люминесцентный композитный материал и светоизлучающее устройство на его основе

Формула изобретения

1. Люминесцентный композитный материал, содержащий полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, отличающийся тем, что многослойная полимерная пленка состоит из, по меньшей мере, трех слоев, расположенных относительно полимерной основы в следующем порядке: оптически прозрачная полимерная пленка; полимерная композиция, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм.

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что полупроводниковое ядро состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: CdSe, CdTe, InP, CuInS₂ , CuInSe₂.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что первый полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

4. Материал по п.1, отличающийся тем, что второй полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

5. Материал по п.1, отличающийся тем, что оптически прозрачный полимерный материал выбирают из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полистирол.

6. Материал по п.5, отличающийся тем, что в состав оптически прозрачного полимерного материала дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO ₂, ZnO.

7. Материал по п.1, отличающийся тем, что толщина полимерной основы составляет от 0,5 до 3 мм.

8. Материал по п.1, отличающийся тем, что оптически прозрачная полимерная пленка выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полистирол или полиэтилентерефталат.

9. Материал по п.8, отличающийся тем, что в состав оптически прозрачной полимерной пленки дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂ , SiO₂, ZnO.

10. Материал по п.1, отличающийся тем, что полимерная композиция выполнена из полиметилметакрилата, полиизоцианата или их смеси.

11. Материал по п.10, отличающийся тем, что в состав полимерной композиции дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO ₂, ZnO.

12. Люминесцентный композитный материал, содержащий полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, отличающийся тем, что многослойная полимерная пленка состоит из, по меньшей мере, трех слоев, расположенных относительно полимерной основы в следующем порядке: полимерная композиция, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм; оптически прозрачная полимерная пленка.

13. Материал по п.12, отличающийся тем, что полупроводниковое ядро состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: CdSe, CdTe, InP, CuInS₂, CuInSe₂.

14. Материал по п.12, отличающийся тем, что первый полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

15. Материал по п.12, отличающийся тем, что второй полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

16. Материал по п.12, отличающийся тем, что оптически прозрачный полимерный материал выбирают из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полистирол.

17. Материал по п.16, отличающийся тем, что в состав оптически прозрачного полимерного материала дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

18. Материал по п.12, отличающийся тем, что толщина полимерной основы составляет от 0,5 до 3 мм.

19. Материал по п.12, отличающийся тем, что оптически прозрачная полимерная пленка выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полистирол или полиэтилентерефталат.

20. Материал по п.19, отличающийся тем, что в состав оптически прозрачной полимерной пленки дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

21. Материал по п.12, отличающийся тем, что полимерная композиция выполнена из полиметилметакрилата, полиизоцианата или их смеси.

22. Материал по п.21, отличающийся тем, что в состав полимерной композиции дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

23. Светоизлучающее устройство для получения белого света, содержащее источник света и расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал, отличающееся тем, что источник света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения в диапазоне 430-470 нм, часть излучения которого проходит через люминесцентный композитный материал без изменений, а другая часть излучения поглощается люминесцентным композитным материалом, представляющим собой полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, с многослойной полимерной пленкой, состоящей из, по меньшей мере, трех слоев, расположенных относительно полимерной основы в следующем порядке: оптически прозрачная полимерная пленка; полимерная композиция, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм, в результате чего излучение, полученное на выходе из люминесцентного композитного материала, дает белое излучение с индексом цветопередачи более 80.

24. Устройство по п.23, отличающееся тем, что полупроводниковое ядро состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: CdSe, CdTe, InP, CuInS₂ , CuInSe₂.

25. Устройство по п.25, отличающееся тем, что первый полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

26. Устройство по п.23, отличающееся тем, что второй полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

27. Устройство по п.23, отличающееся тем, что оптически прозрачный полимерный материал выбирают из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полистирол.

28. Устройство по п.27, отличающееся тем, что в состав оптически прозрачного полимерного материала дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO ₂, ZnO.

29. Устройство по п.23, отличающееся тем, что толщина полимерной основы составляет от 0,5 до 3 мм.

30. Устройство по п.23, отличающееся тем, что оптически прозрачная полимерная пленка выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полистирол или полиэтилентерефталат.

31. Устройство по п.30, отличающееся тем, что в состав оптически прозрачного полимерного материала дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

32. Устройство по п.23, отличающееся тем, что полимерная композиция выполнена из полиметилметакрилата, полиизоцианата или их смеси.

