專利名稱：一種使用pmma濾光片的led光源的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于LED照明技術領域。具體涉及光過濾技術。
背景技術：
隨著超高亮LED的出現(xiàn)，其效率越來越高，且價格逐漸下降。同時LED具有壽命長、 耐震動、發(fā)光效率高、無干擾、不怕低溫、無汞污染問題和性價比高等特點，是被半導體行業(yè) 看好的替代傳統(tǒng)照明器具的一大潛力商品。超高亮度LED大大擴展了 LED在各種信號顯示 和照明光源領域中的應用，如汽車內外燈、各種交通信號燈，室內外信息顯示屏和背光源。 將LED產(chǎn)品用于照明，將為LED提供更廣闊的應用空間。 隨著LED光源的應用范圍越來越廣泛，LED光源的光輻射危害問題必須加以重視。
光輻射危害主要是指不同波段的光對人體的過度照射導致的危害，主要是對人眼 和皮膚，如皮膚和眼睛的光化學危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍光光化學危害、視網(wǎng)膜 無晶狀體光化學危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等，而兩者之中更容易受到傷害的是眼 睛。近年來，隨著大功率LED的日益增加，LED的亮度越來越高，輻射危害性也越來越強。
在光輻射的波段范圍中，紫色、近紫外、紫外的短波長和近紅外、紅外的長波長波 段更易引起生物危害。 光輻射對眼睛的危害如下1)當人體受到一定時間的紫外輻射照射，會引起光致 角膜炎和光致結膜炎；2)長期的紫外光照射會引發(fā)白內障；3)強烈的光輻射照射能導致視 網(wǎng)膜灼傷，造成這種危害的效果最明顯的波段是435 440nm;4)伴隨著視網(wǎng)膜熱危害，光 輻射能對視網(wǎng)膜造成光化學危害，甚至能夠引發(fā)視網(wǎng)膜炎，波長440nm的光危害最大；5)長 期受到紅外輻射影響會引發(fā)白內障，危害最大的波段是780 1400nm。
而對于皮膚，光輻射所造成的傷害有1)耐久曬黑，導致皮膚發(fā)紅和發(fā)痛的最顯 著的波段是320nm以下的紫外輻射；2)皮膚老化，長期的光輻射能加速皮膚老化，呈現(xiàn)干 燥、粗糙、皮革狀和皺紋累累的外觀；3)皮膚癌，長期接受紫外輻射導致的最嚴重結果是引 發(fā)皮膚癌。 目前國際國內在光輻射安全的測試評價方面已經(jīng)制定了多個相應的標準。但是 LED是區(qū)別與傳統(tǒng)非相干光源和激光等相干光源的新型光源，對于LED的光輻射危害的測 試與評價方法的研究目前還處于起步階段。 由于LED在照明領域的不斷發(fā)展，CIE(國際照明委員會)在最新版的CIE S 009/ E :2002標準中對LED的安全性做出了規(guī)定。對LED造成皮膚和眼睛的光化學危害、眼睛的 近紫外危害、視網(wǎng)膜藍光光化學危害、視網(wǎng)膜無晶狀體光化學危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱 危害等危害的曝輻限值做出了規(guī)定。CIE S 009/E :2002標準出臺之后，IEC于2002年全部 引用，并與2006年據(jù)此出版新標準IEC-62471，于2007年發(fā)布IEC 60825-2007，其重要性 可見一斑。 國內，針對于普通非相干、寬波段的燈與燈系統(tǒng)的國家標準"燈與燈系統(tǒng)的光生物 安全性"已于2006年正式實施(GB/T 20145-2006)，該標準對各種燈具的光生物安全性給予指導。 由此，LED照明技術領域中的光過濾技術工藝和材料成為一項重要的的學科。
有關LED光源的專利文獻很多，但是未有對紫色、近紫外、紫外和近紅外、紅外波 段過濾的專利，也未有關于截止紫外線/紅外線雙重功能的由PMMA (聚甲基丙烯酸甲酯，亞 克力)成型的透明基材鍍膜工藝的專利。
