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TWI801545B - 用於失活微生物之多光發射器 - Google Patents

用於失活微生物之多光發射器 Download PDF

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TWI801545B
TWI801545B TW108111242A TW108111242A TWI801545B TW I801545 B TWI801545 B TW I801545B TW 108111242 A TW108111242 A TW 108111242A TW 108111242 A TW108111242 A TW 108111242A TW I801545 B TWI801545 B TW I801545B
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羅伯特 拜倫
科里 維恩斯洛
尼可拉斯 瓊納斯
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美商維它里歐公司
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Abstract

本文揭示一種失活微生物之多光發射器裝置。該裝置包括至少兩個光發射器及經配置以轉換來自該等光發射器之至少一部分光的至少一種光轉換材料。任何自該等光發射器發射之未經轉換的光及自該至少一種光轉換材料發射之經轉換的光混合以形成經組合光，該經組合光為白色。在一個態樣中，該等光發射器包括至少一個藍光發射器及至少一個紫光發射器。在另一態樣中，該等光發射器包括一個藍光發射器及一個在大致黃光至紅外光之範圍內的發射器。

Description

用於失活微生物之多光發射器
本發明係關於一種能夠發射可感知為白色或白色色調之光的多光發射器裝置，且更特定言之，係關於一種能夠發射可感知為白色或白色色調之光，同時引起微生物失活的多光發射器裝置。
在大部分室內佔據環境中主要要求發光裝置提供區域、在區域中完成之任務及區域之居住者及物件之照明。照明技術廣泛應用於室內，自白熾燈及鹵素燈泡，至螢光及發光二極體(LED)燈泡及裝置，以及許多其他技術。迄今為止，此等照明技術之主要目的係為了提供可由人類觀測為被視為「白色」光的光，其可以人類合意之方式有效地照明物件之不同色彩、紋理及特徵。
儘管許多技術在商業上用於照明中，但LED照明作為以有效成本點提供有效、高品質白光照明之技術而擴大。用於一般照明之一些常見LED使用半導體接面，該半導體接面經給予能量以發射藍光且與磷光體材料(諸如摻鈰之釔鋁石榴石(YAG：Ce))組合以將彼藍光之一部分轉換成其他波長之光，諸如黃色波長。當恰當平衡時，自半導體接面及磷光體材料發射之經組合光被感知為白色或白色色調。當前出於許多原因使用發射 藍光之半導體，該等原因包括高效率、相對低成本及貢獻總光譜之藍光之相對合乎理想的色彩益處(相比於發射另一色彩之光的發光半導體)。
一些替代性LED技術使用發射UV、近UV或紫光而非藍光之半導體接面。磷光體材料經組合以將藍光、紫光或UV光之一部分轉換成其他波長之光，且適當地平衡兩種組分以提供白光或白光色調。紫色LED由於通常較低效率及成本效能而不太頻繁地使用，但已在商業上示出能夠根據一些標準，如顯色指數(CRI)提供充分視覺品質之光。
在此等LED技術中之兩者的情況下，權衡達成發射輻射之相對較高發光效率與達成發射輻射之理想顏色特性(CRI、相關色溫(CCT)、色域等)。換言之，選擇與人眼之光譜敏感性相關的自照明裝置發射之經組合光的光譜以達成高效率，同時使所需色彩特性之犧牲降至最低。
產生具有以不同方式利用發射光之額外效能因素的替代性光源。已證明用於園藝、健康、保暖及消毒之照明燈具及裝置。除了經調節以用於輻射之發光效率以外，此等照明燈具及裝置亦經調節以提供某些輻射區域之增加之輸出以實現額外效能因素。
此等照明燈具及裝置經由使用光之各種替代性功能，諸如光化學、光生物學、輻射能量及其他來提供照明之雙重或多個功能。通常，針對匹配所添加功能之吸收或活化光譜之特定區域而嘗試最佳化輻射能量輸出。舉例而言，針對發射匹配葉綠素及其他基於植物之光活化機制之吸收或活化光譜的光而嘗試最佳化用於園藝之燈具及裝置。針對發射匹配褪黑激素之吸收或活化光譜的光而嘗試最佳化用於輔助晝夜節律之燈具及裝置。
在發射用於多個功能之光之此等照明燈具及裝置中，可權衡光發射以達成各功能之可接受位準。功能中之一者可為一般照明(例如，當多功能照明燈具及裝置用於人類佔據之空間中時)，在此情況下，達成發射光之相對較高發光效率不僅與達成發射光之理想顏色特性權衡，且亦與達成可接受或所要位準之一或多個其他功能權衡。
發射用於多種功能之光之裝置的另一功能可為消毒(微生物失活)，在此情況下，需要使用紫色消毒光(例如，380nm至420nm)。如上文所指出，當前用LED產生白光之方法極經常使用發射藍光(例如，440nm至495nm)之半導體晶粒作為基極發射器，且接著在藍光之至少一部分穿過波長轉換層之後將藍光轉換成白光光譜。簡單地將紫光添加至此現有白光譜不產生用於室內照明之在視覺上吸引人或可接受的白光，替代地，將產生具有非所要紫色色調之光。需要色彩之正確平衡以產生包括紫色消毒光之理想白光。
