提高LED灯发光效率的方法及其灯具 【技术领域】
本发明涉及一种LED灯具及其发光效率的提高方法，尤其是一种通过在LED封装荧光材料中掺入量子点材料的方法提高发光效率的方法及其灯具，具体地说是一种提高LED灯发光效率的方法及其灯具。
背景技术
直接使用蓝色芯片激发YAG荧光粉发出白光的照明产品称之为半导体照明产品。白色LED照明产品与传统的白炽灯相比可节电80％-90％；而寿命可达8-10万小时，是白炽灯的10倍以上，具有节能环保、发光体积小、可靠性高且寿命长等显著的优点，是二十一世纪的最具竞争力的绿色光源产品。随着半导体技术的飞速发展，目前大功率LED照明技术已出现可以初步替代各种传统照明光源产品之趋势，美日韩及欧洲等国家和地区均已将之列入国家重点发展计划，有针对性地进行研究和开发。路灯照明是除家庭照明市场以外的第二大照明市场，但电能的消耗却是最大的，所以如何将大功率LED的各种优点运用于该领域，从而大幅度降低使用及维护成本、延长寿命、节约能源成为非常重要的课题。
由于白光最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以白光LED作为照明光源极具潜力。1993年日本日亚化学公司Nakamura.S等率先在蓝色氮化镓(GaN)L ED技术上取得突破，于1996年将发射黄光的Y3Al5O12:Ce3+(YA G:Ce3+)作为荧光粉，涂在发射蓝光的GaN二极管上，制备出白光L ED，并于1998年将其推向市场。2000年以来半导体LED照明技术发展非常迅速，目前白光LED发光效率已经达到40-60lm/W左右，在一些特殊照明领域已经有非常广泛的应用。此后，白光L ED得到了迅速发展，目前商用高效白光L ED器件的光效已超过50lm/W接近荧光灯的水平，而根据最新的试验预测，100lm/W以上的白光L ED也在1年内实用化，比预期时间大大提前了。白光L ED照明取代传统照明成为照明的主要方式，将是大势所趋。可以预见，高亮度的白光L ED将取代白炽灯泡而广泛用于各种场合。
目前白光L ED的制备技术可分为3种：荧光粉涂敷光转换法、多色L ED组合法和多量子阱法。荧光粉涂敷光转换法，即采用荧光粉将紫光或蓝光转换复合产生白光；多色L ED组合法是由发射波长不同的蓝、绿和红等单色L ED组合发射复合白光；多量子阱法是在单一L ED中进行掺杂，利用多量子阱活化层直接制备发白光的二极管。
荧光粉涂敷的光转换法是目前技术上最成熟的方法。以GaInN/YAG体系为例，这种白光L ED是在蓝色GaN芯片的表面上涂钇铝石榴石(YA G)荧光粉后制成的。它利用GaN基蓝光发光二极管所发出的460～470 nm的蓝光一部分用来激发荧光粉，使荧光粉发出黄绿色光，另一部分透过荧光粉发射出来，荧光粉发出的黄绿色光与GaN基蓝光发光二极管发光的透射部分混合形成白光荧光粉的选择有两个必须满足的条件，第一是荧光粉的激发光谱必须与所选择的发光二极管的发射光谱相匹配，这样可以确保获得更高的光转换效率；第二是荧光粉的发射光谱在紫外激发下能发出白光，或者在蓝光激发下与发光二极管发射出的蓝光能够复和形成白光。
目前国际上通常采用波长为350～470nm的GaInN基发光二极管作为激发光源，因此要求荧光粉的激发谱也在此范围之内。同时优质荧光粉还应该满足以下特点：发射峰集中在某些合适的波长范围内；有好的热稳定性；高量子效率和激发光吸收率；粉末颗粒细小均匀。但是这些通常的荧光材料的尺度远大于纳米量级。
自1996年日本日亚化学公司将YAG:Ce3+荧光粉涂敷于蓝光GaN芯片组装成白光LED之后，YAG:Ce3+荧光粉得到广泛的应用。不过，采用传统固相反应法合成的YAG:Ce3+荧光粉存在制备温度高、发光强度尚待提高、组装成白光LED显色指数较低等问题，因此，近年来依然有大量关于YAG:ce3十荧光粉制备技术和性能改善方面的研究。另一方面，虽然不断有用于白光LED的荧光粉(蓝光激发的或是紫外一近紫外激发的)的研究和报道，某些荧光粉在部分性能上也超过了YAG:Ce3+，但大都还处于在研发阶段，投入实际应用的不多。YAG:Ce3十荧光粉仍有其独特的技术、成本和性能优势。