發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光源。
如圖1所示，本發(fā)明使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光 源，包括具有至少一個LED芯片11的LED器件1，以及安裝在LED器件上用于過濾LED芯 片發(fā)出的光線的濾光片2，其中LED芯片發(fā)出的光經(jīng)濾光片發(fā)射到外部；濾光片可以在封裝 LED器件1時就加入，也可以在對LED器件進行二次封裝時安裝，又或者多個LED器件共同 使用一個濾光片。 LED器件可以為單色或多色，單色是在LED器件中封裝某一種發(fā)射波長的LED芯 片，使其發(fā)出一種顏色的光，一個LED器件內至少有一個LED芯片；多色則是將多種不同發(fā) 射波長的LED芯片共同封裝在一個LED器件中，如紅、藍、綠三色芯片共同封裝或其它顏色 芯片組合的共同封裝。 PMMA濾光片是具有截止紫外線和紅外線雙功能的由PMMA成型的透明基材鍍膜形 成，能夠吸收波長小于445nm的短波長范圍和波長大于700nm的長波長范圍內的光。
本發(fā)明還提供一種具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片及其制備方 法。 具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片由PMMA成型的透明基材鍍膜，包 括PMMA透明基材成型的任意曲面的透鏡，或者任意薄膜片，或者任意立體幾何形狀；其特 征是由PMMA成型的透明基材(以下簡稱PMMA透明基材)表面鍍有紫外線截止膜層和紅 外線截止膜層，紫外線截止膜層位于PMMA透明基材表面最外層或者紅外線截止膜層位于 PMMA透明基材的最外層。 所述的紫外線截止膜層為氧化鈦-氧化鈰膜層，氧化鈦和氧化鈰的質量比例為 10 90% : 10 90%。所述的紫外線截止膜層厚度為10 500納米；其濾波波長范圍 設定為445nm以下。 所述的紅外線截止膜層由兩種高、低折射率材料薄膜相互間隔堆疊而成；該高折 射率材料薄膜由五氧化二鉭形成；該低折射率材料薄膜由二氧化硅形成。所述的紅外線截 止膜層厚度為10 500納米；其濾波波長范圍設定為大于700nm。 其中PMMA透明基材由注塑成型。PMMA成型的透明基材具有光學透過率高(92%)、 吸水率低、抗沖擊、耐磨、密度小，是應用廣泛的光學塑料。比較適合用于LED光源的濾光 片。 其中紫外線截止膜層和紅外線截止膜層均可以不止一層，可根據(jù)需要依一定次序 鍍若干層紫外線截止膜層和紅外線截止膜層。 如上所述的具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片的制備方法，其特征 在于，包括如下步驟
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1)首先對待鍍膜PMMA透明基材進行清洗、干燥后，進行預真空過渡；最后在真空 設備中進行離子反濺射清洗，讓加速離子轟擊基片表面，去除雜質，得到清潔的PMMA透明 基材； 2)然后采用磁控濺射鍍制方法鍍制膜層
(1).配制截止紫外線和截止紅外線的靶材 截止紫外線耙材由氧化鈦(Ti02)和氧化鈰(Ce02)組成，氧化鈦和氧化鈰各組份 所占質量百分比為氧化鈦10 90%，氧化鈰10 90% ;混合均勻并燒結成靶材。
截止紅外線靶材低折射率薄膜靶材為高純度的硅；高折射率薄膜由五氧化二鉭 組成；靶材為高純度的1^205。 (2).磁控濺射鍍膜在純氬氣或在氧氬混合氣體氛圍中對PMMA透明基材進行磁 控濺射鍍膜，濺射氣壓范圍為0. lOPa 3. OPa，濺射時氬氧混合氣體中氧氣所占質量百分 比為0至90% ;采用下述三種方式之一進行鍍膜 (a)先由氧化鈦-氧化鈰靶材對PMMA透明基材進行磁控濺射鍍內層膜，在此基礎
