CN101494257A - 发光装置、背光模块装置和照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可增加发光效率的发光装置，该发光装置包括：具有一侧壁的一壳体；一发光元件，在壳体之中；一封装材料，包覆发光元件，且至少一部分的封装材料位于壳体之中；以及一光子晶体结构，位于壳体的侧壁上，使得从发光元件所产生的光，可以经由壳体侧壁的光子晶体结构的反射作用而出光，进一步增加此发光装置的发光效率。本发明还披露了一种具有该发光装置的背光模块装置和照明装置。

Description

发光装置、背光模块装置和照明装置

技术领域

本发明涉及一种发光装置，且特别涉及一种可增加发光效率的发光装置。

背景技术

在发光二极管(light emitting diode，LED)中，约有30％发光层(activelayer)产生的光因折射或反射留在半导体材料或封装材料内部，这些光被半导体材料或封装材料吸收而成为热能，并且造成LED发光效率的降低。因此，目前LED的制造业者相当着重于研究提高LED发光效率的方法。

图1绘示已知的一发光装置(light-emitting device)100。发光装置100包含基板(substrate)102与发光叠层(light-emitting stacked layer)112，其中发光叠层112包含光子晶体结构(photonic crystals)110，可利用其所产生的光子能隙，将部分的波导模态耦合成辐射模态，再加上基板102与发光叠层112之间的反射层结构(图未示)，由此提高光取出效率。

图2绘示另一已知的发光二极管200。发光二极管200主要包括：载体(submount)220与具有n型掺杂层(n-doped layer)234的多层结构(multi-layerstack)222。其中，n型掺杂层234还包含一光子晶体结构250，以提升光取出效率。

然而，就上述的已知发光装置而言，在p型半导体或n型半导体中制作光子晶体将导致材料电性阻抗上升，进而增加热能与降低元件的可靠度。

已知技术中，另有一种增加LED发光效率的方法，以表面安装型(surfacemounted device，SMD)封装的LED为例，通过改变封装材料在LED出光面的曲度，可增加光取出效率。然而，这种方法的效果有限，仍有部分的光因封装材料与外部空气的折射率差异而造成全反射。

再者，为了使消费性电子产品薄型化，LED的封装厚度亦必须同时缩减。然而，减少LED封装厚度却产生了一些问题，举例而言，由于树脂碗杯厚度降低而造成LED漏光。

因此，目前亟需发展一种可增加发光效率的发光装置及其制造方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可增加发光效率的发光装置。

本发明提供一种发光装置，包括：一壳体，具有一侧壁与一底部；一发光元件，位于壳体底部；一封装材料，包覆发光元件，且至少一部分的封装材料位于壳体之中；以及一光子晶体结构，位于壳体的侧壁上。

本发明另提供一种发光装置的制造方法，包括：提供一壳体，壳体具有一侧壁；在壳体之中提供一发光元件；利用一封装材料包覆发光元件，且至少一部分该封装材料位于壳体之中；以及在侧壁上形成一光子晶体结构。

本发明又提供一种发光装置，包括：一壳体；一发光元件，在壳体之中；以及一封装材料，包覆发光元件，其中封装材料的一表面为发光装置的一出光面，该出光面具有一纳米凹凸结构。

本发明再提供一种发光装置的制造方法，包括：提供一壳体；在壳体之中提供一发光元件；利用一封装材料包覆发光元件，其中封装材料的一表面为发光装置的一出光面；以及粗糙化出光面，以使出光面具有一纳米凹凸结构。

本发明另提供一种发光装置，包括：一壳体；一发光二极管管芯，在壳体之中；一封装材料，包覆发光二极管管芯；以及多个形成于发光二极管管芯的光路径上，且互相邻接的光纤。

本发明又提供一种发光装置的制造方法，包括：提供一壳体；在壳体之中提供一发光二极管管芯；利用一封装材料包覆发光二极管管芯；以及在发光二极管管芯的光路径上形成多个互相邻接的光纤。