目前开发的白光LED的主要技术中，通过蓝光LED芯片上涂敷黄色荧光粉是最为成熟的技术，具有涂敷工艺简单、蓝光LED芯片及黄色荧光粉制备较为成熟、YAG:Ce3+荧光粉的激发光谱与InGaN或GaN蓝光芯片发光光谱很匹配、发光效率高、性能稳定、具有优良的导热性和机械强度以及良好地物理化学性质等优点，因此是目前因内外制造白光LED最为成熟的方法。
YAG:Ce3+荧光粉经过近十几年的研发，性能已经基本满足商品化要求。针对高端需求方面应用的YAG:C扩+荧光粉，现在主要的研究方向：
(1)合成工艺的优化。由于传统的固相反应法合成温度很高(需要1400℃以上)，反应过程要经历很多中间相，导致晶粒粗化，发光效率不高。对固相反应进行一些改进，可使颗粒团聚减少，合成温度降低。中国台湾的Tsai等在固相反应前将原料在pH＝1时进行老化，1200℃锻烧1小时即能得到YAG纯相，并且发光强度也得到提高。
现在普遍采用各种湿化学方法合成纳米YAG:Ce3+荧光粉，希望提高其发光性能、降低烧结温度。由于纳米粉体的表面积相对较大，粉体表面能较高，使材料烧结动力增加，从而使烧结温度降低，此外单纯从处于表面的发光离子总量考虑，也有利于提高荧光粉的发光强度。我国的chen等[53]用共沉淀法850℃锻烧得到纯YAG相的YAG:ce3+纳米粉体，平均粒径在4OInn左右。另外通过表面修饰手段，也是一种提高YAG:ce3+荧光粉的发光性能的重要方法。Kasuya等用PEG(ethylene glycol)，通过醇热反应制备出表面修饰的YAG:ce3+纳米荧光粉，修饰后的发光效率比未进行表面修饰制备出YAG:Ce3+荧光粉的发光原子效率提高近16％。Asakura等用柠檬酸作表面修饰，用醇热热反应制备出YAG:Ce3+纳米荧光粉体，颗粒粒径减小到4llln，发光的原子效率也提高将近20％。
(2)发光显色指数的改善。蓝光LED芯片激发YAG:Ce3+荧光粉发出黄光，蓝光与黄光混合成白光，由这种方法组装成的白光LED缺少红光部分，显色指数偏低，因此通过特定方法改变YAG:Ce3+荧光粉在蓝光激发下的颜色组成，来提高显色指数，也是一个重要的研究方向。
量子点(quantum dot)是准零维(quasi-zero-dimensional)的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，外观恰似一极小的点状物，其内部电子在各方向上的运动都受到局限，所以量子局限效应(quantum confinement effect)特别显著。由于量子局限效应会导致类似原子的不连续电子能阶结构，因此量子点又被称为「人造原子」(artificial atom)。科学家已经发明许多不同的方法来制造量子点，并预期这种纳米材料在二十一世纪的纳米电子学(nanoelectronics)上有极大的应用潜力。
量子点(Quantum Dot)是在把导带电子、价带空穴及激子在三个空间方向上束缚住的半导体纳米结构。这种约束可以归结于静电势(由外部的电极，掺杂，应变，杂质产生)，两种不同半导体材料的界面(例如：在自组量子点中)，半导体的表面(例如：半导体纳米晶体)，或者以上三者的结合。量子点具有分离的量子化的能谱。所对应的波函数在空间上位于量子点中，但延伸于数个晶格周期中。一个量子点具有少量的(1-100个)整数个的电子、空穴或空穴电子对，即其所带的电量是元电荷的整数倍。
小的量子点，例如胶状半导体纳米晶，可以小到只有2到10个纳米，这相当于10到50个原子的直径的尺寸，在一个量子点体积中可以包含100到100,000个这样的原子.自组装量子点的典型尺寸在10到50纳米之间。通过光刻成型的门电极或者刻蚀半导体异质结中的二维电子气形成的量子点横向尺寸可以超过100纳米。将10纳米尺寸的三百万个量子点首尾相接排列起来可以达到人类拇指的宽度。
