CN101897040B - 具有混合顶部反射器的侧发射器件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种侧发射发光器件(100),包括至少一个发光二极管(101),该发光二极管布置在衬底(102)上,并面向距所述衬底一定距离部署的且沿所述衬底的外延延伸的散射反射器(103,109)。散射反射器包括分布在载体(108)中的散射成分(110),所述散射成分的折射率不同于所述载体的折射率。该反射器的散射动作在器件中产生角度重新分布,这增加了光通过反射器和衬底之间的横向开口离开器件的机会,同时使得光基本上不会从顶表面发射。

Description

具有混合顶部反射器的侧发射器件
技术领域
本发明涉及侧发射发光器件,其包括至少一个发光二极管,该发光二极管布置在衬底上,并面向距该衬底一定距离部署的且沿该衬底的外延延伸的散射反射器。
背景技术
有色LED和经荧光体转换的高功率LED对于在大型背光面板上用作有效的高亮度光源而言是极具吸引力的。然而,在某些应用中,诸如用于手持式显示设备(诸如移动电话、PDA等)的薄背光灯,期望使用薄的侧发射发光器件作为光源。
侧发射发光器件在Kim等人的US 2006/0208269A1中进行了描述,其描述了布置在衬底上并且位于反射表面下面的发光二极管,该反射表面被设计成使得来自发光二极管的光借助于全内反射朝着器件的侧面反射。在反射表面的背后、与LED相反的一侧布置有散射材料,以便将已通过反射表面的光(即,未受到反射表面上全内反射影响的光)向回散射和反射以通过反射表面。
然而,为了使上述器件正常工作,反射表面必须是倾斜的,使得来自下面的光借助于全内反射而反射到侧面。因此,从衬底到反射表面的距离必须朝着侧面逐渐增大。这增加了器件的总厚度。此外,为了避免光通过顶部表面离开散射材料,散射材料必须具有相当大的厚度,这也会增加器件的总厚度。
发明内容
本发明的目的在于至少部分克服此问题,以及提供可以容易制造并且厚度较小的侧发射器件。
在厚度较小的情况下,LED散发的热量将能够影响整个器件。尤其在使用高功率LED时,器件组件上的热负荷会变得很大。因此,本发明的另一目的在于提供一种侧发射发光器件,其可以在扩展的使用时段内经受住操作温度。
因此,在本发明的第一方面中提供了一种侧发射发光器件,包括至少一个发光二极管,该发光二极管布置在衬底上,并面向距所述衬底一定距离部署的且沿所述衬底的外延延伸的散射反射器,其中所述反射器包括分布在载体中的散射成分,所述散射成分的折射率不同于所述载体的折射率。
例如,散射成分可以是折射率大于或小于(优选地大于)载体的折射率的固态微粒,或者备选地可以是折射率小于载体折射率的气孔。
LED发射的光入射到反射器上,并且其将不依赖于入射角度而被散射和反射。归因于反射器的散射性质,不会有大量的光通过反射器离开器件,并且因此,离开器件的大部分光必须在衬底和反射器之间的开口处离开器件。
散射动作在器件中产生了角度重新分布,这增大了光完全离开器件的机会。因此,散射反射器将通过镜面反射器来增加光萃取。
散射微粒通常是无机材料,诸如金属氧化物,其是热稳定的和光稳定的。
散射反射器的载体例如可以是含硅的网状结构,通常是硅酸盐网状结构,例如,烷基硅酸盐网状结构,或者聚硅氧烷网状结构。基于含硅的网状结构的反射器完全或者基本上是无机的,并且因此对热降解和光降解具有较低的敏感性。另外,其容易涂敷在固态衬底上。
备选地,散射反射器的载体是陶瓷材料。陶瓷材料通常是光稳定的和热稳定的,并且由此适于此目的。
在本发明的实施方式中,顶部反射器可以布置在所述散射反射器之上。
通常,这种顶部反射器基本上是不透明的。因此,反射器的散射成分的厚度可以是刚好足够实现所期望散射动作的厚度。当顶部反射器布置在散射反射器之上时,碰到顶部反射器的光会两次通过散射反射器。由此,在获得相同的散射程度的情况下,与在散射层之上不具有反射器的情况相比,散射层的厚度可以显著减小。这有助于减小器件的总厚度。
在本发明的实施方式中,固态透射材料可以布置在衬底和反射器之间。
固态透射材料可以使得从LED的光萃取更加有效,因为较少的光从高折射率LED材料反射到例如通往空气的更高折射率固态层。另外,LED界面处的全内反射的临界角通过固体主体增大,从而增大了从LED的光萃取。
在本发明的实施方式中,透射材料可以包括波长转换材料。
当波长转换材料布置在衬底和反射器之间时,LED发射的光将经历波长转换,并且光输出的颜色可以根据用户需求而定制,而不会增大器件的尺寸或者向器件增加外部元件。另外,波长转换材料可以对光产生散射效应,从而增大器件中散射的优势。