本文中所提供之本發明之實施例可包括一種用於失活微生物之發光裝置，該發光裝置包括至少兩個光發射器，其中該等至少兩個光發射器中之至少一者經組態以發射波長在380nm至420nm範圍內的光，該等至少兩個光發射器中之至少一者經組態以發射波長在440nm至495nm範圍內的光，該等至少兩個光發射器中之一或多者包括光轉換材料，其經配置以處於自給定光發射器發射光的直接路徑中，例外為經組態以發射波長在380nm至420nm範圍內之光的至少一個光發射器不包括光轉換材料，各光轉換材料經配置以將自該給定光發射器發射之該光之該波長轉換成與其不同的波長，且不穿過光轉換材料之來自任何光發射器之該光與 自各光轉換材料發射之該光組合以形成白光。
本文中所提供之本發明之實施例可包括一種用於失活微生物之發光裝置，該發光裝置包括至少兩個光發射器，其中該等至少兩個光發射器中之至少一者經組態以發射波長在380nm至420nm範圍內的光，該等至少兩個光發射器中之至少一者經組態以發射波長在440nm至495nm範圍內的光，該等至少兩個光發射器中之每一者包括光轉換材料，該光轉換材料經配置以處於自給定光發射器發射之該光之直接路徑中，各光轉換材料經配置以將自該給定光發射器發射之該光之該波長轉換成與其不同的波長，且不穿過光轉換材料之來自任何光發射器之該光與自各光轉換材料發射之該光組合以形成白光。
本文中所提供之本發明之實施例可包括一種用於失活微生物的發光裝置，該發光裝置包含：至少兩個光發射器，其中：至少一個第一光發射器經組態以發射波長在560至1400奈米(nm)範圍內之光，該至少一個第一光發射器包括向上轉換奈米粒子層，該向上轉換奈米粒子層在自其發射之該光之直接路徑中且經配置以將發射之該光的該波長轉換成380-420nm範圍內之波長；且至少一個第二光發射器經組態以發射波長在440nm至495nm範圍內之光，該至少一個第二光發射器包括至少一種經配置以處於自其發射之該光之直接路徑中的光轉換材料，各光轉換材料經配置以將自該至少一個第二光發射器發射之該光之該波長轉換成與其不同的波長，其中來自該至少一個第一光發射器及該至少一個第二光發射器之該光組合以形成白光。
100:發光裝置
102a:光發射器
102b:光發射器
104:光轉換材料
106:基板
200:發光裝置
202a:光發射器
202b:光發射器
204a:光轉換材料
204b:光轉換材料
300:發光裝置
302a:光發射器
302b:光發射器
304a:光轉換材料
304b:光轉換材料
304c:光轉換材料
400:發光裝置
402a:光發射器
402b:光發射器
404a:光轉換材料
404b:光轉換材料
700:發光裝置
702a:光發射器
702b:光發射器20
704a:光轉換材料
704b:光轉換材料
706:透鏡
800:發光裝置
802a:光發射器
802b:光發射器
804a:光轉換材料
804b:光轉換材料
806:囊封體
自結合描繪本發明之各種態樣之隨附圖式詳細描述本發明 之各種態樣，將更容易地理解本發明之此等及其他特徵。
圖1說明具有藍光發射器與紫光發射器之組合的發光裝置，其中至少一個紫光發射器保持未由光轉換材料覆蓋。
圖2說明具有藍光發射器與紫光發射器之組合的另一發光裝置，其中至少一個紫光發射器保持未由光轉換材料覆蓋，且上方配置有具有光轉換材料之所有發射器均為藍光發射器。
圖3說明具有藍光發射器與紫光發射器之組合的另一發光裝置，其中至少一個紫光發射器保持未由光轉換材料覆蓋，且上方配置有光轉換材料之發射器為藍光發射器與紫光發射器之組合。
圖4說明具有藍光發射器與紫光發射器之組合的另一發光裝置，其中所有發射器具有配置於上方之光轉換材料。
圖5說明類似於圖1之發光裝置的另一發光裝置，但具有含有發射器及光轉換材料之透鏡。
圖6說明類似於圖5之發光裝置的另一發光裝置，但具有含有發射器及光轉換材料之囊封體。
圖7說明美國國家標準學會(American National Standards Institute，ANSI)C78.377-2017白光標準圖式，其使用CIE 1931 x,y座標系統與所選CCT處之所接受之x-y座標，該等CCT在為本發明之一些實施例中之發光裝置之色彩座標範圍。
圖8說明在本發明之一些實施例中顯示所需相對效率與發光裝置之光波長關係的亮光發光度函數圖(眼睛色彩敏感性圖)。
應注意，圖式可能未按比例繪製。圖式意欲僅描繪本發明之典型態樣，且因此不應被視為限制本發明之範疇。在圖式中，相同編號 表示圖式之間的相同元件。實施方式參考圖式以實例來解釋本發明之實施例以及優勢及特徵。
本申請案主張2018年3月29日申請的名為「MULTIPLE LIGHT EMITTER FOR INACTIVATING MICROORGANISMS」之美國專利申請案第15/940,127號之權益及優先權。該文獻之內容以全文引用之方式明確併入本文中。
根據各種實施例，揭示一種多光發射器裝置，其能夠發射可感知為白色或白色色調的光且同時能夠發射具有特定波長之某些濃度的光，該等特定波長與至少一些微生物之失活相關聯。本發明之各種實施例提供一種產生可藉由ANSI標準定義為白光之消毒白光光譜的替代性且更有效的方式。
在本發明之實施例中，發光裝置由按照以下方式組裝的至少兩個光發射器(例如，LED、OLED、半導體晶粒、雷射)及一或多種光轉換材料(例如，磷光體、光學增亮劑、量子點、磷光材料、螢光團、螢光染料、導電聚合物)構成：可將自光發射器發射之光引導至光轉換材料中且可藉由光轉換材料將引導至光轉換材料中之此光的至少一部分轉換成具有不同品質(例如，不同峰值波長)的光。可藉由光轉換材料藉由吸收光，對光轉換材料給予能量或活化光轉換材料以發射具有不同品質(例如，不同峰值波長)之光來轉換光。
