CN101154699A - 发光装置及具有其的面光源装置和平面显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光装置，其至少包括发光元件结构；导线结构；以及占有体积的空间体。发光元件结构置放于该占有体积的空间体内，与导线结构电性耦接，且经适当电压驱动可发出第一频率范围的光。发光元件结构的出光表面覆盖有针对第一频率范围的光的第一抗反射层。封装材料填入占有体积的空间体。封装材料至少含有发光物质，会被第一频率范围的光的激发至少产生第二频率范围的光。在发光装置的出光表面置放全方位反射层，可全方位全部或大部分反射第一频率范围的光回占有体积的空间体，而被激发的第二频率范围光可通过全方位反射层。

Description

发光装置及具有其的面光源装置和平面显示装置

技术领域

本发明是有关于一种发光装置，且特别是有关于一种可提高取光效率的发光装置，例如绿光发光装置。

背景技术

固态有机和无机发光元件目前有广泛的应用，譬如是产生光源的普通元件。然而发光元件的取光效率是决定其品质的重要参数之1。就以一般的无机固态光源为例，以GaN为基础的发光二极管(GaN based LED)，例如有A1GaInN或是InGaN等的发光材料。至于固态无机发光二极管的发光波长范围一般是在400nm到600nm之间。但是在光波长范围在525nm到575nm的绿光范围的其发光效率会急剧降低。因此，传统无荧光粉的无机绿光LED的发光效率很低。

为了提高绿光LED的发光效率，传统的方式是利用紫外光无机LED或是蓝光无机LED发出较高频率范围的光，接着再激发高效率绿光荧光粉，以产生绿光。以绿光无机LED为例，图1绘示了传统使用绿荧光粉的绿光无机LED装置的剖面结构示意图。参阅图1，结构体100有导线结构、发光二极管元件105以及占有体积的空间体。导线结构例如包括阴极导线102与阳极导线104。发光二极管元件105置放在结构体100的占有体积的空间体内，与阴极导线102与阳极导线104电性耦接。通过适当电压的驱动，例如发光二极管元件105可发出紫外光或是蓝光。传统的无机发光二极管元件105的结构一般包括至少有n型半导体层106、p型半导体层108、以及介入在其间的发光活性层。p型半导体层108通过电极层110与接线(wire)112连接于阳极导线104。当施加操作电压给发光二极管元件105，就从各方向，例如箭头所示，例如可发出紫外光或蓝光。另外，封装层114，例如树脂(Epoxy)，填入结构体100的占有体积的空间体。并且绿光荧光粉116分布在封装体114内。

由发光二极管105元件发出的紫外光或蓝光会激发绿光荧光粉116以产生绿光。而一次激发绿光荧光粉过程，一般转换成绿光比例不会为100％，传统或改良的发光装置缺点是没有充分提升其未被用完的紫外光再激发荧光粉的使用率、及没有减少或消除紫外光或蓝光因全反射或菲涅耳(Fresnel)反射光被吸收的损失，因此绿光的取出率偏低的问题更加严重。另外为使产生的绿光能集中于一方向范围射出，在占有体积的空间体的周边也可设置有反射层118。

如图1所示的传统发光装置可以较有效率取出绿光，然而其取光效率仍有待进一步提升。其它传统技术也提出不同的设计，制造业者仍持续研发提升取光效率的技术。

发明内容

本发明提供一种发光装置设计，可以有效提升发光装置的取光效率，且该发光装置，不仅限于发出绿光的情形，其他波长亦可适用。

本发明提出一种发光装置，至少包括发光元件结构体，导线结构以及占有体积的空间体。该发光元件结构置放于该占有体积的空间体内，与该导线结构电性耦接，且经适当偏压加于该导线驱动可发出第一频率范围的光。在该发光元件结构的出光表面覆盖有针对该第一频率范围光的第一抗反射层。封装体填入该占有体积的空间体。而发光物质(luminescent material)分布于该封装体内，且该发光物质被该第一频率范围的光激发产生至少一第二频率范围的光，进而得到射出的混合光(至少包括第一及第二波长)或单色光(第二波长)。

依照本发明一实施例所述的发光装置，例如该第一频率范围的光是紫外光或是蓝光，而该混合光是可见光。

依照本发明的一实施例所述发光装置，例如第一抗反射层是折射率渐减的镀膜或其密度随深度渐增或渐减介质膜。

依照本发明的一实施例所述发光装置，例如包括全方位反射层位于该占有体积的空间体的出光面上。全方位反射层将较高频率的该第一频率范围的光实质上全方位地完全反射或大部分反射，但是允许较低频率的该混合光射出。