上，再由硅靶材和五氧化二鉭靶材進行磁控濺射鍍外層膜得到濾光片； (b)先由硅靶材和五氧化二鉭靶材對PMMA透明基材進行磁控濺射鍍內層膜，在此
基礎上，再由氧化鈦_氧化鈰靶材進行磁控濺射鍍外層膜得到濾光片， (c)依一定次序在PMMA透明基材上鍍若干層紫外線截止膜層和紅外線截止膜層，
得到濾光片。 所述的步驟2)中的PMMA透明基材鍍膜時采用在線加熱，熱處理溫度為20 160°C。 所述的步驟2)中得到的具有截止紫外線和紅外線雙功能的由PMMA成型的透明基 材鍍膜濾光片采用離線熱處理，熱處理溫度為20 16(TC，熱處理時間為10 240分鐘。
本發(fā)明使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光源，可以制造任 何形狀的照明燈具，并且符合IEC 60825-2007和IEC62471-2006，以及光輻射安全國家標 準GB/T 20145-2006 "燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性"。本發(fā)明用磁控濺射法在PMMA透明基 材上鍍有紫外線截止膜層和紅外線截止膜層，紫外線截止膜層除鈰離子吸收紫外線外，Ti 離子在波長為380nm左右也有強烈吸收，Ti和Ce離子復合，能完全截止紫外線，紫外線截 止率高，不影響可見光透過率；其制備方法簡單。所形成的濾光片適用于LED光源或其他光 源上，使光源產(chǎn)品符合IEC 60825-2007和IEC 62471-2006，以及光輻射安全國家標準GB/ T 20145-2006 "燈與燈系統(tǒng)的光生物安全性"。由于本發(fā)明的LED光源已經(jīng)過濾了生物危 害性較高的波段內的光輻射，因此，當該LED光源使用時，就不需要另外附加過濾裝置來降 低光輻射危害。
圖1是本發(fā)明使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光源的結 構剖面示意圖； 圖2是本發(fā)明另一實施例的LED光源的剖面示意圖； 圖3是本發(fā)明又一實施例多個LED器件共同使用一個濾光片形成的LED光源的 示意 圖4是本發(fā)明又一實施例一種燈具的示意圖； 圖5是透過本發(fā)明具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片的入射光波 長-入射光透射百分比的曲線圖； 圖6是適用了本發(fā)明LED光源作為液晶電視背光源的示意圖。
具體實施方式
實施例一 請參閱圖l，一個LED器件l，其中封裝了一個LED芯片11， 一個PMMA濾光片2位 于LED芯片11上方，并固定。 工作時，LED芯片11發(fā)出的光必須通過濾光片2后才能發(fā)射到外部，由濾光片2對 LED芯片發(fā)出的波長小于445nm和大于700nm范圍內的光過濾。 LED芯片11可以選擇任何所需要的發(fā)射波長，舉例如主波長為530nm的綠光，或
主波長為620nm的紅光；再如主波長為460nm的藍光，并在灌封的膠內混合一定比例的YAG
粉，通過LED芯片發(fā)出的藍光激發(fā)YAG粉，最后獲得色溫為8000K或其他所需色溫的白光。 具有截止紫外線和紅外線雙功能的濾光片的制備，包括如下步驟 1)首先對待鍍膜PMMA透明基材進行清洗、干燥后，進行預真空過渡；最后在真空
設備中進行離子反濺射清洗，讓加速離子轟擊基片表面，去除雜質，得到清潔的PMMA透明
基材； 2)然后采用磁控濺射鍍制方法鍍制膜層
