесцентное вещество может быть приготовлено при поддержании условий прокаливания, описанных в Примере 1, при этом могут быть использованы следующие исходные материалы и количества: 215,58 г SrCO₃, 0,98 г BaCO₃, 1,13 г Y₂O₃, 3,47 г Eu₂O₃, 31,54 г SiO₂ и 2,68 г NH₄Cl.

[76] Пример 3

[77] При приготовлении люминесцентного вещества, имеющего состав 0,95·(Sr_2,8875Ba_0,01Cu_0,0025Eu_0,10)SiO₅·0,05·Gd₂SiO₅, в качестве исходных материалов в Примере 3 могут использоваться 202,48 г SrCO₃, 0,94 г BaCO₃, 0,094 г CuO, 9,06 г Gd₂O₃, 8,36 г Eu₂O₃ и 30,94 г SiO₂, к которым в качестве флюса могут добавляться 4,0 г NH₄Cl. После тщательной гомогенизации исходная смесь может быть перенесена в корундовые тигли, которые могут быть помещены в высокотемпературную печь. В этом примере твердые смеси могут быть подвергнуты режиму прокаливания, который имеет первую стадию 10-часовой выдержки при приблизительно 1200°C, вторую стадию 5-часовой выдержки при приблизительно 1550°C и третью стадию выдержки при приблизительно 1350°C, причем время нахождения на последней стадии составляет 2 часа. Прокаливания осуществляют в чистом азоте до тех пор, пока не достигнут подъем до приблизительно 1550°C, в смеси N₂/H₂ с 20% водорода в течение фазы приблизительно 1550°C, а затем в формир-газе (5% водорода), после окончания стадии прокаливания при приблизительно 1350°C осуществляют охлаждение с наибольшей возможной скоростью. Последующая обработка образцов люминесцентного вещества может быть осуществлена описанным в Примере 1 образом.

[78] Пример 4

[79] Вариант приготовления в соответствии с Примером 4 включает приготовление модифицированных оксиортосиликатов стронция и оксиортосиликатов редкоземельных металлов отдельно друг от друга, а затем применение образования твердого раствора на отдельной стадии получения. Получившееся люминесцентное вещество имеет состав 0,995·(Sr_2,498Ba_0,45Ca_0,002Eu_0,05)SiO₅·0,005·La₂SiO₅.

[80] Синтез компонента (Sr_2,498Ba_0,45Ca_0,002Eu_0,05)SiO₅ может применяться аналогично Примеру 1 посредством использования следующих количеств: 184,39 г SrCO₃, 44,40 г BaCO₃, 0,078 г CaF₂, 3,96 г Eu₂O₃ и 31,54 г SiO₂. Необходимый оксиортосиликат лантана La₂SiO₅ может быть приготовлен в процессе одностадийного прокаливания с использованием 325,81 г La₂O₃, 55,2 г SiO₂ и 2,68 г NH₄Cl, затем тщательно смешанные исходные материалы прокаливают в течение примерно 6 часов при температурах приблизительно 1380°C в формир-газе.

[81] Для получения люминесцентного вещества в его составе, 197,23 г приготовленного компонента (Sr_2,498Ba_0,45Ca_0,002Eu_0,05)SiO₅ и 0,96 г La₂SiO₅ могут подвергаться процедуре тщательного смешивания, а затем нагреваться в течение примерно 6 часов при приблизительно 1150°C в потоке азота с водородом (5%).

[82] На Фиг. 6 представлен график, показывающий рентгенодифрактограммы люминесцентных веществ, приготовления которых описаны в Рабочих Примерах с 1 по 4. Необходимо понимать, что отражения Sr₃SiO₅ известны из литературы, углы дифракции могут быть слегка сдвинутыми по сравнению с чистой фазой Sr₃SiO₅ из-за того, что осуществлены замещения в кристаллической решетке. На любой из дифрактограмм невозможно обнаружить указания на наличие отражений, которые могут быть приписаны моноклинным фазам SE₂SiO₅. Такие отражения фактически могут появляться только вне указанных концентрационных пределов для образования твердых растворов между оксиортосиликатом стронция и соответствующими оксиортосиликатами редкоземельных металлов.

[83] Таблица 1

[84] В Таблице 1 перечислены постоянные решетки других люминесцентных веществ в соответствии с примерными вариантами воплощения изобретения, которые могут быть приготовлены аналогично способу, указанному в Примере 2. Постоянные решетки люминофоров очень похожи друг на друга. С учетом сравнительно небольших долей SE₂SiO₅ в твердых растворах оксиортосиликатов, используемых в качестве базовых кристаллических решеток люминесцентных веществ, невозможно обнаружить ясные тенденции по изменению постоянных решетки.