在本发明的实施方式中,尤其是不存在顶部反射器的实施方式中,散射反射器可以包括颜料,或者颜料层可以布置在所述散射反射器之上。
颜料可以用于调谐通过散射反射器泄露的或者从该反射器反射的光的颜色,或者调暗通过散射反射器泄露的光。另外,颜料给予器件可调谐的可视外观,诸如,在LED关闭时,给予其期望的颜色。
在本发明的实施方式中,散射反射器可以基本上与所述衬底平行布置。归因于反射器的散射效应,LED发射的大部分光将通过衬底和反射器之间的开口离开,即使反射器平行于衬底也是如此。因此,本发明的器件可以做得很薄。
在本发明的实施方式中,固态透射材料的横向边的部分可以涂覆有反射涂层。因此,所发射的光可以被引导到一个或多个选定方向。
附图说明
现在,将参照示出了本发明目前优选的实施方式的附图来更详细地描述本发明的这个方面和其他方面。
图1示意性地示出了本发明的器件的一个实施方式的剖面图。
具体实施方式
本发明的侧发射发光器件100的第一实施方式在图1中示意性地示出,其包括发光二极管(在此也标记为“LED”101)和在其上布置LED 101的衬底102。在此附图中未示出与本领域中常规器件一样也存在于该器件中的用于LED的驱动电路。反射器103布置在用于布置LED 101的衬底102表面上方。因此,LED 101面向反射器103。
在此实施方式中,示出的衬底102和散射反射器103基本上是平行的,但是从以下描述中将理解,并非本发明所有实施方式都必须这样。
衬底102和反射器103分别形成部署在二者之间的光传播区域115的下限和上限。光传播区域115可以是空的(真空)、填充有气体、液体、凝胶,或填充有用于LED发射的光在其中传播的固态透射材料106。
该器件具有位于光传播区域115的至少一个横向边处的至少一个横向开口114,其位于衬底和反射器之间,由LED 101发射的并在光传播区域115中传播的光可以通过该开口离开器件100。
发光二极管101布置在衬底102上。来自LED 101的光通常具有相当大的角展度,诸如以半球模式或较低展度发射,并且通常具有与衬底表面垂直的光发射主方向,也就是所谓的顶部发射LED。然而,其他类型的LED也可以用在本发明的器件中。
如本申请中所使用的,此处缩写为“LED”的术语“发光二极管”是指本领域技术人员公知的任何类型的发光二极管或者激光发射二极管,包括但不限于基于无机的LED、基于有机小分子的LED(smOLED)和基于聚合物的LED(polyLED)。另外,还可以使用光子带隙LED,其以较窄的且可调的光锥发射光。适合用于本发明的LED所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,蓝光发射LED用在本发明的器件中。
衬底102是LED 101的支撑,其可以是多层结构。通常,衬底102包括对LED发射的光进行反射的层。反射层可以是LED 101的反射底板,其组合了电极功能和反射功能,或者可以是单独的层。反射层通常包括金属,诸如银或铝。根据本发明的一般性范围,反射器103反射并散射入射到反射器上的光,基本上不考虑光在反射器上的入射角。
LED 101所发射的光在发射时至少具有指向反射器103的光分量,并且在碰到反射器后,光被反射回到光传播区域中,然而,在此反射被散射之后(即,具有相当大的角展度),光传播与入射光方向产生较大偏离。通常,在反射器103中反射之后的角展度接近于半球展度。归因于此大展度,光有很好的机会最终通过横向开口114离开该器件。散射重新分配也可以出现在波引导层中,例如,通过在其中具有某些散射微粒或气孔。
反射器中的反射程度通常在R>约90%的范围内,诸如R>约95%。
因此,光穿过反射器顶部表面进行的透射非常少,通常低于10%。
图1实施方式中的反射器103将在下文更详细描述。
LED 101向衬底102和反射器103之间的区域发射光。此区域在此标记为光传播区域115。此光传播区域115的目的在于将来自LED101的光引导至横向开口114。在此光传播区域中,光在反射表面之间来回反射,并且最终通过横向开口114离开器件。
优选地,光传播区域对于器件的LED所发射的波长的光而言是基本上透明的,诸如,不会吸收大量的光。