(1).配制截止紫外線和截止紅外線的靶材 截止紫外線的靶材(a)按質量比為9 : 1的比例稱取化學純的1102(純度為 99. 9% )和分析純的Ce02(純度為99. 9% )粉末共lOOg ;然后將粉體混合物放入行星式球 磨機中，以乙醇為介質，210r/min濕磨24h混合均勻；(b)研磨并過篩；(c)稱取70g粉體放 入自制的石墨模具(①60mm)中，利用多功能真空熱壓燒結爐，以5t:/min自動升溫，當溫 度達200°C時通入保護氣體高純N2 (純度99. 995% )，溫度為1050°C時，加壓，熱壓壓力為 15Mpa，并保溫2h，之后隨爐冷卻至室溫，即可得到①60mmX6mm的高致密度Ce02/Ti02復合 靶材。 截止紅外線的靶材低折射率薄膜的靶材為純度99. 99%的直徑4英寸的硅靶；高 折射率薄膜靶材為純度99. 99%的直徑4英寸Ta205靶。 [OO52] (2).磁控濺射鍍膜 采用超高真空型立式三靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，配備有轉動系統(tǒng)，可以使沉積的薄 膜厚度均勻，可靠性較高。磁控濺射儀濺射沉積CeO/Ti02復合薄膜，工藝參數(shù)為濺射氣 體95%氬和5%氧混合氣體(純度^ 99. 9% );濺射氣體流量60cmVs ;濺射氣壓1. OPa ; 背底真空度6. OX 10—5Pa ;濺射功率60W，90W， 120W和150W ;濺射時間3h ;耙材與PMMA透 明基材的間距為65mm。紫外線截止膜層厚度為210納米。 采用立式三靶磁控濺射鍍膜系統(tǒng)，采用Ta205耙，室溫條件下通入氬氣為濺射氣 體，氧氣為反應氣體，氬氣與氧氣的氣體流量比例為16 : 4，功率100W，濺射氣壓為0.2 1. OPa。采用反應射頻濺射法制備Si02膜，耙材為純度99. 99%的硅靶，襯底為PMMA透明 基材。樣品架與濺射靶面成45。角，間距連續(xù)可調；為了保證膜層的均勻性，樣品架無級
7變速旋轉；工作氣體為純度為99. 99%的氬氣和氧氣。濺射氣壓為0. 7Pa，濺射溫度不高于 25(TC，濺射功率為110w左右。紅外線截止膜層厚度為180納米。 濺射結束后對涂層進行熱處理，采用普通箱式電阻爐，以5 8°C /min升溫至 160°C ;保溫4h后隨爐冷卻至室溫。 本實施例中，PMMA透明基材為圓形平板狀薄片。
實施例二 與實施例一基本相同，不同的是濾光片的制備，先由硅靶材和五氧化二鉭靶材對 PMMA透明基材進行磁控濺射鍍內層膜，在此基礎上，再由氧化鈦_氧化鈰耙材進行磁控濺 射鍍外層膜得到產(chǎn)品。
實施例三 與實施例一基本相同，不同的是濾光片由PMMA透明基材成型為圓形透鏡曲面，如 圖2所示；又或是成型為方形透鏡曲面，再進行清洗和鍍膜。
實施例四 與實施例一基本相同，不同的是在PMMA透明基材上先鍍紫外線截止膜層，再鍍紅 外線截止膜層，然后再鍍紫外線截止膜層，這樣形成三層鍍膜的濾光片；或根據(jù)需要，依一 定次序鍍若干層紫外線截止膜層和紅外線截止膜層，形成濾光片。
實施例五 與實施例一基本相同，不同的是一個LED器件中，封裝了多個同波長或不同波長 的LED芯片，舉例如兩個藍色芯片共同封裝，又如紅、藍、綠三色LED芯片共同封裝。工作 時，同波長或不同波長的LED芯片發(fā)出的光必須通過濾光片后才能發(fā)射到外部，由濾光片 對LED芯片發(fā)出的波長小于445nm和大于700nm范圍內的光過濾。