本发明又提供一种背光模块装置，包括：一光源装置，其由上述任意的发光装置所组成；一光学装置，置于光源装置的出光路径上；以及一电源供应系统，提供光源装置所需的电源。

本发明又提供一种照明装置，包括：一光源装置，其由上述的任意发光装置所组成；一电源供应系统，其提供光源装置所需的电源；以及一控制元件，用以控制电源输入光源装置。

附图说明

图1绘示已知技术的发光装置；

图2绘示另一已知技术的发光装置；

图3至10绘示本发明实施例的发光装置剖面图；

图11绘示本发明实施例的背光模块700示意图；

图12为本发明实施例的照明装置800的示意图。

附图标记说明

100、200～发光装置；    102～基板；

110～光子晶体；         112～介电质结构；

220～承载；             222～多层结构；

234～n型掺杂层；        250～光子晶体结构；

300A、300B、300C、300D、400、500A、500B、500C～发光装置；

301、302、401、402、501、502～导线架；

303、403、503～焊线；

304、404、504～发光元件；

306、406、506～碗杯部分；

307、407、507～封装材料；

308a、308a’、308b、308b’～光子晶体结构；

408、509～出光面；

508～光纤；             510～光纤薄膜；

700～背光模块装置；     710～光源装置；

711～发光装置；         720～光学装置；

730～电源供应系统；     800～照明装置；

810～光源装置；         811～发光装置；

820～电源供应系统；     830～控制元件。

具体实施方式

以下实施例将伴随着图示说明本发明的概念，在图示或说明中，相似或相同的部分使用相同的标号，并且在图示中，元件的形状或厚度可扩大或缩小。需特别注意的是，图中未绘示或描述的元件，可以是本领域的技术人员所知的形式。

图3至图10为绘示本发明实施例的可增加发光效率的发光装置。本发明利用以下的数个实施例作说明，这些实施例中的发光装置可达到提高发光效率或光取出(light extraction)效率的目的。

第一实施例

请参照图3，其绘示本发明实施例的发光装置300A的剖面图。在本实施例中，发光装置300A利用表面安装型(surface mounted device，SMD)封装的LED。发光装置300A可包括如为LED管芯(die)的发光元件304、壳体(housing)305、封装材料(encapsulant)307及光子晶体结构308a。优选者，发光装置300A可还包括导线架(leadframe)301、302及焊线(bondwire)303。发光元件304为发光装置300A的光源，可为单色光LED管芯、白光或紫外光LED，举例而言，发光元件304包括含氮化镓(GaN-based)系列的LED。虽然图中仅绘示一个LED管芯，然而发光装置300A可包括一或多个LED管芯。

发光元件304可通过粘着(adhisive)材料或其他方法固定于导线架301，且利用焊线303使发光元件304与另一导线架302电性连接。导线架301、302可包括金属，负责传输驱动LED管芯304所需的电源。

发光元件304设置于壳体305之中，优选者，壳体305为不透光材料，例如聚邻苯二酰胺(PPA)。壳体305具有碗杯部分306，至少一部分的封装材料307填入壳体305的碗杯部分306，且发光元件304可由封装材料307封装且包覆其中。优选者，封装材料307为透光材料，由此，发光元件304产生的光可穿透封装材料307而向外部发射。如图所示，封装材料307的一表面为发光装置300A的出光面。封装材料307可包括环氧树脂(epoxy)或聚硅氧烷(silicone)，在一些例子中，封装材料307内可混有荧光粉体。

本实施例的特征的一为在壳体305的侧壁上形成光子晶体结构308a。如图3所示，光子晶体结构308a可包括位于壳体305侧壁的一光子晶体层，光子晶体结构308a可形成在壳体305与该封装材料307的界面。举例而言，可利用高分子自组装法(self-assembly)制作三维光子晶体结构308a。

请参照图5，其绘示本发明另一实施例的发光装置300C的剖面图，在此，与图3相同或类似的元件以相同或类似符号标示。在此实施例中，可在壳体外部的侧壁表面制造周期性微结构，由此在壳体305外部的侧壁形成光子晶体结构308b。在此例中，可利用如纳米压印法(nano-imprinting)等塑模方式在壳体305外部的侧壁上形成光子晶体结构308b。

由于光子晶体结构308a、308b可改变光的行径方向，因此，在壳体305的侧壁的光子晶体结构308a、308b可作为反射面，由此，可将LED管芯304发射的光往出光面集中，进而增加发光装置的发光效率与光取出效率。

请参照图4及图6，其绘示本发明另一实施例的发光装置300B及300D的剖面图，其中与图3相同或类似的元件以相同或类似符号标示。在这些实施例中，除了在碗杯部分306中的壳体305侧壁形成光子晶体结构外，还可在发光装置的出光面形成光子晶体结构。可分别利用高分子自组装法与纳米压印法形成在封装材料307的表面形成光子晶体结构308a’与308b’，由此，进一步将光集中，以增加发光装置的指向性，亦即提高集光或聚光效果。

第二实施例

请参照图7，其绘示本发明实施例的发光装置400的剖面图。在本实施例中，发光装置400为SMD型LED。发光装置400可包括如为LED管芯404的发光元件、壳体405、封装材料407。优选者，发光装置400可还包括导线架401、402及焊线403。LED管芯404作为发光装置400的光源，LED管芯404可为单色光、白光或紫外光LED，举例而言，发光元件404包括含氮化镓系列的LED。虽然图中仅绘示一个LED管芯，然而发光装置400可包括一或多个发光二极管管芯。

