Fuente luminosa para generar luz blanca, que comprende un diodo emisor de luz (LED) para emitir una radiación azul y/o ultravioleta y al menos un luminóforo,

que absorbe una porción de la radiación azul y/o ultravioleta y él mismo emite radiación en otra región espectral, caracterizado porque:

• el luminóforo es un ortosilicato alcalinotérreo activado con europio bivalente de uno de los siguientes compuestos o de una mezcla de dichos compuestos:

Fuente luminosa con un elemento emisor de luz.

Ámbito técnico

El presente invento se refiere a una fuente luminosa para generar luz blanca, que comprende un diodo emisor de luz (LED) para emitir una radiación azul y/o ultravioleta, y con al menos un luminóforo, que absorbe una porción de radiación azul y/o ultravioleta y él mismo emite radiación en otra región espectral.

Estado de la técnica

Los LEDs inorgánicos se caracterizan, entre otras cosas, por su larga duración, reducida ocupación de espacio, sensibilidad a las sacudidas y emisión espectral de banda estrecha.

Numerosos colores de emisión -especialmente en banda ancha del espectro- no se pueden realizar o al menos sólo ineficazmente en LEDs por medio de la emisión intrínseca de un material semiconductor activo. Esto es, sobre todo, aplicable a la generación de luz blanca.

En el documento WO 00/33390, se muestra un aparato emisor de luz, que comprende un LED o diodo láser, que emite exclusivamente en azul y que coopera con una mezcla de una sustancia luminiscente. Un LED, que emite en la región espectral de entre 420 y 470 nm, se combina además con una mezcla de sustancias luminiscentes de por lo menos dos sustancias luminiscentes para generar luz blanca. Las dos sustancias luminiscentes forzosamente necesarias deben emitir además (para ello) con diferentes espectros. La mezcla de sustancias luminiscentes empleada comprende siempre un componente rojo y un componente verde. Por la mezcla de colores con la radiación azul, suministrada por el LED, se produce entonces luz blanca.

Según el estado de la técnica, se generan colores de emisión, que no se pueden realizar intrínsicamente con el semiconductor, mediante conversión de colores.

La técnica de la conversión de colores se basa fundamentalmente en el principio de que se dispone al menos un luminóforo sobre el cubo del LED. Dicho luminóforo absorbe una porción de la radiación emitida por el cubo y es excitado, al mismo tiempo, para la fotoluminiscencia. El color de la emisión o bien de la luz de la fuente resulta entonces de la mezcla de la radiación transmitida del cubo y de la radiación emitida por la sustancia luminiscente.

Como luminóforos se pueden utilizar básicamente tanto sistemas orgánicos como también inorgánicos. La ventaja esencial de los pigmentos imorgánicos estriba en la mayor estabilidad química de la temperatura y de la radiación en comparación con los sistemas orgánicos. En cuanto a la larga duración de los LEDs inorgánicos, los luminóforos inorgánicos de larga duración aseguran una elevada estabilidad del lugar del color de la fuente luminosa consistente en los dos componentes.

Si la radiación irradiada por los LEDs emisores en azul se ha de convertir en luz blanca, se requieren sustancias luminiscentes, que absorban eficazmente la luz azul (450-490 nm) y la transformen con la mayor eficacia en radiación luminiscente amarilla en su mayor parte. Por cierto, sólo existe una pequeña cantidad de luminóforos inorgánicos, que cumplen tales requerimientos. Actualmente, se utilizan en la mayoría de los casos materiales de la clase YAG de sustancias luminiscentes como pigmentos de conversión del color para LEDs emisores en azul (WO 98/05078, WO 98/05078; WO 98/12757). Por cierto, estos materiales presentan el inconveniente de que sólo poseen una eficacia suficientemente elevada con un máximo de emisión menor que 560 nm. Por esta razón, sólo se pueden realizar, con los pigmentos YAG en combinación con los diodos en azul (450 a 490 nm), colores de luz blancos fríos, con temperaturas de color entre 6000 y 8000ºK y con calidad de colores comparativamente inferior (los valores típicos para el índice Ra de calidad de los colores quedan entre 70 y 75). De ello se derivan unas posibilidades de utilización muy limitadas. Por un lado, se plantean, por lo general, en la utilización de fuentes de luz blanca para la iluminación general, mayores exigencias de calidad en la exactitud de reproducción del medio luminoso y, por otro, los consumidores, sobre todo en Europa y en Norteamérica, prefieren colores de luz más calientes con temperaturas de color entre 2700 y 5000ºK.