33. Устройство по п.33, отличающееся тем, что в состав полимерной композиции дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

34. Устройство по п.23, отличающееся тем, что дополнительно включает отражатель.

35. Устройство по п.23, отличающееся тем, что поверхность люминесцентного композитного материала может быть плоской, выпуклой или вогнутой формы.

36. Светоизлучающее устройство для получения белого света, содержащее источник света и расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал, отличающееся тем, что источник света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения в диапазоне 430-470 нм, часть излучения которого проходит через люминесцентный композитный материал без изменений, а другая часть излучения поглощается люминесцентным композитным материалом, представляющим собой полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, с многослойной полимерной пленкой, состоящей из, по меньшей мере, трех слоев, расположенных относительно полимерной основы в следующем порядке: полимерная композиция, включающая неорганический люминофор - иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, или галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием; полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, выполненными из полупроводникового ядра, первого и второго полупроводниковых слоев и испускающими флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм, оптически прозрачная полимерная пленка; в результате чего излучение, полученное на выходе из люминесцентного композитного материала, дает белое излучение с индексом цветопередачи более 80.

37. Устройство по п.36, отличающееся тем, что полупроводниковое ядро состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: CdSe, CdTe, InP, CuInS₂, CuInSe ₂.

38. Устройство по п.36, отличающееся тем, что первый полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

39. Устройство по п.36, отличающееся тем, что второй полупроводниковый слой состоит из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

40. Устройство по п.36, отличающееся тем, что оптически прозрачный полимерный материал выбирают из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полистирол.

41. Устройство по п.36, отличающееся тем, что в состав оптически прозрачного полимерного материала дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO ₂, ZnO.

42. Устройство по п.36, отличающееся тем, что толщина полимерной основы составляет от 0,5 до 3 мм.

43. Устройство по п.36, отличающееся тем, что оптически прозрачная полимерная пленка выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полистирол или полиэтилентерефталат.

44. Устройство по п.43, отличающееся тем, что в состав оптически прозрачной полимерной пленки дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

45. Устройство по п.36, отличающееся тем, что полимерная композиция выполнена из полиметилметакрилата, полиизоцианата или их смеси.

46. Устройство по п.45, отличающееся тем, что в состав полимерной композиции дополнительно может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO.

47. Устройство по п.36, отличающееся тем, что дополнительно включает отражатель.

48. Устройство по п.36, отличающееся тем, что поверхность люминесцентного композитного материала может быть плоской, выпуклой или вогнутой формы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехнике, а именно к люминесцентному композитному материалу, содержащему полупроводниковые наночастицы, который может быть использован при изготовлении осветительных устройств общего и местного освещения, используемых в качестве источника белого света, а также к устройству на его основе.

В предлагаемом изобретении речь идет о люминесцентном композитном материале, который используется в светодиодах для получения белого света, а также об устройстве, изготовленном с использованием этого материала. Белый свет получается в результате смешения синего света от самого светодиода и более длинноволнового переизлученного от люминофора, входящего в состав люминесцентного композитного материала.

В настоящее время в светодиодных светильниках используются светодиоды высокой мощности, температура на кристалле (чипе) которых достигает 80-100°C во время работы. Высокая температура светодиода приводит к снижению эффективности и увеличению скорости деградации люминофора, нанесенного непосредственно на чип или расположенного в непосредственной близости к чипу. В результате срок службы устройства лимитируется термической стабильностью входящего в его состав люминофора. Отдельно необходимо отметить, что к белому свету современных светодиодных систем, которые предполагается использовать для внутреннего освещения жилых и офисных помещений, предъявляются требования высокого индекса цветопередачи (CRI более 80)

Для получения белого света с помощью синего светодиода широко известен метод нанесения желтого люминофора, например, иттрий-алюминиевого граната или смеси красного и желто-зеленого люминофоров, непосредственно на поверхность синего светодиода. Однако использование светодиодных систем, содержащих только один люминофор, для целей общего внутреннего освещения имеет существенные ограничения из-за низкого качества света, генерируемого такими системами (индекс цветопередачи или CRI<75). В свою очередь, использование нескольких люминофоров требует оптимизации их соотношения в составе светопреобразующего материала, определенной последовательности их нанесения, а также выбора способа их нанесения. При этом простым смешением люминофоров не удается достичь высокой эффективности преобразования света.

