发光器件、用于发光器件的光学元件、以及方法
【专利说明】发光器件、用于发光器件的光学元件、从及方法
[0001] 本申请是于2010年8月16日提交的题为"发光器件、用于发光器件的光学元件、W 及方法"的中国专利申请号201080046736.2的分案申请。
[0002] 优先权声明
[0003] 本申请要求2009年8月14日提交的美国申请第61/234,179号的优先权，其全部内 容W引用方式结合于本文。
技术领域
[0004] 本发明设及发光器件的技术领域，包括纳米颗粒、照明器材和包括纳米颗粒的元 件、W及方法。
【发明内容】
[0005] 按照本发明的一个方面，提供了一种发白光的发光器件，该器件包括：灰白色光 源，其中灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在从约360皿至约475皿的第一光谱区中 的至少一个谱分量、在从约475nm至约575nm的第二光谱区中的至少一个谱分量、和在至少 一个其他光谱区中的至少一个亏量(deficiency); W及光学元件，该光学元件被定位W接 收由光源产生的灰白色光的至少一部分，上述光学元件包含用于将灰白色光的光谱输出的 至少一部分转换成一个或多个预定波长的光学材料，至少之一具有在至少一个亏量光谱区 中的波长，W致由发光器件发射的光包括白光，其中光学材料包含量子约束半导体纳米颗 粒。
[0006] 在某些实施方式中，光源包括一个或多个光源。
[0007] 在某些实施方式中，光源包括一个或多个固态半导体发光二极管。
[000引在某些实施方式中，灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在蓝色光谱区（例 如，从约400nm至约475nm)中的至少一个谱分量。
[0009] 在某些实施方式中，灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在绿色光谱区（例 如，从约500nm至约550nm)中的至少一个谱分量。
[0010] 在某些实施方式中，灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在黄色光谱区（例 如，从约550nm至约575nm)中的至少一个谱分量。
[0011] 在某些实施方式中，灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在蓝色光谱区中的 至少一个谱分量和在绿色和/或黄色光谱区中的至少一个谱分量。
[0012] 在某些实施方式中，灰白色光包括光谱输出，该光谱输出包括在蓝色光谱区中的 至少一个谱分量和在绿色光谱区中的至少一个谱分量。
[0013] 在某些实施方式中，通过光学元件的光源的一个或多个光谱亏量的补偿可W改变 来自光源的光输出W实现具有一般显色指数(Ra)的白光。（一般显色指数(Ra)在本文中还称 作CRI。）在某些实施方式中，CRI是至少75。在某些实施方式中，CRI是至少80。在某些实施方 式中，CRI是至少85。在某些实施方式中，CRI是至少90。在某些实施方式中，CRI是至少95。
[0014] 在某些优选实施方式中，白光输出可W具有为正数的R9值。更优选地，R9值是至少 50。最优选地，R9值大于80。
[0015] 在某些实施方式中，由发白光的器件发射的白光可W具有预定CRI。在某些实施方 式中，预定CRI是至少75。在某些实施方式中，预定CRI是至少80。在某些实施方式中，预定 CRI是至少85。在某些实施方式中，预定CRI是至少90。在某些实施方式中，预定CRI是至少 95。
[0016] 在某些实施方式中，例如，在光源发射在红色光谱区中具有光谱亏量的灰白色光 的情况下，预定波长的范围可W是约575nm至约650nm、约580nm至约630nm、约590nm至约 630nm、约 590nm 至约 630nm、或约 605nm 至约 620nm。
[0017] 在某些实施方式中，例如，在光源发射在青色光谱区中具有光谱亏量的灰白色光 的情况下，预定波长可W是在从约450nm至约500nm的范围内。
[0018] 在某些实施方式中，例如，在光源发射具有一个或多个光谱亏量的灰白色光的情 况下，光学元件可W包含光学材料，该光学材料包括一种或多种不同类型的量子约束半导 体纳米颗粒(基于组成、结构和/或尺寸），其中每种不同类型的量子约束半导体纳米颗粒可 W将灰白色光的一部分转换成预定波长，该预定波长不同于由包括在光学材料中的任何其 他类型的量子约束半导体纳米颗粒的至少一种发射的预定波长。
[0019] 在包括两种或更多种不同类型的量子约束半导体纳米颗粒(其在不同预定波长下 发射)的实施方式中，不同类型的量子约束半导体纳米颗粒可W包括在一种或多种不同光 学材料中。在某些实施方式中，不同类型的量子约束半导体纳米晶体可W包括在分开的光 学材料中。
