一种可连续消毒的发光装置及其制备方法与流程

本发明属于半导体照明技术领域，具体涉及一种可连续消毒的发光装置及其制备方法。

背景技术：

通常，不同形式的光可应用于不同的场景。通过发射特定波长的光，可以实现诸如细菌、真菌或病毒的灭活，塑料或其他材料的固化，热量的产生等。目前，已经实现了多种具有额外功能的照明装置，这些照明装置通过使用光的各种替代功能(例如光化学，光生物，辐射能等)提供照明的双重或多重功能，以应用于园艺、健康、保暖和消毒等。

医院获得性感染(hai)是当前重要的公共卫生问题之一。美国疾病控制与预防中心(cdc)统计，每年约有5％的患者因细菌、病毒或真菌感染而患上hai。hai可以增加医疗费用45亿美元，延长住院时间800万个住院日，并直接导致19000名患者死亡，间接导致58000名患者死亡。医院中的环境污染是这些hai来源的关键因素。目前针对环境污染的解决方法很广，从传统的拖地和表面清洁到使用爆发紫外线(uv)和过氧化氢蒸汽。然而，几乎每家医院都存在感染现象。

在牲畜培养和农产品生产中，细菌、真菌或病毒导致的污染会造成动植物的死亡和所提供产品的腐败。常见的生产方法是密集地饲养动物和植物以提高效率，但是在这样的环境中，微生物的污染会迅速蔓延，使感染在植物或动物之间传播。目前，采用的主要控制方法是大量使用杀虫剂、抗生素和化学清洁剂，以防止动物或农产品受到污染，但动植物损失以及最终产品损失仍然是行业面临的问题。因此，需要更好的方法来控制培养环境和加工设施中的微生物以防止最终产品的损失。

在食品特别是生鲜的运输和零售中，许多产品是易腐烂的，具有非常短的保质期，如肉类、农产品或鱼类。易腐食品通常冷藏存储，以减缓细菌的繁殖和生长。然而，虽然冷藏可以延长食品寿命和质量，但实际上低温只能使细菌活动变慢，并不能杀死细菌，而且某些细菌在低温环境下依然非常活跃，仍能滋生繁殖并污染食物。同时，冷藏环境条件下湿度较大，这样不利于食品保鲜。

众所周知，紫外线(uv)光源具有杀菌消毒作用，利用适当波长的紫外线能够破坏微生物机体细胞中的dna或rna的分子结构，从而使细菌灭活。目前用于灭菌的紫外线主要是短波紫外线(100-280nm)，其能量几乎可以瞬间杀死大多数病原体，但是这种范围的光谱也会杀死健康细胞，对眼睛和其他器官也是危险的，因此无法在人和其它动物存在的场景下使用。研究发现，可见光谱(400-420nm)也能够产生杀菌效果。波长为405nm的光能够引起细胞内的活性氧(ros)生成，这些带负电荷的氧离子反过来又会抑制细胞新陈代谢并且有效抑制例如菌群的生长。虽然更长波长的光需要更长的时间才能杀死细菌，但不损害人和动植物的健康，可以实现持续性消毒。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可连续消毒的发光装置及其制备方法，其能够发出白光并且同时能够发射一定比例的可使某些微生物失活的特定波长的光，以同时实现照明和杀菌消毒的功能。

为达到上述目的，本发明所述一种可连续消毒的发光装置包括基板，所述基板上固定有led芯片，所述led芯片外包裹有灯罩，所述灯罩与led芯片之间设置有碳纳米点；所述led芯片的发光峰值波长为400nm-420nm，所述碳纳米点的吸收峰在400nm-420nm之间。