A partir del documento WO 00/33389, se conoce además utilizar, entre otros, Ba₂SiO₄:Eu²⁺ como luminóforo para convertir la luz de LEDs azul. El máximo de la emisión de la sustancia luminiscente Ba₂SiO₄:Eu²⁺ queda, sin embargo, en 505 nm de modo que no se puede generar con seguridad luz blanca con una combinación semejante.

En el trabajo de S.H.M. Poort y otros:"Optical properties of Eu²+ activated orthosilicates and ortophosphates" (Propiedades ópticas de ortosilicatos y ortofosfatos activados por Eu²⁺), Journal of Alloys and Compounds 260 (1977), páginas 93 a 97, se investigan las propiedades del Ba₂SiO₄ activado por Eu²⁺, así como de fosfatos tales como KBaPO₄ y KSrPO₄. También se constata aquí que la emisión del Ba₂SiO₄ queda aproximadamente en 505 nm.

Revelación del invento

El problema del presente invento consiste, por consiguiente, en facilitar una fuente luminosa mejorada, que utilice como fuente de radiación un diodo emisor de luz (LED), pudiendo emitir dicha fuente de radiación en la región UV o en la región de color azul (370 a 490 nm), y que esté en condiciones de generar luz blanca con eficacia más alta utilizando una sustancia luminiscente mejorada, con lo cual sea posible, ante todo, utilizar esta luz blanca con fines de iluminación.

Al mismo tiempo, se pretende evitar los inconvenientes conocidos del estado actual de la técnica. Al mismo tiempo, debe ser posible adicionalmente ajustar las temperaturas del color en una amplia zona, utilizando una o varias sustancias luminiscentes, para satisfacer diferentes requerimientos de los usuarios y, en especial, ajustar aquellos lugares del color, que queden dentro de las elipses de tolerancia determinadas por la CIE (Comisión Internacional de Iluminación) para la iluminación general.

Este problema se resuelve según el invento mediante una fuente luminosa del tipo mencionado al comienzo de modo que:

• el luminóforo sea un ortosilicato alcalinotérreo activado por europio bivalente de una de las siguientes composiciones o de una mezcla de dichas composiciones:

• la radiación del luminóforo se emite en la región espectral de color amarillo-verde, amarillo o naranja cuya característica es función de los parámetros x, y, u, v, a, b, c y d;

• selección de los parámetros en las regiones mencionadas se pueden ajustar la temperatura del color y el índice del color general de la luz blanca generada.

En una forma de realización ventajosa, al menos uno de los valores a, b, c y d es mayor que 0,01. Además, se puede sustituir una parte del silicio por galio en el luminóforo mencionado arriba.

De forma sorprendente, se halló que luz blanca con buena calidad del color y elevado rendimiento luminoso se puede realizar por combinación de un LED azul con un luminóforo, elegido entre el grupo de ortosilicatos alcalinotérreos activados con europio según el invento de la composición mencionada arriba. Al contrario que los luminóforos, basados en puros ortosilicatos de bario y que irradian luz verde-azulada, se pueden generar por cristales de mezcla de ortosilicato de bario-estroncio luz luminiscente coloreada de amarillo-verde, amarillo a amarillo-naranja e incluso totalmente naranja incorporando calcio en la red del ortosilicato, de modo que entonces se pueda generar luz blanca de alta calidad del color y elevada eficacia mezclando la luz transmitida por el LED azul y la luz luminiscente emitida por el luminóforo seleccionado. El cambio del color de emisión por sustitución del Ba por Sr en los ortosilicatos sólo era conocido hasta ahora para la excitación con fuerte radiación UV (excitación de 254 nm) por el trabajo de Poort y otros mencionado arriba; que este efecto apareciese sorprendentemente reforzado, por la irradiación con luz azul en la región de 440 a 475 nm, en cambio aún no se describió. Los cristales de mezcla de ortosilicatos de Ba-Sr-Ca y su fuerte capacidad de emisión por excitación con radiación UV de onda larga o luz azul eran completamente desconocidos hasta ahora.