LED管芯404可固定于导线架401的表面，且利用焊线403使LED管芯404与另一导线架402电性连接。导线架401、402可利用金属材料形成，负责传输驱动LED管芯404所需的电源。

LED管芯404设置于壳体405之中，优选者，壳体405为不透光材料，例如聚邻苯二酰胺(PPA)。壳体405具有碗杯部分406，至少一部分的封装材料407填入壳体405的碗杯部分406，且LED管芯404可由封装材料407封装且包覆其中。优选者，封装材料407为透光材料，由此，LED管芯404产生的光可穿透封装材料407而向外部发射。封装材料407的一表面为发光装置400的出光面408。封装材料407可包括环氧树脂(epoxy)或聚硅氧烷(silicone)。在一些例子中，封装材料407内可混有荧光粉体。

本实施例的特征的一为发光装置400具有纳米级粗糙化的出光面408，优选者，出光面408为周期排列的纳米凹凸结构。发光装置400的封装方法是提供导线架401、402及壳体405，并且将LED管芯404固定于导线架401，接着通过打线技术以焊线403电性连接LED管芯404与导线架402。之后，在壳体405中填入封装材料407以封装LED管芯404，并对封装材料407的出光面408进行粗糙化工艺。

在一例子中，形成纳米级粗糙化出光面的方法可包括在壳体中灌入如聚硅氧烷的封装材料后，在封装材料表面散布如为二氧化硅(SiO₂)的纳米级粒子，以使至少一部分的纳米级粒子陷入封装材料中。接着，对封装材料进行固化(curing)工艺以使该封装材料固化，待封装材料固化成形后，移除纳米级粒子，由此，封装材料的表面可形成因纳米级粒子陷入所留下的不规则凹陷，而于出光面形成纳米凹凸结构的粗糙化的表面。

优选者，出光面408的粗糙化尺寸大致上与LED管芯404所发射的光的波长相等。举例而言，出光面408粗糙化尺寸约为100纳米至500纳米。

在已知中，部分由LED管芯发射的光会自封装材料的出光面全反射，而造成LED的发光效率不佳。通过本实施例，由于出光面408具有粗糙的表面，因此，有效地避免由LED管芯发射的光自封装材料的出光面全反射，进而增加发光装置的发光效率与光取出效率。

第三实施例

请参照图8，其绘示本发明实施例的发光装置500A的剖面图。在本实施例中，发光装置500A为SMD型LED。发光装置500A可包括如为LED管芯504的发光元件、壳体505、封装材料507。发光装置500A可还包括导线架501、502及焊线503。LED管芯504作为发光装置500A的光源，LED管芯504可为单色光、白光或紫外光LED，举例而言，发光元件504包括含氮化镓的LED。虽然图中仅绘示一个LED管芯，然而发光装置500A可包括一或多个发光二极管管芯。

LED管芯504可固定于导线架501的表面，且利用焊线503使LED管芯504与另一导线架502电性连接。导线架501、502可利用金属材料形成，其可提供驱动LED管芯404所需的电源。

LED管芯504设置于壳体505之中，优选者，壳体505为不透光材料，例如聚邻苯二酰胺(PPA)。壳体505具有碗杯部分506，至少一部分的封装材料507填入壳体505的碗杯部分506，且LED管芯504可由封装材料507封装且包覆其中。优选者，封装材料507为透光材料，由此，LED管芯504产生的光可穿透封装材料507而向外部发射。封装材料507的一表面为发光装置500A的出光面509。封装材料507可包括环氧树脂(epoxy)或聚硅氧烷(silicone)在一些例子中，封装材料507内可混有荧光粉体。

本实施例的特征的一为在LED管芯504的光路径上形成多个光纤508，这些光纤508互相邻接。优选者，光纤508彼此紧密排列而形成类似光纤薄膜510的结构。光纤508可包括塑料光纤或玻璃光纤。如图8所示，光纤508可形成在封装材料506的出光面509，且布满整个出光面509为优选。可通过接合技术将光纤508粘着于出光面509。

请参照图9，其绘示本发明另一实施例的发光装置500B的剖面图，在此，与图8相同或类似的元件以相同或类似符号标示。图9与图8不同的是，由多个光纤508构成的光纤薄膜510通过机械结构511悬浮于出光面509上方。

请参照图10，其绘示本发明另一实施例的发光装置500C的剖面图，在此，与图8相同或类似的元件以相同或类似符号标示。图10与图8不同的是，由多个光纤508构成的光纤薄膜510形成于LED管芯504表面。可通过接合技术将光纤508连接于LED管芯504表面，优选者，光纤508布满LED管芯504的p型及n型连接垫(图未示)以外的区域。在LED管芯是透明基底的例子中，还可在LED管芯的侧边或其底面的反射面上形成光纤薄膜，以使侧边光可经由光纤将光导出。