进一步的，所述碳纳米点以碳纳米点荧光粉或碳纳米点薄膜的形式封装在灯罩上，碳纳米点荧光粉或碳纳米点薄膜的厚度为：50μm-100μm。

一种可连续消毒的发光装置的制备方法，，包括以下步骤：

步骤1：制备碳纳米点溶液；

步骤2：由碳纳米点溶液制备碳纳米点粉；

步骤3：将碳纳米点粉封装在led芯片外，将led芯片安装在基板上，在led芯片外安装灯罩；所述led芯片的发光峰值波长为400nm-420nm。

进一步的，步骤2包括以下步骤：

步骤2.1、将硅酸钠粉末溶于去离子水中，得到浓度为3mol/l-5mol/l的硅酸钠溶液；

步骤2.2、将步骤1制备的碳纳米点溶液和步骤2.1制备的硅酸钠溶液加入去离子水中并搅拌，得到溶液a；其中，碳纳米点溶液、硅酸钠溶液以及去离子水的体积比为(0.5～2):2:1；

步骤2.3、将步骤2.2中混合溶液置于微波炉中进行加热，直至溶液a成为发泡状固体，微波功率为600w-700w；

步骤2.4、将步骤2.3得到的发泡状固体研磨，得到碳纳米点荧光粉。

进一步的，步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、称取聚二甲基硅氧烷a剂，并搅拌2min以上；再将聚二甲基硅氧烷a剂与碳纳米点荧光粉混合并充分搅拌后加入聚二甲基硅氧烷b剂；其中聚二甲基硅氧烷a剂与聚二甲基硅氧烷b剂的质量比为1:10，聚二甲基硅氧烷a剂与聚二甲基硅氧烷b的质量之和与荧光粉的质量比为(3～5):1，混合后搅拌均匀，得到混合物b；

步骤3.2、将步骤3.1得到的混合物b置于烘箱中进行反复抽气/充气，直至混合物b不再有气泡冒出，得到荧光胶；

步骤3.3、将步骤3.2得到的荧光胶先搅拌均匀后，用匀胶机旋涂在led芯片(1)表面，匀胶的第一阶段：500r/min，持续时间30s，第二阶段：2000r/s，持续时间90s；步骤3.4、将涂覆有荧光胶的led芯片进行烘烤，烘烤温度为80℃-100℃，时间为0.5-1.5h。

一种可连续消毒的发光装置的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备碳纳米点溶液；

步骤2：用步骤1得到的碳纳米点溶液制备碳纳米点薄膜，将步骤2得到的碳纳米点薄膜涂在led芯片外；

步骤3：将步骤2得到的led芯片安装在基板上，在led芯片外安装灯罩；所述led芯片的发光峰值波长为400nm-420nm。

进一步的，步骤2包括以下步骤：

s1、称取取固态pva于烧杯中，加入去离子水，95℃水浴加热使其充分溶解为pva胶体，固态pva和去离子水的质量比为：(4～5)：100；

s2、取s1得到的pva胶加入碳纳米点溶液中，充分混合均匀，得到混合液c，其中pva胶和碳纳米点溶液的体积比为(5～8)：1；

s3、用匀胶机将步骤2中混合液c旋涂至led芯片(1)表面；匀胶参数为500r/min，持续时间30s；然后将led芯片置于烘箱中在90℃-100℃下烘烤1h-2h。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

一种利用可见光实现连续消毒的发光装置，发光装置所发射的光来自led的原始光的一部分，以及来自碳纳米点吸收led芯片的一部分光并发出的另一波段的光，与光源混合以形成组合光，以发射总体上感知为白色的光。白光的显色指数cri值不低于70；所述白光在400-420nm波长范围内的光谱能量比例大于20％。可在不危害人和其他动植物的前提下杀死细菌、真菌和病毒等微生物，从而实现持续性消毒。该装置制备工艺简单，制备成本低，在医疗、畜牧业及农产品生产、食品运输和储藏等方面有巨大的应用市场。

与yag荧光粉相比，碳纳米点荧光粉具有制备简单、成本低、环保无毒、发射波长可调谐等优势，因此适合应用于白光led。另一方面，yag在紫外光激发下荧光强度极弱，而碳纳米点在近紫外光激发下依然能保持高强度的荧光出射，考虑到在本发明中应用的led芯片的峰值波长在390nm-420nm，碳纳米点非常适合作为本发明中所需的光转换材料。