依照本发明的一实施例所述发光装置，例如包括针对该混合光的第二抗反射层，放置于该全方位反射层上，以减少该混合光在出光界面上被内全反射。

依照本发明的一实施例所述发光装置，其中该占有体积的空间体内封装体的该发光物质是荧光粉、量子点或发光有机材料。

本发明提供一种面光源装置，包括至少一导光板；以及多个如所述的发光装置，其中该些发光装置位于该导光板的周边，在该导光板的表面是反射面，因此光会从导光板的另一主要表面，发出光。

本发明又提供一种平面显示装置，包括：至少一个如上所述的发光装置，而该些发光装置形成空间阵列排列，并有驱动电路会根据输入的信号，来驱动该平面显示装置的发光装置发出可见光分布在该平面显示装置的出光面上。

本发明实施例，因为利用覆盖于发光元件结构出光表面的针对第一频率光的第一抗反射层，可以使发光元件结构所发出第一频率的光，减少或消除第一频率入射光在与封装体界面，当光入射角大于某一临界角度，会完全全反射或发生一般Fresnel反射的情形。另外、从占有体积的空间封装体到空气之间的界面，另外设置至少对第二频率光的第二抗反射层，如此所产生的混合光也可顺利出射，以渐少或消除反射情形的发生。

为让上述的本发明和其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。

附图说明

图1绘示传统使用绿光荧光粉的绿光发光装置的剖面结构示意图。

图2绘示依据本发明实施例，发光装置的结构剖面示意图。

图3绘示折射率从封装层通过抗反射层到发光二极管元件结构的物质的分布。

图4绘示依据本发明一实施例，使用斜角沉积方式制作抗反射层120的示意图。

图5绘示依据本发明实施例，另一发光装置的剖面结构示意图。

图6绘示依据本发明实施例，利用发光装置所组成的面光源装置结构示意图。

图7绘示依据本发明实施例，利用发光装置所组成的平面显示装置结构示意图。

【主要元件符号说明】

100：结构体                102、104：导线

105：发光二极管元件结构    106、108：半导体层

110：电极层                112：接线

114、122：封装体           116：荧光粉

118：反射层                120：抗反射层

124：发光物质              126、128：全方位反射层

130：抗反射层              132、134、136：折射率

500：基底                  502：沉积物。

504、506、510：物质沉积的方向角度

508、512：空洞             600：发光装置

602：导光板                700、702：驱动电路

704：空间阵列排列          706：驱动发光装置

具体实施方式

本发明针对例如图1的传统发光二极管结构做进一步的探讨(investigation)后，发现其仍有一些缺点。由于如GaN的半导体层106、108，其折射率一般约n＝2.4，而封装层114的折射率一般约n＝1.5。由于光学的特性，由发光二极管元件105发出的光，例如紫外光或是蓝光，会在界面上产生内全反射(internal total reflection)现象。如此，由发光二极管元件105发出的一部分光会再被反射回到发光二极管元件105 而无法有效利用，且也可能由于被发光二极管元件105的材料吸收后转变为热能，减少发光二极管元件105的使用寿命等等。另外，从封装体114到空气的界面，相对产生的绿光也会有内全反射现象，减少绿光取光效率。

本发明对于传统技术的调查后提出新发光装置的设计，不限于绿光，其他波长亦可适用，可以提升发光二极管装置的取光效率。以一些实施举例作为说明，但是本发明不仅受限于所举的实施例。

图2绘示依据本发明实施例的发光装置的结构剖面示意图。本实施例的发光装置包括结构体100与图1相似，有导线结构以及占有体积的空间体。发光结构置放于该结构体的该占有体积的空间体内，与该导线结构电性耦接。发光元件结构例如是固态有机或是无机的发光二极管，经适当电压驱动可发出第一频率范围的光。此第一频率范围的光，例如是紫外光或是蓝光，或是其他比要产生的第二频率光频率更高的光。

要注意的是，在发光二极管元件结构105的出光表面，覆盖有第一抗反射(Anti-Reflection，AR)层120。此第一抗反射层120是用来减少或消除该第一频率范围的光对于封装体122与占有体积的空间体内的封装体内全反射现象或一般的Fresnel反射，例如是折射率渐减的镀膜或其密度随深度渐增或渐减的介质。第一抗反射层120的结构与作用机制会较详细地描述于后。又、在占有体积的空间体的周壁的至少一部分，可以设置反射层118，其中除了抗反射层120以外的全部可利用周壁，依实际需要都可以设置有反射层118，以增加发光装置的出光的取光效率。换句话说，本发明提出使用抗反射层120于发光元件结构，例如发光二极管的出光面上，可以减少或消除在出光面上发生内全反射或一般的Fresnel反射的现象，以增加射出取光效率。

图2中封装体122填入结构体100内的占有体积的空间体内。发光物质(luminescent material)124分布于封装体122内。此发光物质被第一频率范围的光激发产生至少一第二频率范围的光，进而得到射出的至少包括第一和第二频率范围光的混合光或第二频率范围的色光。