[85] В Таблице 2 из перечисленных параметров люминесценции люминесцентных веществ в соответствии с примерными вариантами воплощения изобретения очевидны указания на образование твердых растворов между различными кристаллическими решетками оксиортосиликатов. Например, систематические сдвиги цветовых координат и полных ширин на полувысоте максимума (FWHM) спектров излучения, которые могут быть зарегистрированы с увеличением доли SE₂SiO₅, являются надежным показателем образования твердых растворов. При введении оксиортосиликата иттрия или оксиортосиликата гадолиния, с одной стороны, и оксиортосиликата лантана, с другой стороны, могут появляться различия. Эти различия могут быть неизбежными из-за различий в ионных радиусах соответствующих редкоземельных элементов.

[86] Эффективности люминесценции изобретенных люминесцентных веществ и их температурные зависимости показывают улучшения по сравнению с известными люминесцентными веществами Sr₃SiO₅:Eu.

[87] Таблица 2

[88] Результаты, перечисленные в Таблице 2, показывают, что в соответствии со способами приготовления могут быть приготовлены люминесцентные вещества со сравнимыми или в некоторой степени большими эффективностями люминесценции. На Фиг. 7 вместе показаны спектры излучения люминесцентных веществ в соответствии с примерными вариантами воплощения изобретения по Примерам с 1 по 4.

[89] Для оценки устойчивости материалов к влаге соответствующие образцы люминесцентных веществ могут храниться в течение 7 дней в камере с кондиционированием при температуре 85°C и относительной влажности (ОВ) 85%. После этого люминофоры могут сушиться при 150°C, а затем подвергаться сравнительным измерениям эффективности люминесценции. Примерные результаты таких исследований перечислены в Таблице 3.

[90] Таблица 3

[91] Из представленных данных понятно, что как традиционные люминесцентные вещества структуры Sr₃SiO₅:Eu, так и люминесцентные вещества (Sr_2,95Ba_0,01Eu_0,04)SiO₅, приготовленные для целей сравнения, обладают лишь примерно 70% от своих начальных эффективностей люминесценции после завершения процедуры увлажнения. Для сравнения, изобретенные легированные европием оксиортосиликатные люминесцентные вещества со смешанно-фазными базовыми кристаллическими решетками, содержащими оксиортосиликаты щелочноземельных металлов и оксиортосиликаты редкоземельных металлов, обладают значительно улучшенными устойчивостями к влаге. После хранения в атмосфере с 85°C/85% ОВ в течение 7 дней могут все еще быть достигнуты эффективности люминесценции >90%, в случае оптимизированных образцов >95%.

[92] В соответствии с примерными вариантами воплощения изобретения раскрыто светоизлучающее устройство, содержащее светоизлучающий диод для излучения света в ультрафиолетовом или видимом световом диапазоне. Вокруг светоизлучающего диода могут быть расположены люминесцентные вещества, чтобы поглощать по меньшей мере часть света, излучаемого светоизлучающим диодом, и излучать свет с отличной от поглощенного света длиной волны. Далее, светоизлучающее устройство может использовать твердые растворы, называемые смешанными фазами, между оксиортосиликатами щелочноземельных металлов и оксиортосиликатами редкоземельных металлов, где оксиортосиликатные люминесцентные вещества могут быть образованы в качестве базовых кристаллических решеток для активации Eu²⁺, приводящей к люминесценции. Такое образование твердых растворов может вести к стабилизации твердотельной матрицы и значительному улучшению устойчивости соответствующих люминофоров к атмосферной влажности и другим факторам окружающей среды. В данном примере долговечность изобретенных люминесцентных веществ и полученного из них светоизлучающего приспособления может быть надолго улучшена.

[93] Люминесцентные вещества в соответствии с изобретением могут быть предусмотрены согласно следующей формуле:

[94] (1-x)M^II ₃SiO₅·xSE₂SiO₅:Eu.

[95] Эта группа люминесцентных веществ содержит легированные Eu²⁺ силикатные люминофоры, у которых в качестве базовых кристаллических решеток могут использоваться твердые растворы, называемые смешанными фазами, между оксиортосиликатами щелочноземельных металлов и оксиортосиликатами редкоземельных металлов. Было обнаружено образование твердых растворов между двумя различными типами оксиортосиликатов, которое возможно в некоторых концентрационных пределах, которые могут быть охарактеризованы следующим обозначением:

[96] (1-x)M^II ₃SiO₅·xSE₂SiO₅

[97] В традиционной структурной формуле M^II предпочтительно представляет ион щелочноземельного металла Sr или представляет ион другого щелочноземельного металла или двухвалентный ион другого металла, выбранного из группы, состоящей из элементов: магний, кальций, барий, медь, цинк и марганец, и эти ионы могут использоваться в определенных количествах, в дополнение к стронцию, а также в виде смеси друг с другом. В случае бария может быть возможным полное замещение стронция. Доля двухвалентных ионов других металлов, введенных в дополнение к стронцию, может составлять до примерно 0,5.