本发明的制备方法中，由碳纳米点溶液制备碳纳米点荧光粉采用的方法是硅酸钠辅助的微波加热法。传统封装中一般使用较多的为硅胶，但是硅胶与碳纳米点荧光粉的复合物再烘干后会出现很多类似孔隙的泡状结构，而非期望的均匀平整的薄膜。因此，采用聚二甲基硅氧烷来进行封装，制得的薄膜均匀而平整，从而保证了出光的均匀性。

进一步的，步骤3.3中，将步骤3.2得到的荧光胶先搅拌均匀后，用匀胶机旋涂在led芯片表面，匀胶的第一阶段：500r/min，持续时间30s，第二阶段：2000r/s，持续时间90s；由于荧光胶质地粘稠，所以需要在低速条件下，先将荧光胶涂满在led芯片表面，然后在高速下，使荧光胶均匀涂覆。提高产品质量。

附图说明

图1是碳纳米点的tem表征；

图2是碳纳米点溶液的吸收谱；

图3a是碳纳米点溶液在不同激发波长下的pl谱；

图3b是碳纳米点溶液的荧光光谱峰值与激发波长的依赖关系；

图4是所述发光装置的其中一种实例；

图5是所述发光装置的其中一种实例。

附图中：1、led芯片，2、碳纳米点，3、灯罩，4、基板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

一种利用可见光实现连续消毒的发光装置，包括led芯片和光转换材料；所述led芯片的发光峰值波长为405nm；所述光转换材料为碳纳米点；所述光转换材料吸收led芯片的一部分光，并发射荧光峰位在520-540nm的光；从led芯片发出的光与光转换材料发射的光混合形成的组合光为白光；所述白光的显色指数不低于70；所述白光在390-420nm波长范围内的光谱能量比例大于20％。

本发明的实现还在于，发光装置的光输出在390-420nm波长范围内的光谱含量至少为20％。光输出在390nm-420nm波长范围内的光谱含量定义为波长在390-420nm范围内的光的绝对辐照度值相对于波长在390nm-700nm范围内的光的绝对辐照度值的比例。光谱输出定义为辐射能量。绝对辐照度值可以通过任何现在已知或以后开发的方法测量。

400-420nm波长范围内的光可用于灭活细菌病原体。已证明峰值波长为405nm的光和波长在405nm上下(390-420nm)的光对于细菌病原体的灭活是有效的。390-420nm波长的光能够杀死或灭活微生物，例如但不限于革兰氏阳性细菌、革兰氏阴性细菌、细菌内生孢子、酵母和丝状真菌。可杀死或失活的一些革兰氏阳性细菌包括金黄色葡萄球菌(包括mrsa)、产气荚膜梭菌、艰难梭菌、粪肠球菌、表皮葡萄球菌、猪萄球菌、脓葡萄球菌、单核细胞增生李斯特菌、蜡状芽孢杆菌和土壤分枝杆菌。一些革兰氏阴性细菌包括鲍曼不动杆菌、铜绿假单胞菌、肺炎克雷伯菌、普通变形杆菌、大肠杆菌、肠炎沙门氏菌、宋内志贺氏菌和沙雷氏菌属。一些细菌内生孢子包括蜡状芽孢杆菌和艰难梭菌。一些酵母和丝状真菌包括黑曲霉，白色念珠菌和酿酒酵母。400-420nm波长的光对所测试的每种细菌都有效，尽管对不同的细菌需要不同的时间或剂量。基于已知的结果，它在一段时间内在一定程度上对抗所有革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌。它对多种真菌也有效，尽管这些真菌需要更长时间才能显示出效果。

本发明的实现还在于，该装置中led芯片与光转换材料的组装方式与传统的蓝光led涂覆黄色yag荧光粉的方式类似。具体地，半导体led被碳纳米点覆盖或包围或以其他方式放置，使得从二极管发射的光穿过碳纳米点。

本发明的实现还在于，所述碳纳米点是以柠檬酸和尿素为原料，采用微波合成法制备。所制备碳纳米点为溶液态，在紫外波段有很强的吸收能力，其具有两个吸收峰，峰位分别为334nm和401nm。