Известно устройство для получения белого света от светодиодного источника света, раскрытое в международной публикации WO 2007/009010 А2, H01L 33/00, опубл. 18.01.2007, которое состоит из светодиодного чипа, излучающего на одной длине волны, полупроводниковых нанокристаллов, поглощающих, по крайней мере, первую часть света от светодиодного чипа и переизлучающих его на второй длине волны, порошкообразного люминофора, поглощающего, по крайней мере, вторую часть света от светодиодного чипа и переизлучающего его на третьей длине волны. Устройство обеспечивает повышение качества белого света, излучаемого светодиодным источником света, в частности, повышается индекс цветопередачи и снижается коррелированная цветовая температура при незначительном ухудшении эффективности системы в целом. Это достигается за счет использования смеси люминофоров, в состав которой входят полупроводниковые нанокристаллы, излучающие в красно-оранжевом (600-650 нм) и зелено-голубом (490-530 нм) диапазонах длин волн.

К недостаткам можно отнести, во-первых, нанесение люминофоров непосредственно на светодиодный чип, что приводит к ускоренной термической деградации люминофоров, поскольку нанокристаллы обладают низкой термической устойчивостью, и, следовательно, к снижению срока службы светодиодного источника; во-вторых, использование смеси люминофоров, а не раздельное послойное их нанесение, что приводит к снижению эффективности светодиодного источника в целом.

Известно также изобретение, раскрытое в заявке US 2011/187262 А1, Н01J 1/62, опубл. 04.08.2011, которое содержит светоизлучающий диод и сферическую проницаемую оболочку, при этом поверхность оболочки внутри и снаружи покрыта слоем, содержащим люминофор. В указанном изобретении используются традиционные люминофоры на основе иттрий-алюминиевых гранатов, силикатов, нитрида кремния, сульфидов, в которых за излучение в красной области отвечает редкоземельный элемент в виде допанта (в частности, европий). Использование именно красного люминофора позволяет достичь высокого значения индекса цветопередачи (CRI>90) для цветовой температуры до 2700 K. Однако красные люминофоры на основе европия имеют несколько недостатков. Во-первых, это плохая устойчивость к воздействию влаги и кислорода воздуха, что приводит к быстрой деградации самого люминофора. Во-вторых, часть спектра излучения находится в ближней ИК области (не воспринимаемой человеческим глазом), что приводит к снижению эффективности системы в целом. В-третьих, большой расход материала, поскольку используются частицы микронного или субмикронного размера, а также дополнительное снижение эффективности за счет рассеивания света на крупных частицах.

К недостаткам данного изобретения также можно отнести недостаточно высокую эффективность преобразования света от исходного светодиодного источника указанной конструкцией с нанесенными на оболочку люминофорами в случае использования смеси люминофоров. Это связано с тем, что на эффективность преобразования оказывают влияние и последовательность слоев с различными люминофорами, и толщины данных слоев, и соотношение количества люминофоров в различных слоях.

Известна конструкция светодиода с люминофором, содержащая кристалл, конический отражатель и люминофор, который расположен удаленно от кристалла (Патент РФ № 2416841 C1, H01L 33/00, опубл. 20.04.11). Изобретение позволяет увеличить эффективность использования бокового излучения кристалла, которое преобразуется в излучение люминофора, нанесенного на наклонную поверхность отражателя. Авторам удалось получить равномерную цветность белого свечения светодиода в различных направлениях благодаря широкой диаграмме направленности излучения используемого люминофора. Кроме того, использование белой поверхности отражателя позволяет отразить направленное вниз излучение люминофора, расположенного на отражателе, что способствует увеличению вывода излучения из светодиода. В результате увеличивается световая отдача светодиода на 20-30%, а также равномерность цветности излучения.

Однако использование только одного люминофора в данном изобретении не позволяет полностью перекрыть диапазон от голубого до красного цветов и, соответственно, получить белый свет с высоким индексом цветопередачи.

В качестве прототипа было выбрано техническое решение, раскрытое в заявке US 2011/0090670 A1, B32B 3/00, C09J 7/02, опубл. 21.04.2011, которое содержит люминесцентный материал и светоизлучающее устройство на его основе. Одним из вариантов выполнения указанного технического решения является флуоресцентный материал, в состав которого, помимо прочего, входит слой, содержащий люминофоры на основе силикатов, сульфидов, иттрий-алюминиевых и тербий-алюминиевых гранатов. Другим вариантом выполнения решения является устройство для получения белого света с высоким индексом цветопередачи, которое содержит оптическую пленку, состоящую из флуоресцентного материала, возбуждаемого светом, излучаемым светодиодным чипом, таким образом, что свет, прошедший через оптическую пленку имеет индекс цветопередачи между 85 и 100. Флуоресцентный материал позволяет создать источник света, обладающий индексом цветопередачи в диапазоне 85-100 при коррелированных цветовых температурах в диапазоне 3000-5000 К.