[0020] 在包括两种或两种W上不同光学材料的某些实施方式中，上述不同光学材料可 W，例如，包括为分层布置的单独层和/或包括为图案化层的单独部分。
[0021] 在包括两种或更多种不同类型的量子约束半导体纳米颗粒(其在不同预定波长下 发射)的某些实施方式中，不同类型的量子约束半导体纳米颗粒可W包括在叠放设置的两 种或更多种不同光学元件中。在运样的实施方式中，每个光学元件可W包括一种或多种光 学材料(如本文描述的）。
[0022] 在包括两种或更多种不同类型的量子约束半导体纳米颗粒(其在不同预定波长下 发射)的实施方式中，由发光器件发射的白光包括在上述两个或更多不同预定波长下的谱 分量。在运种情况下，选择两个或更多不同预定波长W满足或补偿光源的一个或更多光谱 亏量。
[0023] 在其中灰白色光源具有一个W上光谱亏量的某些实施方式中，可W通过寻址在至 少红色光谱区中的光谱亏量来实现所期望的白光输出。
[0024] 在某些实施方式中，通过光学元件的光源的一个或多个光谱亏量的补偿可W改变 来自光源的光输出W实现相关色溫(CCT)的白光。在某些实施方式中，白光可W具有预定 CCT。在某些实施方式中，发白光发光器件的白光输出可W具有至少约2000K的CCT。在某些 实施方式中，发白光发光器件的白光输出可W具有至少约2500K的CCT。在某些实施方式中， 发白光发光器件的白光输出可W具有至少约3000K的CCT。在某些实施方式中，发白光发光 器件的白光输出可W具有至少约4000K的CCT。在某些实施方式中，发白光发光器件的白光 输出可W具有至少约5000K的CCT。
[00巧]在某些实施方式中，通过使用光学元件，在从约2500K至约3500K的范围内，CCT的 改变并不显著影响产生自灰白色光源的白光的流明/瓦效率（lumens per watt efficiency)。例如，当CCT在从约2500K至约3500K的范围内改变时，流明/瓦效率并不相差 大于10个百分点(相对于10%的初始流明/瓦效率值）。
[0026] 在某些优选实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒包含半导体纳米晶体。
[0027] 在某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒具有至少40%的固态量子效率。在 某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒具有至少50%的固态量子效率。在某些实施方 式中，量子约束半导体纳米颗粒具有至少60 %的固态量子效率。在某些实施方式中，量子约 束半导体纳米颗粒具有至少70%的固态量子效率。在某些实施方式中，量子约束半导体纳 米颗粒具有至少80%的固态量子效率。在某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒具有 至少90 %的固态量子效率。
[0028] 在某些实施方式中，在固态发光器件的操作过程中，量子约束半导体纳米颗粒维 持至少40%的效率。
[0029] 在某些优选实施方式中，光学材料包含能够发射红光的量子约束半导体纳米颗 粒。
[0030] 在某些实施方式中，例如，由发白光发光器件发射的白光可W具有预定一般显色 指数(Ra)。在某些实施方式中，由发光器件发射的白光具有至少75的一般显色指数(Ra)。在 某些实施方式中，由发光器件发射的白光具有至少80的一般显色指数(Ra)。在某些实施方 式中，由发光器件发射的白光具有至少85的一般显色指数(Ra)。在某些实施方式中，由发光 器件发射的白光具有至少90的一般显色指数(R3)。在某些实施方式中，由发光器件发射的 白光具有至少95的一般显色指数(Ra)。
[0031] 在某些优选实施方式中，白光输出可W具有为正数的R9值。更优选地，R9值是至少 50。最优选地，R9值大于80。
[0032] 在某些实施方式中，发光器件维持大于60%的光源流明/瓦效率。在某些实施方式 中，发光器件维持大于70%的光源流明/瓦效率。在某些实施方式中，发光器件维持大于 80%的光源流明/瓦效率。在某些实施方式中，发光器件维持大于90%的光源流明/瓦效率。 在某些实施方式中，发光器件维持大于100%的光源流明/瓦效率。在某些实施方式中，发光 器件维持大于110%的光源流明/瓦效率。
[0033] 在某些实施方式中，通过使用光学元件，在从约2500K至约3500K的范围内，CCT的 改变并不显著影响产生自灰白色光源的白光的流明/瓦效率。例如，当在从约2500K至约 3500K的范围内改变CCT时，相比于初始值，流明/瓦效率并不相差大于10个百分点（相对于 初始流明/瓦效率值的相差10% )。
