PL 223975 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 223975 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 408282 (22) Data zgłoszenia: 21.05.2014 (51) Int.Cl. C09K 11/00 (2006.01) F21S 2/00 (2006.01) F21V 9/00 (2006.01) (54) Źródło szerokopasmowego światła białego generowanego na matrycach tlenkowych wysoko domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich, wzbudzanego promieniowaniem podczerwonym (43) Zgłoszenie ogłoszono: 23.11.2015 BUP 24/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.11.2016 WUP 11/16 (73) Uprawniony z patentu: INSTYTUT NISKICH TEMPERATUR I BADAŃ STRUKTURALNYCH IM. WŁODZIMIERZA TRZEBIATOWSKIEGO POLSKIEJ AKADEMII NAUK, Wrocław, PL (72) Twórca(y) wynalazku: ŁUKASZ MARCINIAK, Wrocław, PL DARIUSZ HRENIAK, Wrocław, PL ARTUR BEDNARKIEWICZ, Wrocław, PL WIESŁAW STRĘK, Bielany Wrocławskie, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Iwona Płodzich-Hennig
2 PL 223 975 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest źródło szerokopasmowego światła białego generowanego na matrycach tlenkowych wysoko domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich i wzbudzanego promieniowaniem podczerwonym. W stanie techniki znanych jest kilka metod uzyskiwania światła białego w wyniku procesów odmiennych od zjawiska emisji przez ciało doskonale czarne, czyli inkadescencji. Dominują wśród nich metody bazujące na wykorzystaniu luminoforów organicznych wzbudzanych w zakresie ultrafioletowym (UV) oraz bazujące na fosforach nieorganicznych domieszkowanych jonami metali przejściowych, bądź metali jonów ziem rzadkich. Europejskie zgłoszenie patentowe nr EP 1 475 380 A1 ujawnia wykorzystanie związków organicznych do generowania światła białego opierając się na zjawisku elektroluminescencji. Wadą tego rozwiązania jest brak stabilności emisji światła o określonej barwie i stopniowa zmiana barwy światła na żółte oraz szybkie zużywanie się diod OLED, co sprawia, że rozwiązanie według tego wynalazku nie spełnia oczekiwań stawianych nowoczesnemu oświetleniu. Znane są sposoby uzyskiwania światła białego w fosforach domieszkowanych jonami ziem rzadkich. Fosfory te wzbudza się wysokoenergetycznym promieniowaniem elektromagnetycznym z zakresu ultrafioletu, fioletu i światła niebieskiego jako źródło pompowania optycznego i uzyskuje się emisję z zakresie promieniowania widzialnego. Amerykańskie zgłoszenie patentowe nr US 2005/0 253 113 A1 ujawnia wykorzystanie szkieł domieszkowanych jonami lantanowców wzbudzanych w zakresie UV po zakres światła niebieskiego do otrzymywania białej luminescencji złożonej z szeregu wąskich linii spektralnych występujących w zakresie niebieskim, zielonym i czerwonym spektrum elektromagnetycznego. Barwa tak uzyskanego światła sprawia jedynie wrażenie światła białego światło jest uznawane powszechnie za zimne i nieprzyjazne w odbiorze. Znane są również sposoby wytwarzania światła białego w materiałach domieszkowanych jonami ziem rzadkich wzbudzanych diodą podczerwoną, wykorzystując zjawisko konwersji energii promieniowania w górę, zwanego up-konwersją (ang. up-conversion UPC). Metoda uzyskiwania światła białego oparta jest w tym przypadku na uzyskiwaniu światła kwazi-białego poprzez kombinację dyskretnych pasm emisji z zakresów niebieskiego, zielonego i czerwonego, w odpowiednich stosunkach ilościowych. Światło generowane za pomocą tego typu źródeł charakteryzuje się niskim współczynnikiem oddawania barw ze względu na obecność wąskich pasm w widmie emisyjnym tych materiałów. Amerykańskie zgłoszenie patentowe nr US 2011/0 309 303 A1 ujawnia wykorzystanie matryc oksyfluorków współdomieszkowanych jonami lantanowców do generacji światła białego przy pompowaniu optycznym promieniowaniem podczerwonym. Emisja światła białego przy pomocy matryc według tego wynalazki wykorzystuje zjawisko up-konwersji poprzez kombinację wąskich spektralnie linii emisyjnych charakterystycznych dla przejść f-f jonów lantanowców. Natomiast w patencie amerykańskim nr US 7 088 040 B1 ujawniono wykorzystanie zjawiska upkonwersji w matrycach zbudowanych z NaYF4 domieszkowanych ER i Yb, YLiF4 domieszkowanych TM i Yb, YF3 domieszkowanych Tm i YB oraz YF3 domieszkowanych Er i Yb. Promieniowanie w tym rozwiązaniu