Основным недостатком этого решения является использование люминофоров на основе редкоземельных элементов, которые обладают низкой термической стабильностью, а также низкой фотостабильностью при воздействии на них влаги и кислорода воздуха. К тому же данное решение имеет ограничения, связанные с использованием именно пленочного материала.

Целью настоящего изобретения является создание люминесцентного композитного материала, а также светоизлучающего устройства на его основе для получения белого света. Люминесцентный композитный материал можно использовать в светодиодных осветительных устройствах общего и местного освещения с целью повышения их эффективности, срока службы, обеспечения комфортного для человеческого глаза света (соответствующего санитарным нормам) от осветительного устройства путем реализации заданных коррелированной цветовой температуры и индекса цветопередачи.

Технический результат состоит в повышении срока службы светодиодного источника белого света, а также в повышении его эффективности. Кроме того, с помощью заявленных материала и устройства на его основе можно получить свет с индексом цветопередачи 80 и более, коррелированной цветовой температурой в диапазоне 2500-5000 К, а также со световой отдачей более 100 Лм/Вт. Срок службы таких устройств будет составлять 50000 часов и более.

Технический результат также состоит в повышении фото- и термической стабильности, а также в повышении устойчивости к воздействию окружающей среды люминесцентного композитного материала за счет использования в его составе нового типа люминесцентных полупроводниковых нанокристаллов, относящихся к следующему типу: «ядро/первая полупроводниковая оболочка/вторая полупроводниковая оболочка». Далее по тексту используется следующее условное обозначение полупроводниковых нанокристаллов: ядро/первая полупроводниковая оболочка/вторая полупроводниковая оболочка. Например, CdSe/CdS/ZnS.

В предлагаемом люминесцентном композитном материале решены, как проблемы конструкционного характера, так и проблемы состава, толщины и последовательности нанесения функциональных слоев, в результате чего данный материал позволяет создавать светодиодные источники белого света с индексом цветопередачи 80 и более, коррелированной цветовой температурой в диапазоне 2500-5000 К, световой отдачей более 100 Лм/Вт, сроком службы 50000 часов и более.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что люминесцентный композитный материал содержит полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, и многослойную полимерную пленку, содержащую люминофоры, при этом многослойная полимерная пленка состоит из, по меньшей мере, трех слоев, один из которых представляет собой оптически прозрачную полимерную пленку, другой - полимерную композицию с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, а третий слой представляет собой полимерную композицию, включающую неорганические люминофоры. Полупроводниковые нанокристаллы выполнены из полупроводникового ядра, первого полупроводникового слоя и второго полупроводникового слоя и испускают флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм.

Поставленная задача также решается, а технический результат достигается тем, что светоизлучающее устройство для получения белого света содержит источник света и расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал, при этом источник света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения в диапазоне 430-470 нм, часть излучения которого проходит через люминесцентный композитный материал без изменений, а другая часть излучения поглощается люминесцентным композитным материалом, представляющим собой полимерную основу, выполненную из оптически прозрачного полимерного материала, с многослойной полимерной пленкой, состоящей из, по меньшей мере, трех слоев, один из которых представляет собой полимерную композицию, включающую неорганические люминофоры, другой - оптически прозрачный полимерный материал, третий представляет собой полимерную композицию с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, где нанокристаллы выполнены в виде полупроводникового ядра, первого полупроводникового слоя и второго полупроводникового слоя и испускают флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм, в результате чего излучение, полученное на выходе из люминесцентного композитного материала, дает белое излучение с индексом цветопередачи более 80.