[0034] 在某些实施方式中，光学材料进一步包含其中分布有量子约束半导体纳米颗粒的 基质材料。在某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒包括在光学材料中，用量为基质材 料的重量的约0.001至约5重量百分比。在某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒包括 在光学材料中，用量为基质材料的重量的约0.5至约3重量百分比。在某些实施方式中，量子 约束半导体纳米颗粒包括在光学材料中，用量为基质材料的重量的约1至约3重量百分比。 在某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒包括在光学材料中，用量为基质材料的重量 的约1至约2重量百分比。
[0035] 在光学材料进一步包括基质材料的某些实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒可 W包括在光学材料中，用量大于基质材料的约5重量百分比。例如，基于基质材料的重量，光 学材料可W包括约5至约20重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒;基于基质材料的重量， 光学材料可W包括约5至约15重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒;基于基质材料的重 量，光学材料可W包括约5至约10重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒等。
[0036] 在光学材料中，在上述范围W外的量子约束半导体纳米颗粒的其他浓度也可W被 确定为可用或需要的。
[0037] 在某些实施方式中，光学材料进一步包含光散射体。
[0038] 在某些实施方式中，光散射体包括光散射颗粒。
[0039] 在某些实施方式中，光散射颗粒包括在光学材料中，用量为基质材料的重量的约 0.0 Ol至约5重量百分比。在某些实施方式中，光散射颗粒包括在光学材料中，用量为基质材 料的重量的约0.25至约4重量百分比。在某些实施方式中，光散射颗粒包括在光学材料中， 用量为基质材料的重量的约0.5至约3重量百分比。在某些实施方式中，光散射颗粒包括在 光学材料中，用量为基质材料的重量的约0.5至约2重量百分比。在某些实施方式中，光散射 颗粒包括在光学材料中，用量为基质材料的重量的约1至约2重量百分比。
[0040] 在某些实施方式中，在光学材料中包括光散射颗粒，用量大于基质材料的约5重量 百分比。例如，基于基质材料的重量，光学材料可W包括约5至约20重量百分比的光散射颗 粒;基于基质材料的重量，光学材料可W包括约5至约15重量百分比的光散射颗粒;基于基 质材料的重量，光学材料可W包括约5至约10重量百分比的光散射颗粒等。
[0041] 在光学材料中，在上述范围W外的光散射颗粒的其他浓度也可W被确定为可用或 需要的。
[0042] 在某些实施方式中，光学元件进一步包括支撑元件。优选地，支撑元件对于发射自 光源的光和对于发射自纳米颗粒的光是光学透明的。
[0043] 在某些实施方式中，支撑元件可W包括其他可选层。
[0044] 在某些实施方式中，支撑元件可W包括其他可选部件。
[0045] 在某些实施方式中，至少部分地封装光学材料。
[0046] 在某些实施方式中，完全封装光学材料。
[0047] 在某些实施方式中，包括支撑元件的光学元件可W用作发光器件的盖板。
[004引在某些实施方式中，支撑元件包括发光器件的光扩散组件。
[0049] 在某些实施方式中，支撑元件是刚性的。
[0050] 在某些实施方式中，支撑元件是柔性的。
[0051] 在某些实施方式中，将包含量子约束半导体纳米颗粒的光学材料设置在支撑元件 的至少一部分表面上。在某些实施方式中，将光学材料设置在支撑元件的至少一部分主要 表面上。在某些实施方式中，将光学材料设置在支撑元件和保护涂层或覆盖层（cover)之 间，其中上述保护涂层或覆盖层对于由光源和光学材料发射的光是光学透明的。
[0052] 在某些实施方式中，将光学材料设置为在支撑元件的表面的预定面积上的一层或 多层。
[0053] 在某些实施方式中，上述层包含光学材料，其进一步包括其中分布有量子约束半 导体纳米颗粒的基质材料。在某些实施方式中，基于基质材料的重量，上述层包括包含约 0.001至约5重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒。
[0054] 在某些实施方式中，基于基质材料的重量，上述层包括大于约5重量百分比的量子 约束半导体纳米颗粒。例如，基于基质材料的重量，上述层可W包括约5至约20重量百分比 的量子约束半导体纳米颗粒、约5至约15重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒、约5至约 10重量百分比的量子约束半导体纳米颗粒等。