實施例六 如圖3所示，多個LED器件1組合在一起，安裝在PCB3上。在所有LED器件的出 光方向，安裝了一個具有截止紫外線和紅外線雙功能的濾光片2。 由多個LED器件共同使用一個濾光片，還包括其他必須元件如PCB、外殼、電子元 件等，構成一個LED光源；整個LED光源的結構根據(jù)需要而定。此LED光源工作時，所有LED 器件中的LED芯片發(fā)出的光必須通過濾光片后才能發(fā)射到外部，由濾光片對LED芯片發(fā)出 的波長小于445nm和大于700nm范圍內的光過濾。 其中LED器件1可以為單色或多色，為單色時，在LED器件中封裝至少一個某一種 發(fā)射波長的LED芯片，舉例如主波長為530nm的綠光，或主波長為620nm的紅光；再如主波 長為460nm的藍光，并在灌封的膠內混合一定比例的YAG粉，通過LED芯片發(fā)出的藍光激發(fā) YAG粉，最后獲得色溫為8000K或其他所需色溫的白光。為多色時，將多種不同發(fā)射波長的 LED芯片共同封裝在一個LED器件中，舉例如紅、藍、綠三色芯片共同封裝或其它顏色芯片 組合的共同封裝。
實施例七 如圖4所示，是一種燈具的例子，同樣是由多個LED器件共同使用一個濾光片。多 個LED器件1按照一定規(guī)律組合在一起，外部安裝了一個立體球形罩子2，這個罩子是具有 截止紫外線和紅外線雙功能的濾光片。此LED光源工作時，所有LED器件中的LED芯片發(fā) 出的光必須通過濾光片后才能發(fā)射到外部，由濾光片對LED芯片發(fā)出的波長小于445nm和大于700nm范圍內的光過濾。
實施例八 圖6是適用了本發(fā)明實施例一 實施例五的LED光源作為液晶電視背光源系統(tǒng)的示意圖。 多個使用濾光片的LED光源4安裝在PCB5上，LED光源均勻排列。 LED光源采用貼片安裝(SMT)的形式，PCB上已制作好相應的電路，使LED光源可
以正常工作。 在LED光源的出光方向，依次排列著擴散板6和一系列光學膜7。
工作時，LED光源所發(fā)出的光都進入擴散板，經(jīng)過充分反射混合，再通過光學膜，其作用是對光線的方向進行整理。最后光線照射到液晶面板的后表面，形成背光照明。
作為背光源，本實施例可以用于各種液晶顯示設備，尤其是有輻射安全性或夜視兼容性要求的顯示設備。例如液晶電視、監(jiān)控器、顯示器，適用于工業(yè)、民用、軍用等領域。
以上只是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進行了描述，本領域的技術人員在本發(fā)明技術的方案范圍內，進行的通常變化和替換，都應包含在本發(fā)明的保護范圍內。
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權利要求
一種使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光源，其特征在于包括具有至少一個LED芯片的LED器件，以及安裝在LED器件上用于過濾LED芯片發(fā)出的光線的濾光片，其中LED芯片發(fā)出的光經(jīng)濾光片發(fā)射到外部。
2. 根據(jù)權利要求1所述的LED光源，其特征在于所述濾光片在封裝LED器件時就加入， 或者在對LED器件進行二次封裝時安裝，又或者多個LED器件共同使用一個濾光片。
3. 根據(jù)權利要求1所述的LED光源，其特征在于LED器件為單色或多色，單色是在LED 器件中封裝某一種發(fā)射波長的LED芯片， 一個LED器件內至少有一個LED芯片；多色是將多 種不同發(fā)射波長的LED芯片共同封裝在一個LED器件中。
4. 根據(jù)權利要求1所述的LED光源，其特征在于所述PMMA濾光片是具有截止紫外線和 紅外線雙功能的由PMMA成型的透明基材鍍膜形成，能夠吸收波長小于445nm的短波長范圍 和波長大于700nm的長波長范圍內的光。
5. 根據(jù)權利要求4所述的具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片，由PMMA成 型的透明基材鍍膜，包括PMMA成型的任意曲面的透鏡，或者任意薄膜片，或者任意立體幾 何形狀；其特征是由PMMA成型的透明基材表面鍍有紫外線截止膜層和紅外線截止膜層， 紫外線截止膜層位于PMMA透明基材表面最外層或者紅外線截止膜層位于PMMA透明基材的 最外層。