[98] Символ SE, используемый в общей формуле, может представлять редкоземельные металлы и обозначать трехвалентные ионы металлов иттрия, лантана и лантаноидов, т.е. элементов с атомными номерами с 58 по 71, а предпочтительно - соответствующие ионы элементов иттрия, лантана, гадолиния и лютеция. Эти ионы могут быть введены в матрицу либо в виде отдельных компонентов, либо в виде смесей друг с другом.

[99] Помимо европия и в дополнение к этому легирующему элементу, в принципе, другие двухвалентные ионы редкоземельных металлов, такие как, например, ионы самария, иттербия или некоторые трехвалентные ионы редкоземельных металлов, например, ионы церия (Ce³⁺), также, в принципе, могут использоваться в качестве активаторов.

[100] С целью оптимизации свойств люминесценции и стабильности поведения, возможны и другие модификации в случае состава люминесцентных веществ согласно примерным вариантам воплощения изобретения. Таким образом, например, кремний может замещаться германием и/или алюминием, галлием, бором или фосфором, однако отмечено, что в последних случаях необходимо предпринимать надлежащие меры для поддержания баланса заряда. Они могут также включать в базовые кристаллические решетки согласно изобретению, например одновалентные катионы, литий, натрий или калий, или анионы, например фтор, хлор, бром или йод.

[101] В соответствии с примерными вариантами воплощения люминесцентные вещества имеют следующую формулу:

[102] (1-x)(Sr_3-a-b-zBa_aCa_bM^II _cEu_z)SiO₅·xSE₂SiO₅,

[103] где M^II=Mg, Cu, Zn и/или Mn, и

[104] SE=Y, La, Gd и/или Lu и/или другой элемент, выбранный из группы, состоящей из лантаноидов с атомными номерами от 58 до 71,

[105] и молярные доли

[106] x≤0,2, в частности x≤0,1,

[107] 0≤a≤3, 0≤b≤0,05, 0≤c≤0,5

[108] и z≤0,25.

[109] Оксиортосиликаты щелочноземельных металлов и оксиортосиликаты редкоземельных металлов не только отличаются друг от друга природой и зарядом соответствующих катионов, но и имеют значительно отличающиеся кристаллические структуры. Причина различных характеристик состоит в том, что соединения щелочноземельных металлов образуют тетрагональные кристаллические решетки с пространственной группой P4/ncc, тогда как оксиортосиликаты редкоземельных металлов кристаллизуются в моноклинной сингонии с пространственными группами P2/c и B2/b соответственно.

[110] Оба класса соединений являются подходящими решетками-хозяевами для легирования активаторами редкоземельными металлами. Оксиортосиликаты щелочноземельных металлов, как описано, предпочтительно легированы двухвалентными ионами, т.е., например, ионами Eu²⁺, хотя, конечно, в базовые решетки оксиортосиликатов редкоземельных металлов могут встраиваться, в частности, трехвалентные ионы редкоземельных металлов, т.е., например, активаторы Eu³⁺ или Ce³⁺. В этом контексте в качестве примера может быть упомянуто люминесцентное вещество Y₂SiO₅:Ce как представитель данного класса люминесцентного вещества, которое может излучать в синем диапазоне видимого спектра чрезвычайно эффективным образом при возбуждении ионизирующим или ультрафиолетовым излучением и поэтому может использоваться в детекторах рентгеновского излучения, в электронно-лучевых трубках или экранах плазменных индикаторных панелей (PDP).

[111] В соответствии с примерными вариантами воплощения изобретения оксиортосиликаты щелочноземельных и редкоземельных металлов могут в некоторых концентрационных пределах образовывать друг с другом твердые растворы, смешанные кристаллические фазы, и активация Eu²⁺ таких базовых кристаллических решеток приводит к эффективным люминесцентным веществам, имеющим значительно улучшенную устойчивость к влаге. Диапазон концентраций для образования твердого раствора может составлять до примерно 15 мол.% оксиортосиликата редкоземельного металла.