所要的混合光，其产生的机制会随所要的颜色而有一些不同。例如要产生绿光的话，第一频率范围的光例如是紫外光或是蓝光，而发光物质124则是绿光发光物质。因此，发光物质124受紫外光或是蓝光的激发，产生绿光而输出。又例如要产生白光的话，发光物质124可以是红、绿和蓝光的发光物质混合而产生白光。又，例如发光物质124是黄光的发光物质，而第一频率范围的光是蓝光，则蓝光与黄光混合成白光。发光物质124例如是荧光粉、量子点、或是发光有机材料。这些发光物质124本身是一般常用的物质，因此不予详述，应为一般熟习此技艺者可了解。又，发光物质124的使用也是一般传统方式的应用，本发明不限制于特定色光发光物质124的使用。当然，白光或是其他颜色光也可以通过本发明的发光装置加上红、绿和蓝发光物质124的适当混合以得到所要的颜色可见光。

继续参阅图2，以下更举其他实施为例，例如采用发光元件结构(又可称为发光源)以发出有较高频率的紫外光或蓝光，而所要的输出光是较低频率的光，例如绿光。以紫外光为实施例做说明，如果发光元件结构发出的紫外光不与绿光的发光物质124发生作用，则会有一部分紫外光外漏或吸收。为了增加紫外光或蓝光的回收使用率，以增加整体的萤光发光效率，例如可以加设全方位反射层(omni-directional reflector，ODR)126在封装体122上。ODR例如是由ZnO₂、SiO₂、Ta₂O₅、Al₂O₃、TiO₂、聚合物(polymer)等的适当物质，通过蒸镀或沉积的方式而形成多重迭层。ODR的制作例如可根据美国专利第6,833,565号文件所描述的方式制作，于此不予详述。

全方位反射层126的效用，依多重迭层产生的特性，可以将较高频率的光完全反射，而允许较低频率的光通过。因此，例如外漏的紫外光会被全方位反射层126反射回封装层122继续重复激发发光物质124。所要产生的绿光则可以穿过。

现在继续举一些实施例，描述抗反射层120的作用与制作方法。图3绘示折射率从封装体122通过抗反射层120到发光元件结构的物质，例如GaN的半导体层108的分布。封装层122例如是树脂(Epoxy)132的低折射率，其值约为n＝1.5。半导体层108的高折射率136，其值约为n＝2.4。传统的方式，如图1所示，是半导体层108与封装体114直接接触。根据光学特性，光在接触的界面从有高折射率物质的半导体层108到低折射率物质的封装体114，当光入射角大于其临界角时，会产生内全反射而回到发光二极管元件105结构内而被损耗。然而本发明提出在界面上，设置有抗反射层120，其例如该抗反射层折射率134是从折射率136到折射率132为渐减的镀膜或其密度会随深度渐增或渐减的单一介质。如此，在内层间的界面产生光全反射的临界角会加大，也就减少或消除光被内全反射回发光结构的比例。

对于制作抗反射层120的方法，有多种方式可以达成，本发明不限于特定的方式。以下仅举一实施例作为描述。图4绘示依据本发明一实施例，使用斜角沉积(oblique-angle deposition)方式制作抗反射层120的示意图。于本发明实施例，例如抗反射层120是制作在较高折射率的材料，因此抗反射层120的折射率是渐减。参阅图4，在基底500上，有一些沉积物502在孕核位置(nucleaion sites)。当所要相同沉积物质504以垂直方向沉积时，沉积物502不会造成遮挡效果。再例如当相同沉积物质506以一斜角沉积时，沉积物502会挡一部分，产生空洞508。由于有空洞508，则折射率会减低。如果继续再以更大斜角如沉积物质510时，空洞512会更大，因此折射率会更小。只要控制所要沉积物质的密度对深度变化的函数，就可以达到折射率渐减的特性。上述沉积物的折射率会随着密度减低而变小的原因可参考D.Bergman，″The dielectric constant of a composite material-a problem inclassical physics″，Physics Reports 43，377-407，[1978]。

然而要注意得是，本发明的抗反射层120的制作方法，不仅限于斜角沉积方法。其它适当的方式也可以使用。换句话说，本发明提出例如在发光元件结构与封装体之间，设置有抗反射层120，以使发光结构发出的光可以更有效率地进入低折射率的封装体，以与发光物质124产生作用而得到所要的可见光或是其他所要的较低频率的输出光。发光物质124可被激发发出主要波长(peak)范围例如落在约625～740nm、590～625nm、565～590nm、500～565nm、485～500nm、440～485nm或380～440nm，或上述任何任一主要波长(peak)范围或上述任二者或以上主要波长范围组合。