由于光纤具有导光及聚光的功能，因此，在图8至图10的实施例中，发光装置500A、500B及500C可通过光纤508缩小出光角度而增加发光装置的指向性，进而增加发光装置的发光效率与光取出效率。在此需注意的是，若光纤的厚度太薄，则其聚光效果不彰，若光纤的厚度太厚，则会发生吸光效应而导致低发光效率。在一例子中，光纤508的厚度约介于0.3mm至2mm之间，然而并不以此数值范围为限，任何本领域的技术人员可依据装置的设计或需求调整光纤508的厚度，以获得最佳的发光效率。

图11绘示本发明实施例的背光模块700的示意图。其中，背光模块装置700可包括由本发明上述任意实施例的发光装置711所构成的光源装置710、置于光源装置710的出光路径上的光学装置720以将光做适当处理后出光、以及电源供应系统730以提供上述光源装置710所需的电源。

图12为本发明实施例的照明装置800的示意图。其中，照明装置800可为车灯、街灯、手电筒、路灯或指示灯等等。其中，照明装置800可包括由本发明上述的任意实施例的发光装置811所构成光源装置810、电源供应系统820以提供光源装置810所需的电源、以及控制元件830用以控制电流输入光源装置810。

虽然上述的实施例皆以SMD型LED为示例作说明，然而，本发明并不以此为限，上述实施例的概念及实施方法亦可利用于其他发光装置，例如炮弹型LED、侧边型(side view)封装LED或上部(top view)型封装LED。

虽然本发明已以优选实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。

Claims (22)

1.一种发光装置，包括：

一壳体，具有一侧壁与一底部；

一发光元件，位于该底部；

一封装材料，包覆该发光元件，且至少一部分的该封装材料位于该壳体中；以及

一光子晶体结构，位于该侧壁上。

2.如权利要求1所述的发光装置，其中该光子晶体结构位于该壳体与该封装材料的界面。

3.如权利要求1所述的发光装置，其中该发光元件包括发光二极管。

4.如权利要求1所述的发光装置，其中该封装材料的一表面为该发光装置的一出光面，且该光子晶体结构还形成在该出光面。

5.如权利要求1所述的发光装置，其中该光子晶体结构利用高分子自组装法或纳米压印法形成。

6.一种发光装置，包括：

一壳体；

一发光元件，位于该壳体中；以及

一封装材料，包覆该发光元件，其中该封装材料的一表面为该发光装置的一出光面，该出光面具有一纳米凹凸结构。

7.如权利要求6所述的发光装置，其中该发光元件所发出的光的波长与该纳米凹凸结构的粗糙化尺寸大致相等。

8.如权利要求6所述的发光装置，其中该发光元件包括发光二极管。

9.如权利要求6所述的发光装置，其中该纳米凹凸结构为周期性排列结构。

10.如权利要求6所述的发光装置，其中还包含位于该壳体的外侧的另一纳米凹凸结构。

11.如权利要求10所述的发光装置，其中该另一纳米凹凸结构为周期性排列结构。

12.如权利要求6所述的发光装置，其中该纳米凹凸结构的形成方法包括：

在该封装材料上散布多个纳米级粒子，以使至少一部分的该些纳米级粒子陷入该封装材料之中；

对该封装材料进行烘烤以使该封装材料固化；以及

移除该些纳米级粒子。

13.如权利要求12所述的发光装置，其中该些纳米级粒子包括二氧化硅。

14.一种发光装置，包括：

一壳体；

一发光元件，位于该壳体中；

一封装材料，包覆该发光元件；以及

多个光纤，该些光纤位于该发光元件的光路径上且互相邻接。

15.如权利要求14所述的发光装置，其中该些光纤位于该发光元件的表面。

16.如权利要求14所述的发光装置，其中该封装材料的一表面为该发光装置的一出光面，且该些光纤位于该出光面上。

17.如权利要求16所述的发光装置，其中该些光纤利用一机械结构悬浮于该封装材料的上方。

18.如权利要求16所述的发光装置，其中该些光纤粘着于该封装材料表面。

19.如权利要求14所述的发光装置，其中该些光纤的厚度约介于0.3mm至2mm之间。

20.如权利要求14所述的发光装置，其中该发光元件为一发光二极管。

21.一种背光模块装置，包括：

一光源装置，包括如权利要求1至20所述的至少一发光装置所组成；

一光学装置，置于该光源装置的出光路径上；以及

一电源供应系统，提供该光源装置所需的电源。

22.一种照明装置，包括：

一光源装置，包括如权利要求1至20所述的至少一发光装置所组成；

一电源供应系统，其提供该光源装置所需的电源；以及

一控制元件，用以控制该电源输入该光源装置。

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