光發射器及光轉換材料可以許多不同方式組裝，諸如但不限於圖1至3中所描繪之本發明之第一態樣的實施例、圖4中所描繪之本發明之第二態樣的一實施例，亦在圖4中所描繪之本發明之第三態樣的實施 例。本發明之發光裝置可藉由如圖7至8中所描繪之光學器件(例如，透鏡)、反射器或其他組裝組件或材料(例如，囊封體)改質，其可有助於由發光裝置發射之組合光被感知為白色或白色色調。
在本發明之第一態樣中，發光裝置包括至少兩個光發射器，例如，至少兩個半導體晶粒，其中至少一個半導體晶粒發射380-420奈米範圍內之紫光且未由光轉換材料覆蓋，從而允許此紫色波長未觸碰地發射，而至少一個其他半導體晶粒發射440-495奈米範圍內之藍光且由至少一種光轉換材料覆蓋。穿過光轉換材料之藍光產生灰白色出光，此出光與自未覆蓋之半導體晶粒發射之紫光組合以產生高品質消毒白光。使用選擇光轉換材料組合來謹慎設計灰白色出光以確保當與特定比例之紫光混合時，產生高品質白光。灰白光座標應在國際照明委員會(International Commission on Illumination，CIE)1931色度圖上之黑體曲線上方(參見下文論述之圖9)，以便與紫光組合，該紫光之座標在CIE 1931色度圖上之黑體曲線下方，以形成落在黑體曲線上或ANSI四邊形(例如，由ANSI C78.377-2017定義)內之白光，該等ANSI四邊形界定白光在不同色溫下之座標範圍。換言之，灰白色出光座標應在CIE 1931色度圖上位於邊界線的上方定義為：y=-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
此外，灰白光與自至少一個不包括光轉換材料且在380nm至420nm之範圍內之光發射器發射的光組合。在380-420nm範圍內發射之光在CIE 1931色度圖上定義為具有邊界線下方之座標，其中座標定義為：y=-2.57862x2+2.58744x-0.209201。
如所指出，白光在CIE 1931色度圖上定義為具有由ANSI C78.377- 2017定義之四邊形中之一者內的座標，參見圖7。
在本發明之第一態樣之一實施例中，圖1說明發光裝置100，其包括兩個光發射器102a及102b、光轉換材料104及基板106。光發射器102中之一者發射波長在440nm至495nm範圍內之藍光，亦即，光發射器102a，且光發射器102中之一者發射波長在380nm至420nm範圍內之紫光，亦即，光發射器102b。儘管圖1中僅顯示兩個光發射器102，然而發光裝置100中可能存在三個、四個、五個等光發射器102，只要至少一個紫光發射器102b(其發射波長在380nm至420nm範圍內之光)保持未由光轉換材料104覆蓋即可(參見，例如，用於三個光發射器之圖2及用於四個光發射器之圖3)。
如本文中所使用之光發射器可為任何已知發射器，包括但不限於發光二極體(LED)、有機LED(OLED)、雷射及半導體晶粒。單一LED可包括一或多個半導體晶粒，其為LED封裝內之各發射器。藍光發射器可具有在光線之440-495nm波長範圍內之峰值波長/大部分光輸出。紫光發射器可具有在380-420nm波長範圍內之峰值波長/大部分光輸出。
如本文所使用之光轉換材料構成廣泛類別之材料、物質或結構，其具有吸收特定波長之光及將其重新發射為另一波長之光的能力。應注意光轉換材料不同於發光材料及透光/濾光材料。發光材料可廣泛地分類為將非紫外-可見-紅外線(UV-VIS-IR)形式之能量轉換成UV-VIS-IR光發射的材料、物質或結構/裝置。非紫外-可見-紅外線(UV-VIS-IR)形式之能量可為且不限於：電、化學反應/電位、微波、電子束及放射性衰變。光轉換材料可包含於介質中或沈積於介質上，從而製得光轉換介質。應理解，光轉換材料、光轉換介質、光轉換濾光器、磷光體及關於光轉換 之任何其他術語意謂所揭示之光轉換材料的實例。
在一些實施例中，光轉換材料可為磷光體、光學增亮劑、磷光體之組合、光學增亮劑之組合或磷光體與光學增亮劑之組合。在一些實施例中，光轉換材料可為量子點、磷光材料、螢光團、螢光染料、傳導性聚合物或任何一或多種類型之光轉換材料之組合。
一些實例磷光體包括將光轉換成紅色(620-750nm)、綠色(495-570nm)及藍色(440-495nm)波長中之每一者的彼等磷光體，諸如分別為氮化物、鎦鋁石榴石及Ca2PO4Cl：Eu2+。其他可能的磷光體材料組合物包括鋁酸鹽磷光體(例如，鋁酸鈣、鋁酸鍶、鋁酸釔)、矽酸鹽磷光體、石榴石磷光體、氮化物磷光體、氮氧化物磷光體、硫化鈣、Ca2PO4Cl：Eu2+、LSN(La3Si6N11：Ce3+)、LYSN((La,Y)3Si6N11：Ce3+)、CASN(CaAlSiN3：Eu2+)、SCASN((Sr,Ca)AlSiN3：Eu2+)、KSF(K2SiF6：Mn4+)、CSO(CaSc2O4：Ce3+)、β-SiAlON((Si,Al)3(O,N)4：Eu2+)、釔鋁石榴石(YAG：Y3(Al,Ga)5O12：Ce3+)、鎦鋁石榴石(LuAG：Lu3Al5O12：Ce3+)及SBCA((Sr,Ba)10(PO4)6C12：Eu2+)。
光學增亮劑為在電磁光譜之紫外及/或紫色區域中吸收光，且在藍色區域中重新發射光的光轉換材料(例如，化合物)。一些光學增亮劑為芪、香豆素、1,3二苯基吡唑啉、萘二甲酸、雜環二甲酸及肉桂酸之化學衍生物。
