CN101897039B - 具有混合顶部反射体的侧发射器件 - Google Patents
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Abstract
提供侧发射发光器件(100)，其中该器件包括布置在衬底(102)上并面向散射反射体(103)的至少一个发光二极管(101)，其中所述散射反射体(103)与所述衬底相隔一定距离而设置并沿所述衬底延伸而扩展。反射体包括面向衬底的散射层(108)，以及布置在散射层上的反射层(109)，所述散射层呈现面向所述衬底的粗糙表面(111)，所述散射层的折射率不同于固体透射材料(106、115)的折射率。该反射体(103)的散射动作引起该器件内的角度重分布，这增加了光从反射体与衬底之间的侧向开口选出该器件的机会，而不透明性阻止光从顶部表面发射。
Description
技术领域
本发明涉及一种侧发射的发光器件，包括布置在衬底上并面对散射反射体的至少一个发光二极管，所述散射反射体与所述衬底相隔一定距离而设置并沿所述衬底的延伸而扩展。
背景技术
彩色LED以及荧光转换型高功率LED作为有效的高亮度光源用于大型背光板是有吸引力的。但是，在某些应用中，比如，用于手持式显示设备如移动电话、个人数字助理等的薄型背光，需要使用薄型侧发光的发射器件作为光源。
侧发光的发射器件描述于Kim等人的US 2006/0208269A1中，其中描述了设置在衬底上、反射表面之下的发光二极管，这样设计使得发光二极管的光被通过全内反射的方式朝向器件的侧面反射。为了将已穿过反射表面的光(即在反射表面上未受到全内反射的光)散射并通过反射表面反射回来，在反射表面之后、在LED的相对侧设置散射材料。
然而，为了使上述器件能够适当工作，反射表面必须倾斜，使来自下面的光被以全内反射的方式反射到侧面。因此，衬底到反射表面的距离必须朝两侧的方向逐渐增加。这增加了器件的总厚度。此外，为了阻止光通过顶部表面离开散射材料，散射材料需要有可观的厚度，这也可能增加器件的总厚度。
因此，现有技术期待薄型侧发光的发射器件，这些发射器件不会通过顶部表面发光。
发明内容
本发明的目的是至少部分地克服这一问题，并提供可易于制造的、具有低厚度、而不会通过顶部表面发光的侧发射器件。
因此，本发明的第一方面提供侧发光发射器件，该器件包括布置在衬底上并面向基本上不透明的反射器的至少一个发光二极管，该反射体与所述衬底相隔一定距离而设置并沿所述衬底的延伸而扩展。该反射体包括基本上不透明的镜面反射(specular)组件和散射组件，使得以任何入射角入射到组件上的光都被反射和散射。
LED发射的光入射到反射体，并且将这些光独立于入射角散射和反射。由于反射体，即镜面反射组件，基本上是不透明的，因此没有大量的光通过反射体逸出器件，并且由此所有逸出该器件的光必须在衬底和反射体之间的开口处才逸出。此外，由于反射体基本上是不透明的，因此反射体的散射组件可被制造得厚度恰足以能实现期望的散射动作。散射动作引起该器件中角度重分布，这增加了光从器件完全逸出的机会。因此，散射反射体将通过镜面反射体增加光提取。
散射反射体包括面向衬底的散射层以及布置在所述散射层上的反射层，所述散射层呈现面向所述衬底的粗糙表面，并且所述散射层的折射率不同于所述固体透射材料的折射率。在此实施方式中，散射层可以是透明材料。衬底和反射体之间的固体透射材料导致更有效的从LED的光提取，这是因为较少的光被从高折射率的LED材料反射到更高折射率的固体层，而到达例如空气。此外，在LED界面处的全内反射的临界角被固体本体增大了，这增大了从LED的光提取。
粗糙表面的粗糙度Ra通常在1纳米到1000纳米的范围内。
当反射层被布置在散射层顶部时，遇到反射体的光将通过散射层两次。在获得相同散射度的情况下，与在顶部不具有反射体的散射层相比，通过这一点散射层的厚度可显著减小。这有助于减小器件的总厚度。
例如通过研磨固体透射体到所需的厚度，粗糙的表面一般已经存在。在此之后，镜面反射组件仅需被胶合到散射层，胶合剂用作散射层。
在优选的实施方式中，散射层具有低于所述固体透射材料折射率的折射率。
当具有特定角度分布的光通过折射率从高到低的界面时，在低折射率材料中，角度分布增加。因此，在该通过中来执行良好的散射动作。当反射的光回到高折射率材料时，其已经变为明显漫射。
在本发明的实施方式中，透射材料可以包括波长转换材料。
当波长转换材料被布置在衬底和反射体之间时，LED发射的光会受到波长转换，并且光输出的颜色可以根据用户的需要而调整，而无需增大器件的尺寸或向器件添加外部元件。此外，波长转换材料可有对光的散射效果，这增加了在器件中散射的优点。
