一种石墨烯复合光子二极管光源
技术领域
本发明涉及发光二极管照明领域，特别涉及一种石墨烯复合光子二极管光源。
背景技术
发光二极管是一种特殊的二极管，由通过半导体材料搀杂等工艺形成的P极N极节架构组成。当在不同的电极电压作用下，电流从P极流向N极，不同的载流子空穴和电子相遇而产生复合，使得电子跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量，不同波段的光对应不同的光子及能量。
目前的发光二极管由于体积小、耗电量小、寿命长、环保等优点被广泛应用于多个领域，但是其发光原理决定了单个发光二极管发出的只能是单一波段的光子，而且其光谱仅仅局限于可见光以及近红外范围内。
然而运用在新型生物能源、室内种植、医美护肤、医学理疗等领域的光源往往需求多个不同波段的光子能量的复合作用，并且有些应用更需要运用到远红外波段的光子能量，并且要求能够自主调节发射的不同波段的光子能量占比、以及控制光源发射出的热辐射量。目前争对这些应用，缺乏一种有效的复合光子发光光源。
针对以上问题，本发明旨在结合石墨烯新型碳材料的物理和化学特性，设计了一种石墨烯复合光子发光二极管光源。石墨烯是一种新兴的碳材料，由碳原子以六方晶格排布形成单层二维蜂巢状的平面结构，电子能以高速度在材料中运动，具有优异的力、热、光、电学性能，杨氏模量可达11，000GPa、断裂强度达125GPa、热导率可达5，000W/(m·K);载流子迁移率可达200，000cm2/V·s。其二维平面晶格结构能够让电子自由的流通，实现优异的导电、导热特性。在两级通电的情况下，电子温度能够远远高于石墨烯晶格的声振动模式，并且持续的维持激发状态，高效的释放出波段在5至18微米的红外线光子。
发明内容
本发明提供了一种石墨烯复合光子二极管光源，以至少解决现有技术中发光二极管发出的光子能量波段单一、发光光谱局限问题，并且能够发射出经过有效混合的复合光子能量，并且可自主调节不同波段光子能量的占比，以及释放可控制的热辐射能量，可广泛应用于新型生物能源、室内种植、医美护肤、取暖照明、医学理疗等领域。
本发明通过如下技术方案实现，包括：用于集成封装的绝缘底座、所述绝缘底座内壁为凹面立体结构；柱形负电级，所述柱状负电级位于所述绝缘底座内壁的中心位置，水平面可略微低陷或者高出形成错层；发光二极管芯片，所述发发光二极管芯片安装在所述柱形负电级上，包括一粒或者多粒不同波段的发光二极管晶圆；石墨烯薄膜，所述石墨烯薄膜铺设在所述绝缘底座内壁上；硅胶透镜，所述硅胶透镜安装在绝缘底座上端；硅胶，所述硅胶用于封装所述绝缘底座内的器件，并与硅胶透镜融为一体。
进一步，本发明所述的绝缘底座内壁为以凹面立体结构为设计基础，可以是半球凹面、或者圆锥凹面、或者多平面拼接凹面的立体结构，所述凹面上的点、或者所述多平面的中心点与设定交汇区域的连线分别垂直于相对应的凹面点的切平面、或者平面，从而使得从所述绝缘底座内壁上发出的光以及热辐射在所述设定交汇区域形成汇聚效应。
进一步，本发明所述的发光二极管芯片底部装有散热底片，一端与所述柱形负电级连接，另一端与电阻以及正电极连接。
进一步，本发明所述的石墨烯薄膜铺设在所述绝缘底座内壁上，其结构为三层夹层结构：上层绝缘保护层、中层石墨烯薄膜层、下层绝缘保护层。
进一步，本发明所述绝缘保护层可采取树脂垫，如硅树脂、聚氨树脂，或者硅胶，对所述石墨烯薄膜层起绝缘、定型、保护的作用。
进一步，本发明所述石墨烯薄膜层制备方法相对多样，可采取化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，也可利用包含石墨烯粉末地分散液进行真空抽滤、或者旋转涂覆、或者蒸发等途径，在滤膜或载体上形成石墨烯薄膜，根据需要可额外添加一定量的红外线发射剂。
进一步，本发明所述石墨烯薄膜通过电加热方法激发电子，产生5至18微米红外波段光子及热辐射，并且能够以平面的方式均匀地释放出热辐射。
进一步，本发明所述石墨烯薄膜与所述绝缘底座内壁之间设有隔热反射层，防止石墨烯薄膜产生的光子和热辐射向外部方向发射。