El luminóforo seleccionado...

1. Fuente luminosa para generar luz blanca, que comprende un diodo emisor de luz (LED) para emitir una radiación azul y/o ultravioleta y al menos un luminóforo, que absorbe una porción de la radiación azul y/o ultravioleta y él mismo emite radiación en otra región espectral, caracterizado porque:

• el luminóforo es un ortosilicato alcalinotérreo activado con europio bivalente de uno de los siguientes compuestos o de una mezcla de dichos compuestos:

• el luminóforo emite radiación en la región espectral de color amarillo-verde, amarillo o naranja, cuya característica depende de los parámetros x, y, u, v. a, b, c y d;

• por selección de los parámetros en las regiones mencionadas, se pueden ajustar la temperatura del color y el índice de calidad del color de la luz blanca generada.

2. Fuente luminosa según la reivindicación 1, caracterizada porque al menos uno de los valores a, b, c y d es mayor que 0,01.

3. Fuente luminosa según la reivindicación 1 ó 2, caracterizada porque contiene un luminóforo adicional del grupo de aluminatos alcalinotérreos, activados utilizando europio bivalente y/o manganeso, y/o un segundo luminóforo adicional emisor de rojo del grupo Y(V,P,Si)O₄:Eu,Bi o disilicatos de magnesio alcalinotérreos:Eu²+,Mn²⁺ con la fórmula

aplicándose:

y Me=Ba y/o o Sr y/o Ca.

4. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizada porque se incorporan iones monovalentes, en especial, halógenos y/o metales alcalinos, a la red del luminóforo.

5. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque se han dispuesto uno o varios chips (1) de LEDs en una placa (2) de circuitos impresos en el interior de un reflector (4) y el luminóforo (6) se ha dispersado en un disco (5) luminoso, que se ha colocado sobre el reflector (4).

6. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque se han dispuesto uno o varios chips (1) de LEDs sobre una placa (2) de circuitos impresos dentro de un reflector (4) y el luminóforo (6) se ha aplicado sobre el reflector (4).

7. Fuente luminosa según una de la reivindicación 5 ó 6, caracterizada porque los chips (1) de los LEDs se han rellenado de una masa (3, 3') de relleno transparente, que posee una forma de cúpula.

8. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque el luminóforo se ha dispersado en una masa (3) de relleno, que une una disposición (1') de chips (1) de LEDs en una placa (2) de circuitos impresos y una lente (7) de polímero cuanto más sea posible sin inclusiones gaseosas, presentando la lente (7) de polímero y la masa (3) de relleno índices de refracción, que se diferencien como máximo en 0,1.

9. Fuente luminosa según la reivindicación 8, caracterizada porque la lente (7) de polímero presenta una escotadura esférica o bien elipsoidal, que se ha rellenado con la masa (3) de relleno de modo que la disposición (1') de LEDs se fije a la menor distancia de la lente (7) de polímero.

10. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizada porque el luminóforo se ha suspendido por gravedad en una matriz preferiblemente inorgánica.

11. Fuente luminosa según las reivindicaciones 3 y 10, caracterizada porque los al menos dos luminóforos se han dispersado individualmente en matrices, que se han dispuesto una detrás de otra según la propagación de la luz.

12. Fuente luminosa según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizada porque la granulometría d₅₀ media de la distribución volumétrica del luminóforo queda entre 2 µm y 29 µm.