[112] При возбуждении излучением с высокой энергией люминесцентные вещества могут излучать в видимой части спектра, предпочтительно в диапазоне между приблизительно 560 и приблизительно 620 нм, в зависимости от их конкретного химического состава. Возбудимость люминесценции Eu²⁺ может простираться от приблизительно 220 нм в ультрафиолетовом диапазоне до приблизительно 550 нм в видимом диапазоне, что означает, что изобретенные люминофоры могут возбуждаться даже зеленым возбуждающим излучением, давая эффективную люминесценцию от желтого до оранжевого или красного. Интенсивные и технически пригодные процессы люминесценции могут появляться даже при облучении люминесцентных веществ электронными пучками, рентгеновскими лучами или гамма-излучением. Из-за своих свойств люминесценции люминесцентные вещества могут использоваться в качестве преобразователей излучения для преобразования ионизирующего гамма-излучения, или рентгеновского излучения, или электронных пучков, ультрафиолетового, синего или зеленого излучения в более длинноволновый, видимый свет, который предпочтительно может излучаться в желтом, оранжевом или красном спектральном диапазоне. Они могут использоваться в множестве технических устройств, например в катодно-лучевых трубках и других системах генерации изображения (например, в установках сканирования лазерным лучом), в преобразователях рентгеновского изображения, во флуоресцентных лампах, LED, излучающих цветной и белый свет, в солнечных элементах, или в листах и стеклах для теплиц в качестве преобразователей излучения, в отдельности или в комбинации с другими люминесцентными веществами, излучающими синий, зеленый, желтый и/или красный света.

[113] Светоизлучающее устройство может реализовывать белый свет или свет желаемого цвета в комбинации со светом, излучаемым светоизлучающим диодом, и светом, излучаемым люминесцентными веществами. Например, белый свет или свет желаемого цвета может быть реализован посредством смешивания света, излучаемого светоизлучающим диодом, и света, излучаемого люминесцентными веществами. Более того, для реализации света желаемого цвета могут быть добавлены другие люминесцентные вещества.

[114] Люминесцентные вещества могут быть расположены на по меньшей мере одной из боковых, верхней или нижней поверхностей светоизлучающего диода. Далее, люминофоры могут быть подмешаны в клей или формовочный элемент, с тем чтобы люминофоры могли располагаться вокруг светоизлучающего диода.

[115] Светоизлучающий диод и люминесцентные вещества могут быть сформированы внутри одного корпуса. Кроме того, внутри корпуса может быть сформирован другой светоизлучающий диод. Другой светоизлучающий диод может излучать свет той же самой длины волны или длины волны, отличной от излучаемой вышеуказанным светоизлучающим диодом. Например, другой светоизлучающий диод может излучать свет с большей длиной волны, чем пиковая длина волны излучения люминесцентных веществ.

[116] Корпус может включать в себя подложку, содержащую печатную плату и рамку с выводами, на которую установлен светоизлучающий диод. Помимо этого корпус может дополнительно содержать отражатель, отражающий свет, излучаемый светоизлучающим диодом. В этом примере светоизлучающий диод может быть установлен в отражатель.

[117] Более того, светоизлучающее устройство может дополнительно содержать формовочный элемент для инкапсуляции светоизлучающего диода на подложке. Люминесцентные вещества могут быть распределены в формовочном элементе, но не ограничиваются этим.

[118] Далее, корпус может содержать теплоотвод, и светоизлучающий диод может быть установлен на теплоотводе.

[119] В различных вариантах воплощения настоящего изобретения светоизлучающий диод может быть сформирован из сложных полупроводников на основе (Al,Ga,In)N.

[120] Светоизлучающий диод может иметь, например, двойную гетероструктуру с одной активной областью, структуру с одиночной квантовой ямой или структуру с множественными квантовыми ямами, расположенную между слоями полупроводников n-типа и p-типа.

[121] Светоизлучающий диод может содержать множество светоизлучающих ячеек, разнесенных друг от друга на одной подложке. Каждая из светоизлучающих ячеек содержит активную область, и эти светоизлучающие ячейки могут соединяться друг с другом последовательно и/или параллельно посредством проводов так, чтобы светоизлучающие ячейки могли бы напрямую возбуждаться от источника питания переменного тока. Такой работающий на переменном токе светоизлучающий диод может приводиться в действие в связи с источником питания переменного тока без внешнего преобразователя переменного тока в постоянный посредством формирования мостового выпрямителя и последовательной цепочки светоизлучающих ячеек, соединенных с выпрямителем, или посредством формирования последовательных цепочек светоизлучающих ячеек на одной подложке, причем эти цепочки электрически соединены друг с другом антипараллельно.

[122] Специалистам в данной области техники будет понятно, что в настоящем изобретении могут быть проделаны различные модификации и вариации без отклонения от сущности или объема изобретения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает такие модификации и вариации изобретения, при условии, что они находятся в рамках объема прилагаемой формулы изобретения и ее эквивалентов.