在本发明诸实施方式中，反射体可基本上平行于衬底布置。由于散射反射体的散射作用，反射体可平行于衬底布置以提供薄型器件，而同时使得所发光的大部分从衬底与反射体之间的开口逸出器件。
附图说明
本发明的这个和其它方面现在将参考附图被更详细地描述，其中附图示出了本发明目前优选的实施方式。
图1以横截面视图示意性地说明本发明器件的一个实施方式。
具体实施方式
在图1中示意性地说明本发明的侧发光的发射器件100的第一实施方式，它包括发光二极管(这里还记作“LED”101)以及LED 101布置于其上的衬底102。本图中没有显示、但还出现在如本领域中常规器件中的是用于LED的驱动电路。反射体103布置在LED 101布置于其上的衬底102的表面之上。因而，LED101面向反射体103。
在此实施方式中，衬底102和反射体103被示出为基本上平行，但按照下面的描述，这对于所有的发明实施方式不是必要的。
衬底102和反射体103分别形成设置于其间的光传播区域115的下限和上限。光传播区域115可以是空的(真空)、填充以气体、液体、凝胶、或填充固体透射材料106用于LED所发射的光在其中传播。
该器件在光传播115的至少一个侧向边沿具有至少一个位于衬底和反射体之间的侧向开口114，通过该开口，由LED 101发射的并在传播区域115中传播的光可逸出该器件100。
发光二极管101布置在衬底102上。LED 101的光通常具有一个实质角扩展，比如以半球模式或更低扩展发射，并且LED 101的光通常具有垂直于衬底表面的发光主方向，即所谓的顶部发射LED。但是，其它类型的LED也可以用于本发明的器件。
正如本发明中所使用的，缩写为“LED”的术语“发光二极管”是指为本领域技术人员所知的任何类型的发光二极管或激光发射二极管，包括但不限于基于无机的LED、基于小型有机分子的LED(smOLED)和基于聚合物的LED(polyLED)。此外，也可以使用光带隙LED，其发射较狭窄的和可调的光锥形的光。适于本发明使用的LED发射的光通常处于从UV光到可见光的波长范围内。对于可见光，发射可以是从紫色到红色的任何颜色。通常地，蓝光发射LED被用于本发明的器件。
衬底102是LED 101的支撑，并且其可以是多层结构的。通常，衬底102包括反射由LED发射的光的层。该反射层可以是LED 101的反射背平面，它组合了电极功能和反射功能，或者其可以是单独的层。反射层通常包括金属，如银或铝。根据本发明的一般范围，反射体103基本上是不透明的。而且，基本上无论光以什么样的入射角入射到该反射体，它都反射和散射入射到该反射体上的光。
LED 101所发射的光被发射得具有至少一个分量的光朝向反射体103，并且当遇到反射体时，光被反射回光传播区域之中，然而，此后反射被散射，即具有显著更高的角扩展，并且光传播与入射光方向显著偏移。通常地，经过在反射体103内的反射后的角扩展接近半球扩展。由于这种高扩展，存在良好的机会使得光最终通过侧向开口114逸出该器件。散射重分配也可以发生在波导层，例如通过使得波导层中具有一些散射粒子。
该反射的反射度通常在R＞约80％的范围内，例如R＞约90％。
为了获得反射体的这些高反射和散射特性，反射体包括基本不透明的镜面反射组件和一个散射组件。由于光在被反射之前或在被反射的同时被散射，因此从任何角度入射到反射体的光均被散射和反射。因为反射组件是不透明的，基本上没有光通过顶部表面逃离出器件。此外，由于反射组件是不透明的，散射组件可以被定为最小，只要其足以提供所需的散射。通过后向散射，散射组件也有助于反射。该反射体可包括多个层，包括制造反射体时使用的衬底。
图1的实施方式中的反射体103将在下面作更详细地描述。
LED 101发射光到衬底102和反射体103之间的区域中。该区域在这里表示为光传播区域115。该光传播区域115的目的是将光从LED 101导向侧向开口114。在这个光传播区域中，光在反射表面之间来回反射，并最终从侧向开口114逸出该器件。
对于由该器件的LED所发射的波长的光，光传播区域优选地是基本透明的，比如不明显地吸收光。
光传播区域115可能是一个开放空间，填充以任何气体，如空气、或者可选地为真空，或者可是液体、凝胶或固体材料的。适合于在固体本体光传播区域115使用的固体材料的例子包括但不限于固体无机材料，如氧化铝、玻璃、熔融石英、蓝宝石、和YAG，以及硅树脂、含氟聚合物、聚烯烃(polyolefien)或其它聚合物。固体本体光传播区域115可进一步包括附加量的散射材料以获取该区域内同质的光分布。在本发明诸实施方式中，固体本体光传播区域115，可以但不是必须，包括比如分布在光传输区域115的所布置的波长转换材料107，或者该光传播区域也可以由波长转换材料形成。因此，从光传播区域115逸出的很大一部分光将受到波长转换材料107的作用。