特定地與OLED一起使用之光轉換材料包括例如磷光材料、螢光團、螢光染料、導電聚合物及有機金屬磷光體。
量子點為奈米尺寸之半導體粒子，其可在向其施加電或光時發射一或多個特定波長之光。由量子點發射之光可藉由改變量子點之尺 寸、形狀及/或材料而精確地調節。將光轉換成較短(亦即，較高能量)波長之量子點有時被稱作向上轉換奈米粒子(UCNP)。量子點可具有允許其分類為不同類型之不同組成及結構，諸如核型量子點、核-殼量子點及合金化量子點。核型量子點為具有均勻內部組成之單組分材料，例如，如鎘、鉛或鋅(例如，CdTe或PbS)之金屬的硫屬化物(硒化物、硫化物或碲化物)。可藉由改變微晶尺寸來微調核型量子點之光致發光及電致發光特性。核殼量子點具有由第二材料包圍之第一材料(核)之小區域，該第二材料具有比第一材料(殼)寬的能帶隙且通常提供經提高之量子產率；例如，由ZnS殼包圍之CdSe核展現大於50%量子產率。合金化量子點包括均質內部結構與梯度內部結構兩者且允許藉由改變組成及內部結構而不改變微晶尺寸來調節光學與電子特性兩者；例如，具有組成CdSxSe1-x/ZnS(具有6nm直徑)之合金化量子點可藉由調整組成來發射不同波長之光。光轉換材料能夠以成比例及非具體成比例之方式兩者吸收多個不同波長之光且發射多個不同波長之光。
磷光體或其他光轉換材料可如至少圖1至圖6中所說明直接沈積於光發射器上，或可遠離光發射器或進一步自光發射器移除。可將光轉換材料例如沈積為保形塗層、摻雜囊封體或黏合劑材料及遠程磷光體。至少一種光轉換材料可以不同或相同比率完全均質化且用作主體混合物，或該至少一種光轉換材料可具有分開定位或分層之一些或所有部分，從而影響不同材料之吸收及發射，該等不同材料在混合時可能不相容或可能吸收過多的底層光。
基板106可包括但不限於：藍寶石、矽碳(SiC)、氮化鎵(GaN)或矽(Si)。將會在基板106下方之LED封裝基板(未圖示)可包括例如 金屬反射體杯，且接著包括環氧樹脂模製化合物(EMC)或聚對苯二甲酸伸環己基-二亞甲基酯(PCT)封裝。如本文中所描述之光發射器可包括適合於所述波長的任何目前已知或稍後開發之材料，諸如但不限於用於紫光之氮化銦鎵(InGaN)或氮化鎵(GaN)。
在本發明之第一態樣之另一實施例中，圖2說明發光裝置200，其包括三個光發射器202、光轉換材料204a及204b及基板106。圖2之實施例不同於圖1之處在於多個藍光發射器202a由光轉換材料204覆蓋，多個藍光發射器202a中之每一者發射具有在440nm至495nm範圍內之相同波長的光，而保持未由光轉換材料覆蓋之紫光發射器202b發射具有不同波長，亦即，在380nm至420nm範圍內之波長的紫光。儘管圖2中僅顯示三個光發射器202，然發光裝置200中可存在四個、五個、六個等光發射器202，只要至少一個紫光發射器202b(其發射波長在380nm至420nm範圍內之光)保持未由光轉換材料204覆蓋即可。亦如圖2中所說明，當藍光發射器202a相同時，各光發射器202a在彼上方具有獨特的光轉換材料204，例如在第一藍光發射器202a上方之光轉換材料204a及在第二藍光發射器202a上方之光轉換材料204b等。
在本發明之第一態樣之又另一實施例中，圖3說明發光裝置300，其包括四個光發射器302、光轉換材料304a、304b及304c及基板106。圖3之實施例不同於圖2之處在於由光轉換材料304覆蓋之多光發射器302包括藍光與紫光發射器302之混合物，該混合物包括至少一個發射波長在440nm至495nm範圍內之光的藍光發射器302a及至少一個發射波長在380nm至420nm範圍內之光的紫光發射器302b。類似於圖2之彼情形，圖3之實施例之至少一個紫光發射器302b保持未由光轉換材料覆蓋且 發射波長在380nm至420nm範圍內的紫光。儘管圖3中顯示了四個光發射器302，然發光裝置300中可存在三個、五個、六個、七個等光發射器302，只要至少一個紫光發射器302b(其發射波長在380nm至420nm範圍內之光)保持未由光轉換材料304覆蓋即可。
在本發明之第二態樣中，發光裝置包含至少兩個光發射器，例如，至少兩個半導體晶粒，其中至少一個半導體晶粒發射380-420奈米範圍內之紫光，且至少一個其他半導體晶粒發射440-495奈米範圍內之藍光，各半導體晶粒由至少一種光轉換材料覆蓋。使用選擇光轉換材料組合來謹慎設計離開光轉換材料之光以確保當混合時，產生高品質白光。
在本發明之第二態樣之一實施例中，圖4說明發光裝置400，其包括兩個光發射器402、光轉換材料404a及404b及基板106。圖4之實施例不同於圖1之實施例之處例如在於存在於發光裝置400中之所有光發射器402在彼上方包括光轉換材料404。亦如圖4中所說明，各光發射器402在彼上方具有獨特的光轉換材料404，例如，在第一光發射器402a上方之光轉換材料404a及在第二光發射器402b上方之光轉換材料404b等。應注意，在圖4之實施例中，光發射器402中之至少一者發射波長在440nm至495nm範圍內之藍光，亦即光發射器402a，且光發射器402中之至少一者發射波長在380nm至420nm範圍內的紫光，亦即光發射器402b。儘管圖4中僅顯示兩個光發射器402，但發光裝置400中可存在三個、四個、五個等光發射器402，只要所有光發射器402均在彼上方具有光轉換材料404即可。