Заявленная группа изобретений поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг.1 - люминесцентный композитный материал (вариант 1);

Фиг.2 - люминесцентный композитный материал (вариант 2);

Фиг.3 - спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов InP/CdSe/ZnSe;

Фиг.4 - спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов CdSe/CdS/ZnS;

Фиг.5 - спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов CuInS₂/ZnSe/ZnS;

Фиг.6 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала, содержащего CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 620 нм (вариант 1);

Фиг.7 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала, содержащего CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 621 нм (вариант 1);

Фиг.8 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного, материала, содержащего CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 620 нм (вариант 2);

Фиг.9 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала, содержащего CuInS₂/ZnSe/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 610 нм (вариант 1);

Фиг.10 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала, содержащего InP/CdSe/ZnSe с длиной волны максимума флуоресценции 630 нм (вариант 1);

Фиг.11 - спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала, содержащего CuInSe₂/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 615 нм (вариант 1);

Фиг.12 - светоизлучающее устройство;

Фиг.13 - светоизлучающее устройство с отражателем;

Фиг.14 - график изменения интенсивности излучения (регистрация сигнала на 620 нм) светоизлучающего устройства на основе светодиодного чипа (450 нм, 12 Вт) и люминесцентных композитных материалов: известного и предлагаемого, в течение 2000 часов при температуре 30-50°C.

Для получения белого света с помощью синего источника света предлагается использовать новый люминесцентный композитный материал, который получают следующим образом.

Изготавливают полимерную основу 1 любым известным методом, например, методом литья под давлением с добавлением, при необходимости, светорассеивающей добавки на основе TiO ₂, SiO₂, ZnO, BaSO₄, CaCO₃ или полимерных сферических частиц. Полимерная основа 1 может быть выполнена из оптически прозрачного полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид или полистирол, при этом толщина основы 1 находится в диапазоне от 0,5 до 3 мм.

Создают многослойную полимерную пленку путем нанесения на оптически прозрачную полимерную пленку 2 одним из известных способов, например, методом печати последовательно слоя полимерной композиции 3, включающей неорганический люминофор, люминесцирующий в желто-зеленой области спектра, и слоя полимерной композиции 4 с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами, люминесцирующими в оранжево-красной области спектра.

В преимущественном варианте исполнения неорганический люминофор, диспергированный в объеме полимерной композиции, выбирается из группы: иттрий-алюминиевые гранаты, допированные церием, или галлий-гадолиниевые гранаты, допированные церием.

В преимущественном варианте исполнения полупроводниковые нанокристаллы представляют собой полупроводниковое ядро, состоящее из полупроводникового материала, выбранного из группы: CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs, CuInS₂, CuInSe₂, первый полупроводниковый слой, состоящий из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs, второй полупроводниковый слой, состоящий из полупроводникового материала, выбранного из группы: ZnS, ZnSe, ZnTe, CdS, CdSe, CdTe, InP, InAs.

Приведенные выше структуры полупроводниковых нанокристаллов обеспечивают увеличение относительного квантового выхода флуоресценции до 90% и выше. При этом термическая стабильность и фотостабильность указанных нанокристаллов позволяют использовать их в светоизлучающих устройствах со сроком жизни 50000 часов и более.

На Фиг.1 схематически показан люминесцентный композитный материал, содержащий основу 1 и многослойную полимерную пленку, состоящую из трех слоев, расположенных относительно полимерной основы 1 в следующем порядке: полимерная пленка 2, полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор, полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами 4.

При этом пленка 2 может быть выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилхлорид, полистирол или полиэтилентерефталат, и в ее состав, при необходимости, может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO, BaSO₄ , CaCO₃ или светорассеивающая добавка в виде полимерных сферических частиц.

Полимерная композиция может быть выполнена из полимерного материала, выбранного из группы: полиметилметакрилат, полиизоцианат или их смеси, и в ее состав, при необходимости, может входить светорассеивающая добавка на основе TiO₂, SiO₂, ZnO, BaSO₄ , CaCO₃ или светорассеивающая добавка в виде полимерных сферических частиц.

Многослойная полимерная пленка закрепляется на поверхности полимерной основы 1. Неорганический люминофор и полупроводниковые нанокристаллы выбираются таким образом, чтобы комбинация их спектров флуоресценции максимально перекрывала диапазон длин волн от 480 до 650 нм. Квантовые выходы флуоресценции неорганического люминофора и полупроводниковых нанокристаллов должны составлять не менее 90%.

На Фиг.2 схематически показан другой вариант исполнения люминесцентного композитного материала, содержащего основу 1 и многослойную полимерную пленку, состоящую из трех слоев, расположенных относительно полимерной основы в следующем порядке: полимерная композиция 3, включающая неорганический люминофор, полимерная композиция с диспергированными полупроводниковыми нанокристаллами 4, оптически прозрачная полимерная пленка 2.