进一步，本发明所述电阻为不同类型的可变电阻，通过对其阻值的控制来改变所述发光二极管芯片、以及所述石墨烯薄膜的电流，从而改变其发射的各个波段光的辐通量，以及控制复合光子中各个波段光子能量的所占比例，从而控制复合光子光源的光谱。
进一步，本发明所述石墨烯薄膜释放的光子及热辐射与所述发光二极管芯片释放的不同波段的光子能够通过所述绝缘底座内壁的凹面立体结构汇聚在所述设定交汇区域，并混合后经过所述硅胶透镜发散出去。
进一步，本发明所述硅胶透镜可塑形成不同形状的透镜，包括：圆球型、圆柱型、椭圆型、葫芦型等，用于聚光或者调节光的发射角度。
本发明的有益效果在于，利用石墨烯薄膜的特性与不同波段发光二极管芯片的组合，从而实现通过单一的元器件发射出经混合的从可见光波段至红外波段的复合光子以及热辐射，并且可以根据需求自主调节不同波段光子能量的占比，从而可以使光源更好的作用于植物、组织细胞、生物体、人体部位、等，可广泛应用于新型生物能源、室内种植、医美护肤、取暖照明、医学理疗等领域。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例一的结构剖面图；
图2是本发明实施例一的结构俯视图；
图3是本发明实施例一的石墨烯薄膜的结构剖面图；
图4是本发明实施例二的结构剖面图；
图5是本发明实施例二的结构俯视图；
图6是本发明实施例二的可见光区域光谱图。
附图标记说明：
10、绝缘底座；11、柱形负电级；12、发光二极管芯片；13、散热底片；14、石墨烯薄膜；15、硅胶透镜；16、硅胶；17、设定交汇区域；30、下层绝缘保护层；31、上层绝缘保护层；32、中层石墨烯薄膜层；40、绝缘底座；41、柱形负电级；42、发光二极管芯片；43、散热底片；44、石墨烯薄膜；45、硅胶透镜；46、硅胶；47、设定交汇区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一：
如图1至2所示，本发明的一种石墨烯复合光子二极管光源的实施例一结构图，包括：绝缘底座10用于集成封装整个器件、柱形负电级11、发光二极管芯片12、散热底座13、石墨烯薄膜14、硅胶透镜15、以及用于封装的硅胶16;
所述绝缘底座10内壁为半球凹面为设计基础的结构，所述凹面上的点与所述设定交汇区域17的连线分别垂直于相对应的凹面点的切平面，从而使得在所述绝缘底座10内壁上的物体发出的光以及热辐射在所述设定交汇区域17形成汇聚效应;
所述柱形负电级11位于所述绝缘底座10的中心位置，水平面略微高出，形成错层结构；
所述发光二极管芯片12包括一粒或者多粒不同波段的发光二极管晶圆，底部装有所述散热底片13，安装在所述负电级11上，一端与所述负电级11连接，另一端与电阻以及正电极连接；
所述石墨烯薄膜14铺设在所述绝缘底座10内壁上、并且与内壁之间设有隔热反射层，一端与所述负电级11连接，另一端与电阻以及正电极连接；
所述电阻为不同类型的可变电阻，通过对其阻值的调试来改变所述发光二极管芯片12、以及所述石墨烯薄膜14的电流，从而改变其发射的各个波段光的辐通量，以及控制复合光子中各个波段光子能量的所占比例，从而控制复合光子光源的光谱；
所述硅胶透镜15安装于所述绝缘底座10上端，可塑形成不同形状的透镜，包括：圆球型、圆柱型、椭圆型、葫芦型等，用于聚光或者调节光的发射角度；
所述绝缘底座10内用所述硅胶16注塑，封装及固定所述发光二极管芯片12、以及所述石墨烯薄膜14，并与所述硅胶透镜15融为一体。
如图3所示，本发明的一种石墨烯复合光子二极管光源的实施例一的石墨烯薄膜的结构剖面图，包括：下层绝缘保护层30、上层绝缘保护层31、中层石墨烯薄膜层32；
所述下层绝缘保护层30、以及所述上层绝缘保护层31可采取树脂垫，如硅树脂、聚氨树脂，或者硅胶，对所述石墨烯薄膜层起绝缘、定型、保护的作用；