量子点，又可称为纳米晶，是一种由II-VI族或III-V族元素组成的纳米颗粒。量子点的粒径一般介于1～10hm之间，由于电子和空穴被量子限域，连续的能带结构变成具有分子特性的分立能级结构，受激后可以发射荧光。基于量子效应，量子点在太阳能电池，发光器件，光学生物标记等领域具有广泛的应用前景。
为了增强LED的发光强度，通常采用荧光材料增加出射光的强度。提高LED发光效率。荧光粉的选择通常满足一定的波长。根据我们的调研和检索，采用量子点材料的应用开发不多。Sandia国家实验室是世界上第一个采用量子点白光技术获得白光照明的研究单位。与传统的荧光粉不同，量子点技术通过改变量子点的尺寸调节发光的颜色。该技术的困难在于，把量子点从有机溶剂中用环氧树脂包裹，方法不当会引起光效下降。
为了提高LED颜色特定波谱，本发明结合量子点特定波谱特点，在荧光材料掺入量子点，可以获得可变波长或者特定波长的颜色。
【发明内容】
本发明的目的是针对现有的LED灯发光效率难以提高的问题，发明一种提高LED灯发光效率的方法，同时提供一种相应的LED灯。
本发明的技术方案之一是：
通过向LED荧光粉中增加油溶性CdSe/ZnS量子点材料，搅拌均匀后进行封装，加入量为了(1～10)/10000。
本发明的技术方案之二是：
通过在LED灯罩内表面涂覆一层厚度为100纳米～10微米的CdS/ZnS量子点材料。
本发明的技术方案之三是：
一种LED灯，包括LED颗粒1、灯罩2、量子点3、封装胶4、透明罩5，其特征是所述的量子点3散置于封装胶4中，封装胶4位于灯罩2中，透明罩5罩装在灯罩2的上部，LED颗粒1通过封装胶4定位在灯罩2的中心位置处。
本发明的技术方案之四是：
一种LED灯，包括LED颗粒1、灯罩2、量子点3、封装胶4、透明罩5，其特征是所述的封装胶4位于灯罩2中，透明罩5罩装在灯罩2的上部，LED颗粒1通过封装胶4定位在灯罩2的中心位置处，所述的透明罩5的内表面上涂覆有含有量子点3的透明涂层，所述的量子点为CdS/ZnS量子点材料。
本发明的技术方案之五是：
通过对荧光粉进行粒度进行调节，选择与量子点尺度接近的荧光粉材料，然后将两种材料进行混合，采用均匀成膜方法在LED器件表面涂敷100纳米～10微米量子点与荧光材料的混合膜。
本发明的有益效果是：
通过添加量子点材料，在荧光粉中的量子点材料例如CdSe、CdS等在LED激发作用下，发出特定波长的光，通过这种方法可以减少LED的颗粒数量从而获得全光谱的颜色。
【附图说明】
图1是本发明的结构示意图之一。
图2是本发明的结构示意图之二。
图中：1是LED颗粒，2是灯罩，3是量子点，4是封装胶，5是透明罩，6、7、8是光线。
【具体实施方式】
下面附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例一。
通过向LED荧光粉中增加CdSe/ZnS量子点材料，搅拌均匀后进行封装，加入量为了(1-10)/10000。
实施例二。
本发明的技术方案之二是：
通过在LED灯罩内表面涂覆一层厚度为100纳米～100微米的CdS/ZnS量子点材料。
实施例三。
如图1所示。
一种LED灯，包括LED颗粒1、灯罩2、量子点3、封装胶4、透明罩5，其特征是所述的量子点3散置于封装胶4中，封装胶4位于灯罩2中，透明罩5罩装在灯罩2的上部，LED颗粒1通过封装胶4定位在灯罩2的中心位置处，所述的量子点为CdS或ZnS量子点材料。
实施例四。
如图2所示。
一种LED灯，包括LED颗粒1、灯罩2、量子点3、封装胶4、透明罩5，其特征是所述的封装胶4位于灯罩2中，透明罩5罩装在灯罩2的上部，LED颗粒1通过封装胶4定位在灯罩2的中心位置处，所述的透明罩5的内表面上涂覆有含有量子点3的透明涂层，所述的量子点为CdS或ZnS量子点材料。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。