波长转换材料107是一种材料，当其吸收一定波长或波长范围的光后，它发射出经转换的、不同波长或波长范围的光。通常，经转换的波长向更长的波长位移。常规地，这些材料通常是荧光的和/或磷光性的。对本领域的技术人员而言，许多这样的波长转换材料是已知的，并且常用的一组化合物称为“磷光物质”。
波长转换材料可以例如是陶瓷、固体材料，或者嵌入到粘合剂材料(如载体聚合物)中。
波长转换材料107匹配于LED 101，使得该材料吸收由LED所发射光的至少一部分。因此，波长转换材料的选择取决于LED的选择。例如，波长转换材料可部分地把蓝光转化为绿/黄光，其混合成白光。然而，也可以使用其它波长转换材料，例如完全把蓝光转换成绿光、黄光或红光，或者把UV光转换成可见光。
在这个实施方式中，光传播区域115包括固体材料，如本文所述，可选地包括波长转换材料。
反射体103包括面向光传播区域115的散射层108和布置在散射层108上的反射层109。在这个实施方式中，散射层108具有面向光传播区域的粗糙表面111，并且散射层108的折射率低于光传播区域115的折射率。这种低折射率材料的例子包括但不仅限于干凝胶、气凝胶、含氟聚合物、硅树脂、硅酸盐、纳米多孔硅酸盐和折射率溶胶凝胶材料。该低折射率材料可作为胶合剂，把反射体粘着到光传播区域。通常，固体光传播区域的折射率为1.8到2.1或更高，因此折射率低于约1.5的低折射率材料是优选的。在可选实施方式中，散射层的折射率高于光传播区域的折射率。
粗糙表面111呈现这样的粗糙度，使得通过该表面的光在很大程度上被散射。散射光将在此后被反射表面109反射，并且然后在进入光传播区域115以朝着侧向逸出开口114透射之前将再次通过散射层。
本发明的器件中，通常LED管芯尺寸约为1x1mm，但更小或更大的尺度也可使用。光传播区域的通常厚度在从约10微米到数毫米的范围中，比如从10微米到2毫米，比如在从50到500微米的范围内，通常为约300微米。
本领域技术人员认识到，本发明决不受限于上面描述的优选实施方式。相反，在所附权利要求书范围内许多修改和变形是可能的。例如，在附图中，衬底及反射体被示出为它们的侧向边沿与光传播区域的侧向边沿相吻合。然而，也有可能衬底和反射体至少其一的侧向边沿在光传播区域之外。总而言之，提供了侧发光发射器件，其包括布置在衬底上并面向散射反射体的至少一个发光二极管，其中散射反射体与所述衬底相隔一定距离而设置并沿所述衬底延伸而扩展。反射体包括面向衬底的散射层和布置在所述散射层上的反射层，所述散射层呈现面向所述衬底的粗糙表面，所述散射层的折射率不同于所述固体透射材料的折射率。
反射体的散射动作引起该器件中的角度重分布，这增加了光从反射体与衬底之间的侧向开口逸出该器件的机会，而不透明性阻止光从顶部表面发射。本发明的发光器件可以例如用在LED照明领域，例如用于显示器件的背光应用，用于光导应用，包括平面光导照明设备、LED准直仪配置，比如可用于汽车头灯照明或一般LED点照明。但使用的领域不仅限于以上所述的领域。
Claims (6)
1.一种侧发射发光器件(100)，包括布置在衬底(102)上并面向散射反射体(103)的至少一个发光二极管(101)，以及布置在所述衬底(102)和所述散射反射体(103)之间的固体透射材料(106)，其中所述散射反射体(103)与所述衬底相隔一定距离而设置并沿所述衬底的延伸而扩展，其中所述固体透射材料(106)被布置为使得由所述发光二极管发射的光在所述固体透射材料(106)中传播，
其中，所述散射反射体(103)包括面向所述衬底的散射层(108)，以及布置在所述散射层(108)上的反射层(109)，所述散射层(108)呈现面向所述衬底(102)的粗糙表面(111)，以及所述散射层的折射率不同于所述固体透射材料(106)的折射率。
2.根据权利要求1的发光器件，其中所述散射层(108)的折射率低于所述固体透射材料(106)的折射率。
3.根据权利要求1的发光器件，其中所述散射层(108)的折射率高于所述固体透射材料(106)的折射率。
4.根据权利要求1-3之任一的发光器件，其中所述固体透射材料(106)包括波长转换材料(107)。
5.根据权利要求1-3之任一的发光器件，其中所述反射层(109)包括面向所述散射层的镜面反射表面。
6.根据的权利要求1-3之任一的发光器件，其中所述散射反射体(103)平行于所述衬底(102)布置。
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