所述中层石墨烯薄膜层32可采取化学气相沉积法制备石墨烯薄膜，也可利用包含石墨烯粉末地分散液进行真空抽滤、或者旋转涂覆、或者蒸发等途径，在滤膜或载体上形成石墨烯薄膜，并且根据需要可额外添加一定量的红外线发射剂。
实施例二：
如图4至5所示，本发明的一种石墨烯复合光子二极管光源的实施例二的结构图，包括：绝缘底座40用于集成封装整个发光二极管器件、柱形负电级41、发光二极管芯片42、散热底座43、石墨烯薄膜44、硅胶透镜45、以及用于封装的硅胶46；
所述绝缘底座40内壁为多平面拼接凹面的立体结构，所述多平面的中心点与所述设定交汇区域47的连线分别垂直于相对应的平面，从而使得从所述绝缘底座40内壁上物体发出的光以及热辐射在所述设定交汇区域47形成汇聚效应;
所述柱形负电级41位于所述绝缘底座40的中心位置，水平面略微高出，形成错层结构；
所述发光二极管芯片42，包括一粒或者多粒不同波段的发光二极管晶圆，底部装有所述散热底片43，安装在所述负电级41上，一端与所述负电级41连接，另一端与电阻以及正电极连接；
所述石墨烯薄膜44铺设在所述绝缘底座40内壁上、并且之间设有隔热反射层，一端与所述负电级41连接，另一端与电阻以及正电极连接；
所述硅胶透镜45安装于所述绝缘底座40上端，可塑形成不同形状的透镜，包括：圆球型、圆柱型、椭圆型、葫芦型等，用于聚光或者调节光的发射角度；
所述绝缘底座40内用所述硅胶46注塑，封装及固定所述发光二极管芯片42、以及所述石墨烯薄膜44，并与所述硅胶透镜45融为一体。
优选的，所述发光二极管芯片42为5个正装切片晶圆，能够发出不同波段的光子，包括420nm蓝光、660nm红光、810nm红外光、1050nm近红外波段、1550nm中红外波段。
进一步，连接好线路并接通电源后，所述发光二极管芯片42发射出5种不同波段的光子，并与石墨烯薄膜44发射出的红外波线波段光子和热辐射汇聚在设定交汇区域47，并且混合后经过硅胶透镜45发散出去。
进一步，分别调节各个所述电阻阻值，进而改变所述发光二极管芯片42和所述石墨烯薄膜44的电流，进而改变复合光子中各个能量的占比，进而可以得到适合需求的光源。
如图6所示，本发明的一种石墨烯复合光子二极管光源的实施例二的部分波段的光谱图，测试使用AQ6373光谱分析仪，光谱测试范围为350nm至1200nm, 测试主峰波长值分别为：辐通量为96%的430nm、辐通量为100%的660nm、辐通量为72%的815nm、辐通量为72%的1050nm。
本实施例可以很好的提供医美领域的光子嫩肤光源，蓝光、红光、以及红外线波段的复合光子能够不同程度的穿透皮肤细胞，作用于各个皮肤组织细胞，减轻炎症，加速修复，促进循环代谢，加速血液循环，达到健康理疗效果。
最后，在本发明的描述中，需要说明的是，所述述语"中心" 、"上面" 、"下面" 、"柱形" 、"半球面"、"内"、"外" 等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位和位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特点的形状、结构、和操作，因此不能将此理解为对本发明的限制。此外，术语 "平面" 可以是正方形的平面， 也可以是长方形的平面，也可以是其他形状的平面，依据所选芯片的形状而定。除非另有明确的规定和说明，术语" 安装" 、" 封装" 、" 连接" 、" 铺设" 、" 加工" 、"制成" 应做广义的理解。例如，连接可以是机械连接也可以是电连接；可以是直接连接也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件的内部连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。另外，在本发明专利的描述中，除非另有说明，" 多个" 的含义是两个或两个以上。
注意，以上各发明的实施例及所运用技术原理，本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