jest absorbowane przez jeden z jonów domieszki i poprzez procesy wielofotonowe otrzymuje się promieniowanie charakterystyczne dla jonów lantanowców na III stopniu utlenienia, przy czym promieniowanie to charakteryzujące się wąskimi liniami spektralnymi. Celem niniejszego wynalazku jest dostarczenie źródła światła białego, o szerokim spektrum promieniowania w zakresie światła widzialnego i stabilnej barwie przez cały okres użytkowania źródła oraz współczynniku oddawania barw, który nie będzie powodował zniekształcenia w postrzeganiu kolorów i zmęczenia wzroku osoby pracującej przy oświetleniu wykorzystującym tego rodzaju źródło światła. Istotą rozwiązania według wynalazku jest to, że źródło światła białego zawierające przynajmniej jedno urządzenie emitujące światło białe zbudowane z transparentnej komory szklanej/kwarcowej, komory próżniowej zwierającej element aktywny optycznie, dystansera, soczewki skupiającej, laserowej diody IR i zasilacza charakteryzuje się tym, że elementem aktywnym optycznie umieszczonym w komorze próżniowej jest cienkowarstwowa matryca tlenkowa domieszkowana jonami ziem rzadkich wybranymi z grupy Nd, Yb, przy czym stężenie jonów domieszki w wynosi od 0,0001 do 100% at. (% atomowy).
PL 223 975 B1 3 Korzystnie, w rozwiązaniu według wynalazku element aktywny optycznie stanowi cienkowarstwowa matryca wybrana z grupy składającej się z Ca 9 Nd(OH) 2, Ca 9 Yb(OH) 2, NaNdP 4 O 12, RbNdP 4 O 12, RbYbP 4 O 12. Korzystnie, w rozwiązaniu według wynalazku element aktywny optycznie stanowi cienkowarstwowa matryca tlenkowa w postaci nanokrystalicznego lub mikrokrystalicznego proszku, szkła, kryształu, nanoceramiki, nanokompozytu, przy czym grubość warstwy wynosi nie więcej niż 10 mm. Korzystnie, element aktywny optycznie po wzbudzeniu wiązką promieniowania generowanego przez laserową diodę IR emituje światło białe o współczynniku oddawania barw (ang. color rendering index, CRI) powyżej 90. Wysoki współczynnik oddawania barw uzyskiwany dla źródła światła białego według wynalazku sprawia, że nie dochodzi do zniekształcenia w postrzeganiu kolorów i zmęczenia wzroku osoby pracującej przy oświetleniu wykorzystującym tego rodzaju źródło światła, dlatego też szczególnie korzystnie, gdy współczynnik oddawania barw uzyskiwany dla źródła światła białego według wynalazku jest bliski 100. Korzystnie, w rozwiązaniu według wynalazku laserowa dioda IR emituje promieniowanie w zakresie bliskiej podczerwieni o długości fali 800-1200 nm. W przypadku, gdy w rozwiązaniu według wynalazku element optycznie aktywny jest domieszkowany pojedynczym typem jonu aktywnego optycznie np. Nd 3+, bądź Yb 3+, długość fali wzbudzającej generowanej przez diodę laserową IR wynosi odpowiednio ok. 808 nm dla matrycy domieszkowanej jonami Yb 3+ oraz ok. 940-980 nm dla matrycy domieszkowanej jonami Nd 3+. W rozwiązaniu według wynalazku element aktywny optycznie absorbuje promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni, dzięki czemu możliwe jest generowanie szerokopasmowego promieniowania, pokrywającego prawie cały zakres widzialnego promieniowania elektromagnetycznego. Korzystnie, w rozwiązaniu według wynalazku wartość ciśnienia w komorze próżniowej, w której znajduje się element aktywny optycznie mieści się w zakresie od 10 3-10 -6 mbar. Bardziej korzystnie wartość ciśnienia wynosi 10-3 mbar. W rozwiązaniu według wynalazku intensywność emisji światła widzialnego reguluje się poprzez moc pompowania optycznego lub regulację ciśnienia otaczających gazów. Ze względu na fakt, że intensywność emisji światła jest silnie zależna od gęstości pompowania optycznego istnieje możliwość modelowania intensywności emisji poprzez różnicowanie odległości pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie. Im odległość ta jest bliższa wartości ogniskowej, tym uzyskuje się wyższą intensywność emisji światła. Ponadto, intensywność emisji światła białego w rozwiązaniu według wynalazku zależy odwrotnie proporcjonalnie do ciśnienia gazów otaczających element aktywny optycznie, dlatego intensywność emisji światła białego można kontrolować również poprzez regulowanie ciśnienia gazów otaczających element aktywny optycznie. Źródło światła białego według wynalazku uzyskuje ok. 10% wydajność elektrooptyczną. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku schematycznym, na którym fig. 1, fig. 2 i fig. 3 przedstawiają urządzenie generujące światło białe w widoku w przekroju pionowym. Urządzenie przedstawione na fig. 1 zbudowane jest z komory 6 zamkniętej u góry transparentną płaską powierzchnią czołową 1 wewnątrz której warstwowo umieszczono dalsze elementy, gdzie od strony czołowej 1 komory 6 znajduje się najpierw komora próżniowa 2 zwierająca element aktywny optycznie, następnie 5 dystanser 3, soczewka skupiająca 4, dioda IR połączona z zasilaczem diody 7. Urządzenie przedstawione na fig. 2 zbudowane jest z komory 7 zamkniętej u góry transparentną powierzchnią czołową 1 w formie szklanej lub kwarcowej bańki, wewnątrz której warstwowo umieszczono dalsze elementy, gdzie od strony czołowej 1 komory 7 znajduje się najpierw komora próżniowa 2 zwierająca element aktywny optycznie, następnie postument 3, dystanser 4, soczewka skupiająca 6, dioda IR 5 połączona z zasilaczem diody 8. Urządzenie przedstawione na fig. 3 zbudowane jest z komory 7 zamkniętej u góry transparentną powierzchnią czołową 1 w formie szklanej lub kwarcowej bańki, wewnątrz której warstwowo umieszczono dalsze elementy, gdzie od strony czołowej 1 komory 7 znajduje się najpierw komora próżniowa 2 zwierająca element aktywny optycznie, następnie zwierciadło 3, dystanser 4, soczewka skupiająca 6, dioda IR 5 połączona z zasilaczem diody 8. W zależności od tego, czy źródło światła białego według wynalazku ma emitować wiązkę światła białego punktowo, czy ma być ona rozproszona, powierzchnia czołowa górnego zakończenia komory może być w płaska lub wypukła. Dla dodatkowego wzmocnienia intensywności emisji wiązki światła białego generowanego przez rozwiązanie według wynalazku, pomiędzy komorą próżniową
4 PL 223 975 B1 zwierającą element aktywny optycznie a dystanserem można umieszczać postument o niskim przewodnictwie cieplnym lub zwierciadło dielektryczne odbijające promieniowanie z zakresu VIS, transparentne dla promieniowania IR. Przedmiotowe rozwiązanie może znaleźć zastosowanie w przemyśle oświetleniowym. Ze względu na swoją charakterystykę cechującą się niskim poborem mocy (energooszczędność), jak również charakterystykę spektralną (szerokie pasmo emisji pokrywające cały zakres promieniowania widzialnego) może zastąpić obecnie wykorzystywane świetlówki, diody LED, etc. Porównanie zużycia energii przez obecnie stosowane typy oświetlenia zostały przedstawione w tabeli poniżej: Parametry Wynalazek Diody LED Świetlówki Tradycyjne żarówki Oczekiwana żywotność żarówki 10000 50000 10000 1200 Ilość watów (odpowiednik 60-watowej żarówki tradycyjnej) 2 10 14 60 Przeciętny koszt żarówki 217 111 15 5 Ilość KWh prądu zużyte przez 50 000 godzin pracy żarówki 100 500 700 3000 Koszt energii elektrycznej (ok. 0,628 zł za KWh) 63 314 440 1884 Wymagana ilość żarówek na 50000 godzin pracy 5 1 5 42 Koszt żarówek na 50000 godzin pracy 1085 111 61 163 Całkowity koszt 50000 godzin pracy 1148 425 501 2047 Wynalazek jest przedstawiony bliżej w przykładach wykonania, które nie ograniczają jego zakresu. P r z y k ł a d 1 W komorze szklanej zamkniętej u góry transparentną płaską powierzchnią czołową umieszczono element aktywny optycznie w postaci warstwy nanokrystalicznego proszku NaYbF 4 o grubości do 2 mm. Ciśnienie w komorze próżniowej wynosi poniżej 10-3 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 980 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie. P r z y k ł a d 2 W komorze szklanej zamkniętej u góry transparentną płaską powierzchnią czołową umieszczono element aktywny optycznie w postaci warstwy nanokrystalicznego proszku NaNdF 4 o grubości 1 mm. Ciśnienie w komorze próżniowej wynosi poniżej 10-3 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 980 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie. P r z y k ł a d 3 W komorze szklanej zamkniętej u góry transparentną płaską powierzchnią czołową umieszczono element aktywny optycznie w postaci warstwy nanoceramiki LiLaF 4 o grubości 2 mm, domieszkowanego 75 % at. jonów Nd 3+, Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 3 mm zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 980 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 94. P r z y k ł a d 4 warstwy kryształu Ca 9 Nd(OH) 2 o grubości 5 mm. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 7 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-1 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 808 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 87. P r z y k ł a d 5