本发明的实现还在于，碳纳米点可以以碳纳米点荧光粉或者碳纳米点薄膜的方式封装于所述发光装置中。

由碳纳米点溶液制备碳纳米点薄膜的方法是借助聚乙烯醇(pva)来实现。

以下对本发明做出进一步说明：

首先对微波合成法制备的碳纳米点溶液进行了特性表征。用透射电子显微镜(tem，jem-2100)对其晶体结构进行分析；用紫外分光光度仪测试了其吸收谱；用紫外分光光度仪和光谱仪测试了其在不同激发波长下的pl谱。

图1是碳纳米点的tem图，观察到了碳纳米点的单晶结构，其晶面间距为0.23nm。

图2是碳纳米点溶液的吸收谱，可以看出，碳纳米点溶液具有两个吸收峰，峰位分别为334nm和401nm，总体而言，其在紫外光波段吸收最强。

图3a是碳纳米点溶液在不同激发波长下的的pl谱，图3b反映了碳纳米点溶液的荧光光谱峰值与激发波长的依赖关系。可以看出，碳纳米点溶液具有很强的荧光激发依赖性，即随着激发波长的改变，碳纳米点溶液的荧光强度和荧光峰位会发生有规律的对应变化。更具体的说，随着激发光波长由360nm增大至520nm，发射光峰值相应由490nm增大至570nm，且发射光谱都为宽光谱，一般左右跨度为200nm左右。

本发明中碳纳米点是以柠檬酸和尿素为原料，采用微波合成法制备。为了制备荧光性能好的碳纳米点，需要不断调整原材料配比及微波加热工艺参数，使得所制备碳纳米点具有较大的有效激发波长范围，和较高的荧光效率。

实施例1

一种制备可连续消毒的发光装置的方法，包括以下步骤：

步骤1、用微波合成法制备碳纳米点溶液，包括以下步骤：

(1)按照1:(1～3)的比例称取固态的柠檬酸与尿素颗粒，将二者共同溶解于去离子水中，充分搅拌以溶解为无色澄清溶液；

(2)将步骤(1)中溶液置于微波化学反应器中加热，微波功率为600～800w，加热时长3～5min，烧杯中液体变为棕黄色，同时内壁有少量固态物质；

(3)向步骤(2)中棕黄色液体再次加入10～30ml去离子水稀释，并置于离心机中在10000r/min的转速下离心5～10min，最后取上层清夜即得到了碳纳米点溶液。

由于制备得到的碳纳米点溶液为水溶液，其在自然风干或者加热烘干的情况下无法形成平整均匀的薄膜，本发明提供了碳纳米点的两种封装形式：碳纳米点荧光粉或者碳纳米点薄膜。

步骤2、用碳纳米点溶液制备碳纳米点粉：硅酸钠辅助的微波加热法。硅酸钠，又称泡花碱，易溶于水。硅酸钠溶液加热失水以后会变成白色发泡状固体，利用这个特性，将碳纳米点溶液与硅酸钠溶液混合并一起固化后，即可研磨成粉末。具体步骤如下：

(1)将硅酸钠粉末溶于去离子水，浓度为4mol/l；

(2)将碳纳米点溶液和硅酸钠溶液加入去离子水中并充分搅拌，其中碳纳米点溶液、硅酸钠溶液、去离子水的体积比为1:2:1；

(3)将步骤(2)中混合溶液置于微波炉中进行加热，微波功率为640w，加热时间为5-8min，微波加热结束的标志为原来烧杯中液态的溶液变成了发泡状的固体；

(4)将步骤(3)中固体置于研钵中进行研磨从而得到碳纳米点荧光粉。

步骤3、将碳纳米点封装在led芯片上。

传统封装中一般使用较多的为硅胶，但在本发明中发现硅胶与碳纳米点荧光粉的复合物再烘干后会出现很多类似孔隙的泡状结构，而非期望的均匀平整的薄膜，因此，本发明中采用聚二甲基硅氧烷(pdms)来进行封装。具体的封装工艺步骤如下：