在本發明之第三態樣中，該發光裝置包含至少兩個光發射器，其中：至少一個第一光發射器經組態以發射波長在560至1400奈米 (nm)範圍內之光，該至少一個第一光發射器包括向上轉換奈米粒子層(例如，量子點、向上轉換奈米粒子(UCNP)可為適當的)，該向上轉換奈米粒子層在自其發射之該光之直接路徑中且經配置以將發射之該光的該波長轉換成範圍380-420nm範圍內之波長；且至少一個第二光發射器經組態以發射波長在440nm至495nm範圍內之光，該至少一個第二光發射器包括至少一種經配置以處於自其發射之該光之直接路徑中的光轉換材料，各光轉換材料經配置以將自該至少一個第二光發射器發射之該光之該波長轉換成與其不同的波長，其中來自至少一個第一光發射器及第二光發射器之該光組合以形成白光。
在本發明之第三態樣之一實施例中，圖4說明發光裝置400，其包括兩個光發射器402a、402b。至少一個第一光發射器404a經組態以發射波長在560至1400奈米(nm)範圍內之光。第一光發射器404a包括向上轉換奈米粒子層404a(例如，量子點或其他類型之向上轉換奈米粒子(UCNP)可為適當的)，該向上轉換奈米粒子層404a在自其發射之光的直接路徑中，且經配置以將發射之光的波長轉換成380nm至420nm範圍內之波長。至少一個第二光發射器402b經組態以發射波長在440nm至495nm範圍內之光。第二光發射器402b包括至少一種經配置以處於自其發射之光之直接路徑中的光轉換材料404b。各光轉換材料404b經配置以將自至少一個第二光發射器402b發射之光之波長轉換成與其不同的波長。來自至少一個第一光發射器402a及第二光發射器402b之光組合以形成白光。儘管圖4中僅顯示兩個光發射器402a、402b，然發光裝置400中可存在各類型的三個、四個、五個等光發射器。存在於發光裝置400中之任何數目的光發射器402a可包含UCNP層404a，且存在於發光裝置400中之任何數 目的第二光發射器402b可在彼上方包括光轉換材料404b。
如上文所提及，本發明之發光裝置可藉由諸如透鏡、囊封體等組件改質。圖5說明類似圖4之發光裝置的發光裝置700(僅出於例示性目的)，其中添加含有光轉換材料704a及704b之透鏡706及光發射器702a及702b。圖6說明類似圖4之發光裝置的發光裝置800(僅出於例示性目的)，其中添加含有光轉換材料804a及804b之囊封體806及光發射器802a及802b。
亦如上文所提及，圖7為具有所選CCT處之所接受之x-y座標的ANSI C78.377-2017白光標準之圖形描述。如以圖形形式所描繪之此標準包括7步驟MacAdam橢圓形，且在本發明之一些實施例中在發光裝置之各種色溫下顯示四邊形。ANSI C78.377-2017標準陳述：「此標準之目的首先為指定推薦用於具有固態照明產品之一般照明的色度範圍以確保高品質白光，且其次為在給定公差下將色度分類，以使得可將產品之白光色度傳達至消費者。」因此，所指出之ANSI標準嘗試定義不同CCT值下之高品質白光之色度範圍(定義為CIE 1931 x,y圖式或CIE 1976 u',v'圖式中之「4步驟」或「7步驟」四邊形)。四邊形設定色彩一致性邊界，使得LED至LED，或甚至燈具至燈具，光看起來一致。4步驟或7步驟四邊形亦有助於確定光可能遠離具體CCT之程度且仍考慮彼具體標稱CCT。如本發明之實施例中所描述，所揭示之裝置使得能夠經由所選發射器及光轉換材料之精確組合來在各種色溫下消毒可落入四邊形之邊界內的白光。更特定言之，自本發明之發光裝置發射的經組合白光可使用落在CIE 1931色度圖上之(x,y)座標來定量。對於不同實施例，經組合白光之色溫可在1000K至8000K之間變化。可自所發射之白光譜之經量測光譜功率分佈(SPD) 圖確定(x,y)座標。當圖示時，此等經確定之(x,y)座標將落入各實施例之色溫之四邊形的邊界內，且因此所發射之經組合光可使用ANSI C78.377-2017標準來定義為白光。
圖7充當在本發明之一些實施例中可實際上達成之色彩座標及色彩座標之範圍的實例。應理解，此為可達成之色彩座標之一些現有標準之實例；可使用用於白光之存有或可在未來開發之其他標準。另外，所揭示之裝置可大致在色彩座標中與CIE標準施照體及/或標準施照體家族匹配；應注意，所揭示之裝置可不匹配標準施照體之所有限定特徵，但在一些實施例中，將大致匹配xy色彩座標。此等額外CIE標準施照體中之一些包括但不限於A、B、C、D50、D55、D65、D75、E、F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10、F11及F12。
在本發明之一些實施例中，由光發射器及光轉換材料發射之經組合光為白色且具有以下特性中之一或多者：(a)在大致380nm至大致420nm波長範圍內所量測之大於大致10%之比例的光譜能量(有時亦被稱作光譜含量)，(b)在大致380nm至大致420nm波長範圍內所量測之小於大致50%之比例的光譜能量，(c)1000K至8000K之相關色溫(CCT)值，(d)55至100之顯色指數(CRI)值，(e)60至100之色彩保真度(Rf)值，及(f)60至140之色域(Rg)值。此外，在一些實施例中，白光具有在440nm至495nm波長範圍內所量測之不小於6%之比例的光譜能量。