Количество слоев в многослойной полимерной пленке зависит от конкретных решаемых задач и может быть любым, но не должно быть меньше трех. Представленные примеры не ограничивают всех возможных вариантов сочетания слоев в многослойной полимерной пленке, и приведены лишь с целью подтверждения выполнения заявленного материала, охарактеризованного в независимых пунктах формулы изобретения.

При этом слой неорганического люминофора должен быть расположен ближе к источнику синего света, чем слой полупроводниковых нанокристаллов. Концентрации люминофора и полупроводниковых нанокристаллов, а также толщины соответствующих слоев подбираются таким образом, чтобы CCT и CRI белого света, испускаемого светоизлучающим устройством, содержащим источник света и расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал, лежали в диапазоне 2500-5000 К и 80-100, соответственно.

Например, люминесцентный композитный материал, состоящий из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из полиметилметакрилата, толщиной 0,5 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полиметилметакрилата, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата с диспергированными нанокристаллами структуры CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 615 нм, выполнен как показано на Фиг.1. Для этого люминесцентного композитного материала индекс цветопередачи составляет 83, а коррелированная цветовая температура составляет 3500 К.

При этом если люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из полиметилметакрилата, толщиной 0,5 мм, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата с диспергированными нанокристаллами структуры CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 615 нм, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полиметилметакрилата, как показано на Фиг.2, то индекс цветопередачи для этого люминесцентного композитного материала будет составлять 90, а коррелированная цветовая температура будет составлять 2700 К.

Например, люминесцентный композитный материал, состоящий из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поликарбоната, толщиной 2 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из поликарбоната, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей галий-гадолиниевый гранат, допированный церием, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата с диспергированными нанокристаллами структуры CdTe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 620 нм, выполнен как показано на Фиг.1. Для этого люминесцентного композитного материала индекс цветопередачи составляет 81, а коррелированная цветовая температура составляет 3700 К.

При этом если люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поликарбоната, толщиной 2 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из поликарбоната, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей галий-гадолиниевый гранат, допированный церием, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полиметилметакрилата, как показано на Фиг.2, то индекс цветопередачи для этого люминесцентного композитного материала будет составлять 94, а коррелированная цветовая температура будет составлять 3200 К.

На Фиг.3 показан спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов InP/CdSe/ZnSe. Длина волны максимума флуоресценции составила 580 нм.

На Фиг.4 показан спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов CdSe/CdS/ZnS. Длина волны максимума флуоресценции составила 610 нм.

На Фиг.5 показан спектр флуоресценции полупроводниковых нанокристаллов CuInS₂/ZnSe/ZnS. Длина волны максимума флуоресценции составила 640 нм.

На Фиг.6 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (CdSe/CdS/ZnS, =620 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.1. Индекс цветопередачи 90, коррелированная цветовая температура 3300 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из полиметилметакрилата, толщиной 0,5 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полиметилметакрилата, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей желтый люминофор (иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием), полимерной композиции на основе полиметилметакрилата с диспергированными нанокристаллами структуры CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 620 нм.

На Фиг.7 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (CdSe/CdS/ZnS, =621 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.1. Индекс цветопередачи 90, коррелированная цветовая температура равна 3000 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поликарбоната, толщиной 3 мм, со светорассеивающей добавкой TiO₂, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из поликарбоната, со светорассеивающей добавкой SiO₂, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием, со светорассеивающей добавкой ZnO, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата со светорассеивающей добавкой SiO₂ и с диспергированными нанокристаллами структуры CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 621 нм.

На Фиг.8 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (CdSe/CdS/ZnS, =620 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.2. Индекс цветопередачи 91, коррелированная цветовая температура равна 4000 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поликарбоната, толщиной 3 мм, со светорассеивающей добавкой TiO₂, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из поликарбоната, со светорассеивающей добавкой SiO₂, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием, со светорассеивающей добавкой ZnO, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата со светорассеивающей добавкой SiO₂ и с диспергированными нанокристаллами структуры CdSe/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 620 нм.

На Фиг.9 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (CuInS₂/ZnSe/ZnS, =610 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.1. Индекс цветопередачи 80, коррелированная цветовая температура равна 5000 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поливинилхлорида, толщиной 2 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из поливинилхлорида, полимерной композиции на основе полиизоцианата, включающей галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием, со светорассеивающей добавкой TiO₂, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата и с диспергированными нанокристаллами структуры CuInS₂/ZnSe/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 610 нм.