[0055] 在上述层中，在上述范围W外的量子约束半导体纳米颗粒的其他浓度也可W被确 定为可用或需要的。
[0056] 在某些实施方式中，上述层进一步包含光散射体。
[0057] 在某些实施方式中，光散射体包括在层中，用量为基质材料的重量的约0.001至约 5重量百分比。
[0058] 在某些实施方式中，基于基质材料的重量，上述层包括大于约5重量百分比的光散 射颗粒。例如，基于基质材料的重量，上述层可W包括约5至约20重量百分比的光散射颗粒、 约5至约15重量百分比的光散射颗粒、约5至约10重量百分比的光散射颗粒等。
[0059] 在上述层中，在上述范围W外的光散射颗粒的其他浓度也可W被确定为可用或需 要的。
[0060] 在某些实施方式中，包括光学材料(其包括基质材料）的层的厚度为，例如，约0.1 微米至约1cm。在某些实施方式中，包括光学材料(其包括基质材料）的层的厚度为约0.1至 约200微米。在某些实施方式中，包括光学材料(其包括基质材料）的层的厚度为约10至约 200微米。在某些实施方式中，包括光学材料(其包括基质材料)的层的厚度为约30至约80微 米。
[0061 ]在某些优选实施方式中，光学材料并不直接接触光源。
[0062] 在某些优选实施方式中，光学元件并不直接接触光源。
[0063] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为100°C或更低。
[0064] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为90°C或更低。
[0065] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为75°C或更低。
[0066] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为60°C或更低。
[0067] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为50°C或更低。
[0068] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为40°C或更低。
[0069] 在某些实施方式中，在操作过程中，在固态发光器件中，在纳米颗粒的位置处的溫 度为约30°C至约60°C。
[0070] 在某些实施方式中，光源包括发灰白色光固态半导体发光二极管或器件(本文中 也被称作"LE护）。
[0071 ]在某些实施方式中，发灰白色光L邸包括发蓝光半导体LED，其包括发光物质，用于 将蓝色L邸光输出转换成灰白色光输出。
[0072] 在某些实施方式中，发光物质可W包含憐。在某些实施方式中，发光物质可W包含 颜色转换染料。在某些实施方式中，发光物质可W包含颜色转换颜料。在某些实施方式中， 发光物质可W包含量子约束半导体纳米颗粒。在某些实施方式中，发光物质可W包含一种 或多种不同类型的发光物质。在某些实施方式中，发光物质包含一种或多种不同发光物质。 在包括两种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，不同发光物质的至少两种能够将来 自光源的光转换成具有彼此不同波长的光。在其中发光物质包括两种或更多种不同发光物 质的某些实施方式中，两种或更多种不同发光物质可W包括在混合物中。在其中发光物质 包括两种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，每种发光物质可W包括在单独层中的 L邸中。在其中发光物质包括=种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，=种或更多种 发光物质可W包括在一层或多层中的L邸中，每层可W包括一种或多种发光物质。
[0073] 在某些实施方式中，发光物质包括运样的发光物质，其将由Lm)发射的蓝光的一部 分转换成绿光。在某些优选实施方式中，发光物质包括憐，其能够将蓝光转换成绿光。
[0074] 在某些实施方式中，发光物质包括运样的发光物质，其将由Lm)发射的蓝光的一部 分转换成黄光。在某些优选实施方式中，发光物质包括憐，其能够将蓝光转换成黄光。
[0075] 在某些实施方式中，L抓包括第一发光物质，其将由L抓发射的蓝光的一部分转换 成黄光，W及第二发光物质，其将由LED发射的蓝光的一部分转换成绿光。在某些优选实施 方式中，第一发光物质包括憐，其能够将蓝光转换成黄光，W及第二发光物质包括憐，其能 够将蓝光转换成绿光。
[0076] 在某些实施方式中，可W采用一种或多种其他发光物质。在某些实施方式中，一种 或多种其他发光物质包括憐。
[0077] 在某些实施方式中，发灰白色光Lm)包括发UV光半导体LED，其包括发光物质，用于 将UV L邸光输出转换成灰白色光。