在本發明之實施例中，發光裝置可具有在380-420nm波長範圍內之至少10%及/或小於大致50%之光輸出的光譜能量。將在380-420nm波長範圍內之光輸出的光譜能量定義為波長在380-420nm範圍內之光之輻照度值相對於波長在380-720nm範圍內之光的輻照度值的比例。將 前者值除以後者值產生在380-420nm波長範圍內之發射光的光譜能量%。將光譜輸出定義為輻射能量。在一些實施例中，輻照度值係以毫瓦(mW/cm2)之輻射能量來量測。輻照度值可藉由任何目前已知或稍後開發之手段量測。在一個實例中，輻照度值可為在目標表面，例如地板、桌面、實驗台工作台、門把手等處之輻照度值，且可為失活微生物之任何必需位準，例如，自380-420nm所量測之至少0.01mW/cm2。替代地，各LED封裝可具有一些最小量之輻射能量，可能自380-420nm量測之20mW。在另一實例中，目標可經設置以在白光之目標表面上具有例如500勒克司之最小強度。此處，只要紫色含量高於20%，可假定在彼白光強度下消毒。換言之，只要已知紫色含量，即可計算有效消毒之時段。在一些實施例中，發光裝置可具有在380-420nm波長範圍內之至少大致20%、25%、30%、35%、40%、45%或50%之光輸出的光譜能量。在一些實施例中，發光裝置可具有在380-420nm波長範圍內之小於大致50%、45%、40%、35%或30%之光輸出的光譜能量。此外，在一些實施例中，白光具有在440nm至495nm波長範圍內所量測之不小於6%之比例的光譜能量(如上文相對於380-420nm所描述來計算)。
380-420nm波長範圍內之光譜能量可用於細菌病原體之失活。405nm峰值波長及高於及低於405nm之波長範圍(380-420nm)已證實對細菌病原體之失活有效。在380-420nm波長中之光能夠殺滅或去活化微生物，諸如但不限於革蘭氏陽性細菌(Gram positive bacteria)、革蘭氏陰性細菌(Gram negative bacteria)、細菌內孢子、黴菌及酵母及絲狀真菌。可殺死或去活化之一些革蘭氏陽性細菌包括金黃色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)(包括MRSA)、產氣莢膜梭菌(Clostridium perfringens)、難養芽孢梭菌(Clostridium difficile)、糞腸球菌(Enterococcus faecalis)、表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermidis)、豬葡萄球菌(Staphyloccocus hyicus)、釀膿鏈球菌(Streptococcus pyogenes)、單核球增多性李氏菌(Listeria monocytogenes)、仙人掌桿菌(Bacillus cereus)、地分枝桿菌(Mycobacterium terrae)、雷特氏乳球菌(Lactococcus lactis)、植物乳酸桿菌(Lactobacillus plantarum)、環狀芽孢桿菌(Bacillus circulans)及嗜熱鏈球菌(Streptococcus thermophilus)。一些革蘭氏陰性細菌包括鮑氏不動桿菌(Acinetobacter baumannii)、綠膿桿菌(Pseudomonas aeruginosa)、肺炎克雷伯氏桿菌(Klebsiella pneumoniae)、普通變形桿菌(Proteus vulgaris)、大腸桿菌(Escherichia coli)、腸炎沙門氏菌(Salmonella enteritidis)、送內氏桿菌(Shigella sonnei)、沙雷菌屬及鼠傷寒沙門桿菌(Salmonella typhimurium)。一些細菌內孢子包括仙人掌桿菌及難養芽孢梭菌。一些酵母及絲狀真菌包括黑麴菌(Aspergillus niger)、白色念珠菌及釀酒酵母。380-420nm波長下之光已有效針對所測試之每一種類型之細菌，儘管其視物種而耗費不同量之時間或劑量。基於已知結果，預期其在一段時間內在一定程度上有效針對所有革蘭氏陰性細菌及革蘭氏陽性細菌。儘管其亦可有效針對許多種類之真菌，但此等將需要較長時間來顯示效果。
為了殺滅或去活化目標表面上之微生物，通常需要特定強度之來自照明裝置/燈具之光。在本發明之一些實施例中，獲得在目標表面上發射輻照度為至少0.01mW/cm2(在380-420nm範圍內)之光的發光裝置。
在本發明之實施例中，白光可定義為相關色溫(CCT)值為 大致1000克耳文(K)至大致8000K、在一些實施例中大致2000K至大致6000K，且在一些實施例中大致2,500K至大致5,000K之光，其中「大致」可包括加或減約200K。
在一些實施例中，來自發光裝置之經組合光輸出或經組合發射光(例如，自光發射器發射之光與自光轉換材料發射之光混合)的CRI值可具有至少55、60、65、70或75之CRI值。在其他實施例中，CRI值可為至少80、85、90或95，加或減大致5(允許100之CRI值)。
白光亦可根據多種其他工業標準定義，諸如但不限於：上文關於圖7所描述之ANSI C78.377-2017白光標準、提供色彩保真度值之保真度指數(Rf)，及提供色域值之色域指數(Rg)。有時，Rf及Rg值以組合形式報導為「TM-30-15」標準。Rf表示與參考施照體下之外觀相比，整個樣品集之色彩外觀平均由測試光再現(呈現)之緊密程度。因此，Rf在一個單一平均指數值中組合針對所有測試色彩樣品所計算之色差，且僅為不考慮感知/偏好效果之顏色品質之一個態樣。Rg提供關於可由白光源(經由反射)產生之色彩之相對範圍的資訊。接近100之計分指示，平均而言，光源再現具有與白熾燈泡(2700K)或日光(5600K/6500K)類似之飽和度的色彩。