6. 根據(jù)權利要求5所述的濾光片，其特征是所述的紫外線截止膜層為氧化鈦_氧化鈰 膜層，氧化鈦和氧化鈰的質量比例為10 90% : 10 90%。
7. 根據(jù)權利要求5所述的濾光片，其特征是所述的紫外線截止膜層厚度為10 500納 米；其濾波波長范圍設定為445nm以下。
8. 根據(jù)權利要求5所述的濾光片，其特征是所述的紅外線截止膜層由兩種高、低折射 率材料薄膜相互間隔堆疊而成；該高折射率材料薄膜由五氧化二鉭形成；該低折射率材料 薄膜由二氧化硅形成。
9. 根據(jù)權利要求5所述的濾光片，其特征是所述的紅外線截止膜層厚度為10 500納 米；其濾波波長范圍設定為大于700nm。
10. 根據(jù)權利要求5所述的濾光片，其特征是根據(jù)需要依一定次序鍍若干層紫外線截 止膜層和紅外線截止膜層。
11. 一種具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片的制備方法，其特征是包括如 下步驟1) 首先對待鍍膜PMMA透明基材進行清洗、干燥后，進行預真空過渡；最后在真空設備 中進行離子反濺射清洗，讓加速離子轟擊基片表面，去除雜質，得到清潔的PMMA透明基材；2) 然后采用磁控濺射鍍制方法鍍制膜層(1) .配制截止紫外線和截止紅外線的靶材截止紫外線靶材由氧化鈦(Ti02)和氧化鈰(Ce02)組成，氧化鈦和氧化鈰各組份所占質量百分比為氧化鈦10 90%，氧化鈰10 90% ;混合均勻并燒結成靶材。截止紅外線靶材低折射率薄膜靶材為高純度的硅；高折射率薄膜由五氧化二鉭組 成；靶材為高純度的Ta205。(2) .磁控濺射鍍膜在純氬氣或在氧氬混合氣體氛圍中對PMMA透明基材進行磁控濺 射鍍膜，濺射氣壓范圍為0. 10Pa 3. OPa，濺射時氬氧混合氣體中氧氣所占質量百分比為0至90% ;采用下述三種方式之一進行鍍膜(a) 先由氧化鈦-氧化鈰靶材對PMMA透明基材進行磁控濺射鍍內層膜，在此基礎上，再 由硅靶材和五氧化二鉭靶材進行磁控濺射鍍外層膜得到濾光片；(b) 先由硅靶材和五氧化二鉭靶材對PMMA透明基材進行磁控濺射鍍內層膜，在此基礎 上，再由氧化鈦_氧化鈰靶材進行磁控濺射鍍外層膜得到濾光片；(c) 依一定次序在PMMA透明基材上鍍若干層紫外線截止膜層和紅外線截止膜層，得到 濾光片。
12. 根據(jù)權利要求11所述的濾光片的制備方法，其特征是所述的步驟2)中的PMMA透 明基材鍍膜時采用在線加熱，熱處理溫度為20 160°C。
13. 根據(jù)權利要求l所述的LED光源，其特征在于可以制造任何形狀的照明燈具，并且 符合IEC 60825-2007和IEC 62471-2006，以及光輻射安全國家標準GB/T 20145_2006"燈 與燈系統(tǒng)的光生物安全性"。
全文摘要
本發(fā)明提供一種使用具有截止紫外線和紅外線雙功能PMMA濾光片的LED光源，包括具有至少一個LED芯片的LED器件，以及安裝在LED器件上用于過濾LED芯片發(fā)出的光線的濾光片，其中LED芯片發(fā)出的光經(jīng)濾光片發(fā)射到外部；濾光片可以在封裝LED器件時就加入，也可以在對LED器件進行二次封裝時安裝，又或者多個LED器件共同使用一個濾光片。濾光片是具有截止紫外線和紅外線雙功能的由PMMA成型的透明基材，表面鍍有紫外線截止膜層和紅外線截止膜層；能夠吸收波長小于445nm的短波長范圍和波長大于700nm的長波長范圍內的光。本發(fā)明還提供一種具有截止紫外線和紅外線雙功能的PMMA濾光片及其制備方法。
文檔編號F21Y101/02GK101706085SQ200910107100
公開日2010年5月12日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權日2009年5月13日
發(fā)明者李欣洋 申請人:李欣洋