接着，一般的发光元件例如是处于空气的环境。空气的折射率也比封装层的折射率低，因此例如可以再增加一抗反射层。图5绘示依据本发明实施例，另一发光元件的剖面结构示意图。参阅图5，在封装层122上先形成全方位反射层128，其例如与图2的全方位反射层126相同。接着，在全方位反射层128与空气之间可以再设置另一抗反射层130，其与抗反射层120有类似的机制，然而是用以调整全方位反射层128与空气之间的折射率，以将所产生的光再被内全反射回到封装层122。

又依设计的实际需要，如果例如发光元件结构发出蓝光，而发光物质124是黄光荧光粉，其利用蓝光与黄光的混合达到所要的白光。在此机制下，在封装体上就例如可以不需要全方位反射层128，而只需要抗反射层130设置于封装层122与空气之间即可。

本发明实施例利用在发光元件结构与封装层之间的界面，设置有抗反射层120。抗反射层120覆盖发光元件结构的出光面，以有效地减少内全反射现象。

本发明实施例也配合实际设计，在封装层的出光面也设置全方位反射层128与抗反射层130，二者的其一或是组合，可以进一步提升取光效率。

根据上述本发明的发光装置，本发明提供一面光源装置。图6绘示依据本发明实施例，利用发光装置所组成的面光源装置结构示意图。面光源装置包括至少一导光板602，以及多个如实施例所述的发光装置600。该些发光装置600贴在该导光板602的周边，在该导光板602的表面是反射面，因此光会从导光板的另一主要表面，出光。

又，本发明又提供了平面显示装置。图7绘示依据本发明实施例利用发光装置所组成的平面显示装置结构示意图。至少一个如所述的发光装置706形成空间阵列排列704。并有驱动电路700、702会根据输入的信号，来驱动发光装置706发出可见光分布在该平面显示装置的出光面上。

虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明之精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围，当视权利要求所界定者为准。

Claims (15)

1.一种发光装置，至少包括：

发光元件结构；

导线结构；

占有体积的空间体，该发光元件结构置放于该占有体积的空间体内，与该导线结构电性耦接，且经适当电压驱动可发出第一频率范围的光；

第一抗反射层覆盖在该发光元件结构的出光表面，该第一抗反射层针对该第一频率范围的光；

封装材料，填入该占有体积的空间体，该封装材料至少包含发光物质，且该发光物质会被该第一频率范围的光激发产生至少一第二频率范围的光；以及

全方位反射层，置放在该发光装置的出光表面上，可全方位全部或大部分反射该第一频率范围的光，使其回到该占有体积的空间体，而被激发的该第二频率范围光可通过该全方位反射层，并且被反射第一频率光在占有体积的空间体内会重复激发该发光物质，进而得到射出至少包括第一频率和第二频率的混合光，或是第二频率的单色光于该发光装置外。

2.如权利要求1的发光装置，其中该第一频率范围的光是紫外光或是蓝光。

3.如权利要求1的发光装置，其中该混合光是可见光。

4.如权利要求1的发光装置，其中该第一抗反射层是折射率渐减的镀膜或其密度随深度渐增或渐减的介质膜。

5.如权利要求1的发光装置，其中该全方位反射层将该第一频率范围的光全方向反射，但是允许该第二频率的光通过射出。

6.如权利要求5的发光装置，还包括反射层，位于该占有体积的空间体的周边表面上，可反射第一频率及第二频率范围的光。

7.如权利要求1的发光装置，其中该发光元件结构是发光二极管。

8.如权利要求1的发光装置，其中该封装材料内的该发光物质可被激发发出主要波长范围落在约625～740nm、590～625nm、565～590nm、500～565nm、485～500nm、440～485nm、或380～440nm，或上述任何任一主要波长范围或上述任二者或以上主要波长范围组合。

9.如权利要求1的发光装置，其中该封装体内的该发光物质是荧光粉、量子点或有机发光材料。

10.如权利要求9的发光装置，其中该荧光粉是分别发出红光、绿光与蓝光的至少一种荧光粉。

11.如权利要求9的发光装置，其中该量子点是分别发出红光、绿光与蓝光的至少一种量子点。

12.如权利要求9的发光装置，其中该发光有机材料是分别发出红光、绿光与蓝光的至少一种有机发光材料。

13.如权利要求1的发光装置，包括针对该混合光的第二抗反射层，放置于该全方位反射层上，以减少该混合光在出光界面上被内全反射。

14.一种面光源装置，包括：

至少导光板；以及

多个如权利要求1的发光装置，其中该些发光装置置放于该导光板的周边，而反射面是在该导光板的正表面，因此光会从导光板的另一主要正表面，出光。

15.一种平面显示装置，包括：

至少一个如权利要求1的发光装置，而该至少一个发光装置形成空间阵列排列，并有驱动电路会根据输入的信号，来驱动该平面显示装置的该些发光装置发出可见光分布在该平面显示装置的出光面上。

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