在一些實施例中，發光裝置可為表面安裝型LED裝置，其包括LED及至少一種光轉換材料。表面安裝型LED裝置可安裝至印刷電路板(「PCB」)上，或以其它方式經組態以能夠將功率轉移至發光裝置及LED。LED可經由結合電線或引線耦接至PCB，該等結合電線或引線實現自LED至裝置外部之電連接。裝置可具有透鏡、囊封體或其他保護蓋(參見，例如，圖5至圖6)。顯示於圖1至圖6中之實施例可藉由將其配置有導 線或引線而體現為表面安裝型LED裝置，該等導線或引線連接至各別LED且經組態以連接至PCB。
在額外實施例中，發光裝置可為通孔LED裝置，其類似於表面安裝型封裝，但意欲安裝至PCB板或以其它方式經組態以能夠經由導電支路將功率轉移至裝置及光發射器中，該等導電支路與PCB或類似結構上之經匹配孔或通孔配合。支路經由焊料或另一導電介質耦接至PCB或類似結構。
在一些實施例中，發光裝置可為板面晶片LED配置，其為具有多光發射器及光轉換材料之封裝。多光發射器可直接安裝至基板，且可置放光轉換材料，因此所發射之光的所需部分係藉由光轉換材料轉換。
在另一實施例中，發光裝置可為晶片級封裝(CSP)或覆晶CSP，其兩者在不使用傳統陶瓷/塑膠封裝及/或接合導線之情況下封裝發射器，從而允許基板直接附接至印刷電路板。
不同於需要將所發射光組合/混合於光學腔室中(藉助於例如光學器件或殼體結構)之典型多光發射器裝置，該光學腔室繼而需要增加之電子器件、控制件、光學器件及殼體結構，且最終導致增加之成本，本發明之實施例不需要經由光學器件或殼體結構組合多光發射。本發明之多光發射器裝置經組態使得所發射之光在其離開給定LED封裝之前經組合/混合，且因此不需要在光學腔室中組合/混合。
用於單一LED封裝內以產生如本發明之彼等之消毒白光光譜的多個晶粒相比於先前燈具等級、多個LED、色彩混合方法為顯著改良。典型色彩混合方法需要在不同色彩之單獨封裝中使用多個LED，該等LED中之至少一者發射消毒紫光，其需要燈具內之次級光學器件以允許色 彩混合在一起以形成白光。常常需要複雜的電氣控制以恰當地平衡各個別LED之輸出以形成白光。先前的燈具設計由於需要整合次級光學器件以混合色彩亦為複雜且昂貴的。此類複雜的控制件及增加量之所需LED將可用於此色彩混合方法之應用主要限制於較大頂部照明產品，而單一白色消毒LED可容易地整合至不同形狀及尺寸之產品中。
此外，在本發明之實施例中，使用藍光發射器以產生白光光譜之主要部分亦比使用紫光發射器以產生整個光譜顯著更有效，因為不需要以波長轉換材料將藍色波長儘可能遠地在可見光譜範圍(例如，380-750nm)內轉換為混合在一起以形成白光的額外色彩。因為藍光具有比紫光長的波長，所以由斯托克士損失(Stoke's loss)減少而更有效地將其轉換成甚至更長的波長。存在使用紫光之較高斯托克士位移(Stoke's shift)，相比於使用藍光，其降低轉換效率。除了更有效的光轉換以外，藍色半導體晶粒比紫色晶粒更易於在市場上獲得以用於大量製造LED。此外，已開發且在市場上可獲得之大多數磷光體經最佳化以與發射藍光之半導體晶粒一起使用，從而使得更容易獲取磷光體。LED基於效率在市場上競爭，其經本發明之發光裝置改良。充足的藍光亦有助於白光光譜達成較高CRI，其可改良人類對白光之感知。由於一些人幾乎看不見紫光而其他人略微明亮地看見紫光，因此將藍光添加至白光光譜亦有助於增加人與人之間感知之光的一致性。
人類在可見光譜內以不同亮度感知不同色彩之光。由人類感知之亮度以流明為單位轉換為輸出，其貢獻流明/瓦特效率。高效率為理想的，其在給定功率下輸出較多流明。綠色(例如，大致555奈米)由人類視為最亮，此係藉由圖8之眼睛顏色敏感性曲線圖證明。波長愈接近光 譜上之綠色，其愈貢獻流明輸出。同樣如曲線圖上所見，紫光(例如，380-420奈米)對流明輸出貢獻極小。藍光(例如，440-495奈米)離綠色近得多且比紫光顯著較多地貢獻流明輸出。出於此原因，諸如在上文所描述之本發明之實施例中，在一個LED封裝內包括藍色磷光體轉換晶粒及紫色晶粒係更有效的。灰白色出光就其自身而言具有高得多的流明輸出，伴以亦包括來自紫色晶粒之消毒能量的益處，其貢獻有害微生物失活。將紫色晶粒添加至藍色磷光體轉換之晶粒中比僅使用紫色晶粒有效得多。
在一些實施例中，用於失活微生物之發光裝置包含：至少兩個光發射器，其中：該等至少兩個光發射器中之至少一個第一光發射器經組態以發射第一波長在380奈米(nm)至420nm範圍內且輻射能量為至少20毫瓦(mW)的一第一光；該等至少兩個光發射器中之至少一個第二光發射器經組態以發射第二波長在440nm至495nm範圍內的一第二光；該等至少兩個光發射器中之該至少一個第一光發射器包括第一光轉換材料，其經配置以處於該第一光之一直接路徑且經組態以：使得該第一光之一第一部分能夠未經轉換地穿過其中；且將具有該第一波長之該第一光的一第二部分轉換成具有不同於該第一波長之第三波長的一第三光；該等至少兩個光發射器之該至少一個第二光發射器包括第二光轉換材料，其經配置以處於該第二光之一直接路徑且經組態以：使得該第二光之一第一部分能夠未經轉換地穿過其中；且將具有該第二波長之該第二光的一第二部分轉換成具有不同於該第二 波長之第四波長的一第四光；及該第一光、該第二光、該第三光及該第四光組合以形成白光。