PL 223 975 B1 5 warstwy kryształu Ca 9 La(OH) 2 o grubości 5 mm, domieszkowanego 35% at. jonów Yb 3+. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 4 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10 2 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 808 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 94. P r z y k ł a d 6 warstwy kryształu NaLaP 4 O 12 o grubości 5 mm, domieszkowanego 5% at. jonów Nd 3+. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 2 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-6 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 808 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 92. P r z y k ł a d 7 warstwy kryształu RbNdP 4 O 12 o grubości 5 nm. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 10 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-4 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 808 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 85. P r z y k ł a d 8 warstwy kryształu KLaP 4 O 12 o grubości 50 nm, domieszkowanego 80% at. jonów Nd 3+. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 7 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-3 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 808 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 87. P r z y k ł a d 9 warstwy kryształu NaYbP 4 O 12 o grubości 5 mm. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 4 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-3 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 975 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 95. P r z y k ł a d 10 warstwy kryształu RbYP 4 O 12 o grubości 250 nm, domieszkowanego 50% at. jonów Yb 3+. Odległość pomiędzy soczewką a elementem aktywnym optycznie wynosi 3 mm, zaś ciśnienie w komorze próżniowej wynosi 10-3 mbara. Po wzbudzeniu matrycy diodą laserową emitującą wiązkę promieniowania o długości fali 980 nm uzyskano światło białe o ciepłej barwie i współczynniku CRI wynoszącym 92. Zastrzeżenia patentowe 1. Źródło światła białego zawierające przynajmniej jedno urządzenie emitujące światło białe zbudowane z transparentnej komory szklanej/kwarcowej, komory próżniowej zwierającej element aktywny optycznie, dystansera, soczewki skupiającej, laserowej diody IR i zasilacza, znamienne tym, że elementem optycznie aktywnym umieszczonym w komorze próżniowej jest cienkowarstwowa matryca tlenkowa domieszkowana jonami ziem rzadkich, w szczególności Nd i Yb, przy czym stężenie jonów domieszki w wynosi od 0,0001 do 100% at. 2. Źródło światła białego według zastrz. 1, znamienne tym, że element optycznie aktywny stanowi cienkowarstwowa matryca wybrana z grupy składającej się z Ca 9 Nd(OH) 2, Ca 9 Yb(OH) 2, NaNdP 4 O 12, RbNdP 4 O 12, RbYbP 4 O 12, Y 2(1-x) Yb 2x O 3 dla x > 0,3, Y 3(1-x) Nd 3x A 15 O 12 dla x od 0,3 do 1, Y 2(1-x) Nd 2x O 3 dla x od 0,3 do 1. 3. Źródło światła białego według zastrz. 1, znamienne tym, że elementem optycznie aktywnym umieszczonym w komorze próżniowej jest cienkowarstwowa matryca tlenkowa w postaci nanokrysta-
6 PL 223 975 B1 licznego lub mikrokrystalicznego proszku, szkła, kryształu, nanoceramiki, nanokompozytu, przy czym grubość warstwy wynosi do 10 mm. 4. Źródło światła białego według zastrz. 1, znamienne tym, że element aktywny optycznie po wzbudzeniu wiązką promieniowania generowanego przez laserową diodę IR emituje światło białe o współczynniku CRI powyżej 90. 5. Źródło światła białego według zastrz. 1, znamienne tym, że długości fali promieniowania generowanego przez laserową diodę IR jest w zakresie 800-1200 nm. 6. Źródło światła białego według zastrz. 1, znamienne tym, że wartość ciśnienia w komorze próżniowej zawierającej element aktywny optycznie jest w zakresie od 10 3-10 -6 mbara, korzystnie 10-3 mbara.
PL 223 975 B1 7 Rysunki
8 PL 223 975 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)