[0078] 在某些实施方式中，发光物质可W包含憐。在某些实施方式中，发光物质可W包含 颜色转换染料。在某些实施方式中，发光物质可W包含颜色转换颜料。在某些实施方式中， 发光物质可W包含量子约束半导体纳米颗粒。在某些实施方式中，发光物质可W包含一种 或多种不同类型的发光物质。在某些实施方式中，发光物质包含一种或多种不同发光物质。 在包括两种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，不同发光物质的至少两种能够将来 自光源的光转换成具有彼此不同波长的光。在其中发光物质包括两种或更多种不同发光物 质的某些实施方式中，两种或更多种不同发光物质可W包括在混合物中。在其中发光物质 包括两种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，每种发光物质可W包括在在单独层中 的Lm)中。在其中发光物质包括=种或更多种不同发光物质的某些实施方式中，=种或更多 种发光物质可W包括在一层或多层的L邸中，其中每层可W包括一种或多种发光物质。
[0079] 在某些实施方式中，发光物质包括运样的发光物质，其将由L邸发射的UV光的一部 分转换成绿光。在某些优选实施方式中，发光物质包括憐，其能够将UV光转换成绿光。
[0080] 在某些实施方式中，发光物质包括运样的发光物质，其将由L邸发射的UV光的一部 分转换成黄光。在某些优选实施方式中，发光物质包括憐，其能够将UV光转换成黄光。
[0081] 在某些实施方式中，L抓包括第一发光物质，其将由L抓发射的UV光的一部分转换 成黄光，W及第二发光物质，其将由LED发射的UV光的一部分转换成绿光。在某些优选实施 方式中，第一发光物质包括憐，其能够将UV光转换成黄光，W及第二发光物质包括憐，其能 够将UV光转换成绿光。
[0082] 在某些实施方式中，可W采用一种或多种其他发光物质。在某些实施方式中，一种 或多种其他发光物质包括憐。
[0083] 在某些实施方式中，发光器件包括:光源，该光源包括能够发射灰白色光的LED，其 中灰白色光包括蓝色光谱分量和绿色和/或黄色光谱分量并且包括在红色光谱区中的亏 量；W及光学元件，该光学元件被定位W接收由LED发射的光，光学元件包含光学材料，用于 将灰白色光的至少一部分转换成在具有约595nm至约65化m的波长的红色光谱区中的光。W 致由发光器件发射的光包括白光，其中光学材料包含量子约束半导体纳米颗粒。
[0084] 在某些实施方式中，发光器件包括:发灰白色光光源，该发灰白色光光源包括发射 灰白色光的LED，其中灰白色光包括蓝色光谱分量和绿色和/或黄色光谱分量并且包括在澄 色至红色光谱区中的亏量；W及光学元件，该光学元件被定位W接收由Lm)发射的光，光学 元件包含光学材料，用于将灰白色光的至少一部分转换成在从约575nm至约650nm的光谱区 中的光，W致由发光器件发射的光包括白光，其中光学材料包含量子约束半导体纳米颗粒。 在某些实施方式中，例如，光学材料可W将灰白色光的至少一部分转换成在从约575nm至约 650nm、从约580至约630nm、从约590nm至约630nm、从约600nm至约620nm、从约605nm至约 615nm等的光谱区中的光。
[0085] 在包括灰白色光源(其发射灰白色光，该灰白色光包括在蓝色光谱区中的发射)的 某些实施方式中，，量子约束半导体纳米颗粒转换至少10%的在蓝色光谱区中的发射。
[0086] 在某些运样的实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒转换至少30%的在蓝色光谱 区中的发射。
[0087] 在某些运样的实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒转换至少60%的在蓝色光谱 区中的发射。
[0088] 在某些运样的实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒转换不大于95%的在蓝色光 谱区中的发射。
[0089] 在某些运样的实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒转换不大于90%的在蓝色光 谱区中的发射。
[0090] 在某些运样的实施方式中，量子约束半导体纳米颗粒转换约50%至约80%的在蓝 色光谱区中的发射。
[0091] 在某些实施方式中，包括在光学材料中的量子约束半导体纳米颗粒是无儒的。
[0092] 在某些实施方式中，包括在光学材料中的量子约束半导体纳米颗粒包括III-V半 导体材料。
[0093] 在某些实施方式中，包括在光学材料中的量子约束半导体纳米颗粒包括半导体纳 米晶体，该半导体纳米晶体包括包含半导体材料的核和设置在核表面的至少一部分上的无 机壳。
[0094] 按照本发明的另一个方面，提供了光学元件，用于从发射灰白色光的光源产生具 有预