在一些實施例中，用於失活微生物之方法包含：藉由該等至少兩個光發射器中之至少一個第一光發射器發射第一波長在380奈米(nm)至420nm範圍內且輻射能量為至少20毫瓦(mW)的一第一光；藉由該等至少兩個光發射器中之至少一個第二光發射器發射第二波長在440nm至495nm範圍內的一第二光；基於配置於該第一光之一直接路徑中的第一光轉換材料將具有該第一波長之該第一光的一第一部分轉換成具有不同於該第一波長之第三波長的一第三光，其中該第一光之一第二部分未經轉換地穿過該第一光轉換材料；基於配置於該第二光之一直接路徑中的第二光轉換材料將具有該第二波長之該第二光的一第一部分轉換成具有不同於該第二波長之第四波長的一第四光，其中該第二光之第二部分未經轉換地穿過該第二光轉換材料；及基於該第一光、該第二光、該第三光及該第四光形成白光。
已出於說明及描述之目的呈現本發明之各種態樣的前述描述。其並不意欲為窮盡性的或將本發明限於所揭示之精確形式，且顯然，許多修改及變化係可能的。對熟習此項技術者顯而易見之此等變化及修改意欲包括於如由隨附申請專利範圍所界定之本發明的範疇內。
100‧‧‧發光裝置
102a‧‧‧光發射器
102b‧‧‧光發射器
104‧‧‧光轉換材料
106‧‧‧基板

Claims (16)

  1. 一種用於失活微生物之發光裝置，該發光裝置包含：至少兩個光發射器，其中：該等至少兩個光發射器中之至少一個第一光發射器經組態以發射第一波長在380奈米(nm)至420nm範圍內且輻射能量為至少20毫瓦(mW)的一第一光；該等至少兩個光發射器中之至少一個第二光發射器經組態以發射第二波長在440nm至495nm範圍內的一第二光；該等至少兩個光發射器中之該至少一個第一光發射器包括第一光轉換材料，其經配置以處於該第一光之一直接路徑且經組態以：使得該第一光之一第一部分能夠未經轉換地穿過其中；且將具有該第一波長之該第一光的一第二部分轉換成具有不同於該第一波長之第三波長的一第三光；該等至少兩個光發射器之該至少一個第二光發射器包括第二光轉換材料，其經配置以處於該第二光之一直接路徑且經組態以：使得該第二光之一第一部分能夠未經轉換地穿過其中；且將具有該第二波長之該第二光的一第二部分轉換成具有不同於該第二波長之第四波長的一第四光；且其中該第一光轉換材料係沈積於該至少一個第一光發射器上且該第二光轉換材料係沈積於該至少一個第二光發射器上；及該第一光、該第二光、該第三光及該第四光組合以形成白光。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該第一光轉換材料或該第二光轉換材料包含以下中之一或多者：磷光體、光學增亮劑、量子點、磷光材料、螢光團、螢光染料或導電聚合物。
  3. 如請求項1之發光裝置，其中該白光具有在1000克耳文(K)至8000K之範圍內的相關色溫(CCT)值。
  4. 如請求項1之發光裝置，其中該白光具有在55至100之範圍內的顯色指數(CRI)值。
  5. 如請求項1之發光裝置，其中該白光具有在380nm至420nm波長範圍內所量測之大於10%之比例的光譜能量。
  6. 如請求項1之發光裝置，其中該白光具有在380nm至420nm波長範圍內所量測之小於50%之比例的光譜能量。
  7. 如請求項1之發光裝置，其中微生物失活之起始基於由該發光裝置發射之該白光的照明發生。
  8. 如請求項1之發光裝置，其中該等至少兩個光發射器中之一或多者包含一發光二極體(LED)、一有機發光二極體(OLED)、一半導體晶粒或一雷射。
  9. 如請求項1之發光裝置，其中該白光具有在440nm至495nm波長範圍內所量測之不小於6%之比例的光譜能量。
  10. 一種用於失活微生物之方法，該方法包含：藉由該等至少兩個光發射器中之至少一個第一光發射器發射第一波長在380奈米(nm)至420nm範圍內且輻射能量為至少20毫瓦(mW)的一第一光；藉由該等至少兩個光發射器中之至少一個第二光發射器發射第二波長在440nm至495nm範圍內的一第二光；基於配置於該第一光之一直接路徑中的第一光轉換材料將具有該第一波長之該第一光的一第一部分轉換成具有不同於該第一波長之第三波長的一第三光，其中該第一光之一第二部分未經轉換地穿過該第一光轉換材料；基於配置於該第二光之一直接路徑中的第二光轉換材料將具有該第二波長之該第二光的一第一部分轉換成具有不同於該第二波長之第四波長的一第四光，其中該第二光之第二部分未經轉換地穿過該第二光轉換材料；且其中該第一光轉換材料係沈積於該至少一個第一光發射器上且該第二光轉換材料係沈積於該至少一個第二光發射器上；及基於該第一光、該第二光、該第三光及該第四光形成白光。
  11. 如請求項10之方法，其中形成該白光包含形成具有在1000克耳文(K) 至8000K範圍內之相關色溫(CCT)值的該白光。
  12. 如請求項11之方法，其中形成該白光包含形成具有在55至100範圍內之顯色指數(CRI)值的該白光。
  13. 如請求項10之方法，其中形成該白光包含形成具有在440nm至495nm波長範圍內所量測之不小於6%之比例的光譜能量的一白光。
  14. 如請求項10之方法，其中形成該白光包含形成具有在380nm至420nm波長範圍內所量測之大於10%之比例的光譜能量的一白光。
  15. 如請求項10之方法，其中形成該白光包含形成具有在380nm至420nm波長範圍內所量測之小於50%之比例的光譜能量的一白光。
  16. 如請求項10之方法，其進一步包含基於經由該白光之照明初始化微生物之失活。
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