На Фиг.10 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (InP/CdSe/ZnSe, =630 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.1. Индекс цветопередачи 90, коррелированная цветовая температура равна 2500 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из полистирола, толщиной 2 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полиэтилентерефталата, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием, со светорассеивающей добавкой SiO₂, полимерной композиции на основе полиизоцианата и с диспергированными нанокристаллами структуры InP/CdSe/ZnSe с длиной волны максимума флуоресценции 630 нм.

На Фиг.11 показан спектр флуоресценции люминесцентного композитного материала (CuInSe₂/CdS/ZnS, =615 нм), содержащего многослойную полимерную пленку с последовательностью слоев, показанной на Фиг.1. Индекс цветопередачи 90, коррелированная цветовая температура равна 4500 К.

Люминесцентный композитный материал состоит из оптически прозрачного полимерного материала, выполненного из поликарбоната, толщиной 0,5 мм, оптически прозрачной полимерной пленки, выполненной из полистирола, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата, включающей галлий-гадолиниевый гранат, допированный церием, со светорассеивающей добавкой ZnO, полимерной композиции на основе полиметилметакрилата и с диспергированными нанокристаллами структуры CuInSe₂/CdS/ZnS с длиной волны максимума флуоресценции 615 нм.

На Фиг.12 показан один из вариантов выполнения светоизлучающего устройства для получения белого света, содержащего источник света 5, теплоотводящий материал 6 и расположенный удаленно от источника света люминесцентный композитный материал 7, описанный выше. Источник света 5 выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения в диапазоне 430-470 нм. Часть излучения от источника света 5 проходит через люминесцентный композитный материал 7 без изменений, а другая часть излучения поглощается люминесцентным материалом 7, в результате чего излучение, полученное на выходе из люминесцентного материала 7, дает белое излучение с индексом цветопередачи более 80. Это достигается тем, что в люминесцентном композитном материале 7 одновременно используется неорганический люминофор и полупроводниковые нанокристаллы, которые испускают флуоресцентный сигнал с максимумами пиков флуоресценции в диапазоне длин волн 580-650 нм.

На Фиг.13 показан другой вариант выполнения светоизлучающего устройства для получения белого света, содержащего несколько источников света 5, теплоотводящий материал 6 люминесцентный композитный материал 7, расположенный удаленно от источников света 5. При этом поверхность люминесцентного композитного материала может быть плоской, выпуклой или вогнутой формы. Устройство дополнительно содержит отражатель 8, необходимый для уменьшения потерь за счет части излучаемого света попадающей обратно внутрь устройства путем отражения и переизлучения. Коэффициент отражения отражателя должен составлять не менее 99%.

На Фиг.14 представлен график изменения интенсивности излучения (регистрация сигнала на 620 нм) светоизлучающего устройства на основе светодиодного чипа (450 нм, 12 Вт) и люминесцентных композитных материалов: известного и предлагаемого. Позицией 9 обозначен график изменения интенсивности излучения известного люминесцентного материала на основе полупроводниковых нанокристаллов со структурой CdSe/ZnS, позицией 10 обозначен график изменения интенсивности излучения предлагаемого люминесцентного композитного материала, содержащего желтый люминофор (иттрий-алюминиевый гранат, допированный церием), и полупроводниковые нанокристаллы структуры CdSe/CdS/ZnS.

Из представленных графиков видно, что интенсивность флуоресценции предлагаемого люминесцентного композитного материала сохраняется на протяжении длительного времени, в отличие от известного люминесцентного материала.

Таким образом, полученный описанным выше способом люминесцентный композитный материал позволяет изготовлять светоизлучающие устройства, обладающие следующими характеристиками:

- повышенным сроком службы за счет использования нового типа красного люминофора - полупроводниковых нанокристаллов, а также расположения люминесцентного композитного материала на удалении от источника синего света;

- высоким индексом цветопередачи за счет одновременного использования неорганического люминофора, флуоресцирующего в желто-зеленой области спектра, и полупроводниковых нанокристаллов, флуоресцирующих в оранжево-красной области спектра;

- высокой световой отдачей за счет расположения люминесцентного композитного материала на удалении от источника синего света, а также послойного расположения неорганического люминофора и полупроводниковых нанокристаллов.