(1)称取聚二甲基硅氧烷a剂，由于混合前聚二甲基硅氧烷a剂的粘度大，先搅拌2min以上。再将聚二甲基硅氧烷a剂与碳纳米点荧光粉混合并充分搅拌后加入固化剂聚二甲基硅氧烷b剂。其中聚二甲基硅氧烷a剂与聚二甲基硅氧烷b剂的质量比遵循1:10，而pdms胶的总质量与荧光粉的质量比为3:1。混合后继续搅拌5min。

(2)脱泡：将上述混合物置于烘箱中进行反复抽气/充气，直至观察到混合物不再有气泡冒出。

(3)点胶：点胶前将已脱泡过的荧光胶先适当搅拌；点胶以支架满杯又不能溢出为标准。

(4)烘烤：点胶后迅速将led芯片置于烘箱中进行烘烤，以免表面吸潮造成荧光胶表层起皱或脱落而影响光斑。烘烤温度为100℃，时间为1h。

实施例2

步骤1、用微波合成法制备碳纳米点溶液。

步骤2、采用聚乙烯醇(pva)辅助法直接将碳纳米点以碳纳米点薄膜的形式封装于发光装置中。具体步骤如下：

(1)取8g固态pva于烧杯中，加入200ml去离子水，95℃水浴加热使其充分溶解为无色透明胶体；

(2)取步骤(1)中pva胶3ml，加入0.5ml碳纳米点溶液，充分混合均匀；

(3)用匀胶机将步骤2中混合液c旋涂至led芯片表面。将led芯片置于烘箱中在90℃下烘烤1h。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：

步骤2中，(1)将硅酸钠粉末溶于去离子水，浓度为3mol/l；(2)碳纳米点溶液、硅酸钠溶液、去离子水的体积比为0.5:2:1；(3)微波功率为600w。

步骤3中，pdms胶的总质量与荧光粉的质量比为4:1；烘烤温度为80℃，烘烤时间为1.5h。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于：

步骤2中，将硅酸钠粉末溶于去离子水，浓度为5mol/l；(2)碳纳米点溶液、硅酸钠溶液、去离子水的体积比为2:2:1；(3)微波功率为700w。

步骤3中，pdms胶的总质量与荧光粉的质量比为5:1；烘烤温度为90℃，烘烤时间为0.5h。

实施例5

本实施例与实施例2的不同之处在于：

步骤2包括以下步骤：

(1)取9g固态pva于烧杯中，然后加入200ml去离子水，95℃水浴加热使其充分溶解为无色透明胶体；

(2)取步骤(1)中pva胶2.5ml，加入0.5ml碳纳米点溶液，充分混合均匀；

(3)用匀胶机将步骤2中混合液c旋涂至led芯片表面，将led芯片置于烘箱中在95℃下烘烤2h。

实施例6

(1)取10g固态pva于烧杯中，然后加入200ml去离子水，95℃水浴加热使其充分溶解为无色透明胶体；

(2)取步骤(1)中pva胶4ml，加入0.5ml碳纳米点溶液，充分混合均匀；

(3)用匀胶机将步骤2中混合液c旋涂至led芯片表面，将led芯片置于烘箱中在100℃下烘烤1.5h。

一种可连续消毒的发光装置，led芯片和碳纳米点可以以许多不同的方式组装，例如但不限于图4和图5中所示的实施例。

图4示出了发光装置的一种示意图，包括基板4，基板4上固定有ied芯片1，ied芯片1外包裹有灯罩3，所述灯罩3与ied芯片1之间设置有碳纳米点2；所述ied芯片1的发光波长为400nm-420nm，所述碳纳米点2的吸收峰在400nm-420nm之间。碳纳米点2以碳纳米点薄膜的形式封装在灯罩3上。

图5示出了发光装置的一种示意图，其包括led芯片1，碳纳米点2，该碳纳米点2包含在灯罩3中，灯罩3为透镜。碳纳米点2和透镜支撑在基座或基板54上。碳纳米点2包覆在ied芯片1外周面。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。