光传播区域115可以是空的,填充有任何气体(诸如,例如空气),或者备选地是真空的,或者可以有液体、凝胶或固态材料。适于在固体光传播区域115中使用的固态材料示例包括但不限于固态无机材料(诸如铝、玻璃、熔融石英、蓝宝石和YAG)、硅酮、含氟聚合物、聚烯烃或者其他聚合物。固体光传播区域115可以进一步包括附加量的散射材料以在该区域中获得均匀的光分布。在本发明的实施方式中,固体光传播区域115可以包括但不必须包括波长转换材料107,其布置(诸如分布)在光传播区域115中,或者可以由波长转换材料形成。因此,从光传播区域115离开的大部分光将经过波长转换材料107。
波长转换材料107是这样的材料,在吸收一定波长或波长范围的光之后,其会发射出不同的、经过转换的波长或波长范围的光。通常,转换的波长朝着更长的波长偏移。传统上,这种材料通常是荧光的和/或发磷光的。对于本领域技术人员而言,很多这种波长转换材料是公知的,并且一种常用的化合物组称为“荧光粉”。
波长转换材料例如可以是陶瓷、固态材料或者嵌入到粘结材料(诸如载体聚合物)中。波长转换材料可以直接部署在LED表面上,或者利用粘合层而键合到LED表面。
波长转换材料107与LED 101匹配,使得其吸收LED发射的光的至少一部分。因此,波长转换材料的选择取决于LED的选择。例如,波长转换材料可以将蓝光部分地转换为绿/黄光,其混合成白光。然而,也可以使用其他波长转换材料,例如将蓝光全部转换为绿光、黄光或者红光,或者将UV光转换为可见光。
现在进一步详细讨论在图1中示意性示出的反射器103。
在操作中,LED 101散发热量,并且因此反射器也要受热。因此,反射器103必须在扩展的时段内经受住升高的温度,并保持光学性质。此外,在LED 101发射UV或蓝光时,反射器必须在扩展的时段内经受住UV或蓝光曝光,并保持光学性质。
散射反射器103包括分布有光散射成分110的载体材料。
散射是通过在一个相和周围相之间存在折射率差异而实现的,其中为了使散射有效,分散相的大小约为光的波长。这种系统例如可以是载体中的低折射率气孔或高折射率分散微粒。
在此实施方式中,反射器103包括具有硅酸盐网状结构和可选的硅酸盐微粒的载体108,并且散射微粒110分散在其中。散射微粒110通常由如金属氧化物的材料制成,其折射率超过载体的折射率。
硅酸盐网状结构的优势在于其是热稳定的和光稳定的。因此,硅酸盐网状结构适于用作本发明散射反射器的载体材料。
用于本发明的散射反射器的典型混合物包括酸化水中的烷基烷氧矽烷(例如,甲基三甲氧基硅烷(MTMS))和/或烷氧矽烷的预水解溶胶。烷氧矽烷的示例包括四甲氧基硅烷或四乙氧基硅烷。烷基烷氧矽烷的示例包括甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、甲基三乙氧基硅烷(MTES)或苯基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷或二甲氧基二甲基硅烷。可选地,二氧化硅纳米颗粒的悬浮液被添加到此溶胶中,以改进机械性质并在固化该层期间减少收缩。随后,向溶胶添加具有高折射率的氧化物微粒(具有亚微粒范围的微粒大小分布)。得到的悬浮液是稳定的,并且如果存储在冷却器中的话,至少可以使用2个月。在室温下,悬浮液反应较慢,其中水解烷氧矽烷或烷基单机物起反应以形成刚性无机网状结构。在去除溶剂(通常是水或水/酒精混合物)时,反应在涂覆过程期间加速。在涂覆之后,该层进行热固化以加速网状结构的形成。在将烷氧矽烷用作载体材料时,形成具有混合有散射颜料和可选的纳米微粒的硅酸盐网状结构。在使用烷基烷氧矽烷时,形成烷基硅酸盐网状结构,诸如,在使用甲基三甲氧基硅烷时,形成硅酸甲酯网状结构。
另一种类型的混合物使用已经预聚合的商业化的硅烷前体(例如,Silres-Wacker化学),其容易溶解在有机溶剂中,并且通过添加具有高折射率的亚微粒微粒大小范围中的氧化物微粒来获得稳定的悬浮液。
另一类型的载体/粘合材料包括硅氧烷,诸如,硅酮材料。可以添加溶剂以减少粘性,但是也可以使用不能溶解的硅氧烷。向硅氧烷或不能溶解的硅氧烷添加散射微粒,以获得可涂覆分散。
散射微粒的示例包括金属氧化物的微粒,诸如TiO2金红石(n=2.7),TiO2锐钛矿(n=2.4),ZrO2(n=2.1),Ta2O5(n=2.2),Nb2O5(n=2.2),SnO2(n=1.89),Al2O3(n=1.76),或者其他无机材料,诸如例如ZnS(n=2.3)。在相同体积含量的氧化物处获得相同反射率值所需的层厚度在类似的微粒大小分布时会随着折射率的值的增大而减小。通常,为了获得适当的光学性质,散射微粒的平均微粒大小低于约1μm,但是超过50nm。
通常,散射微粒构成所述反射器体积的10-70%。
另一种类型的散射反射器利用陶瓷材料作为载体。通常,陶瓷载体包含气孔大小约为光波长量级的气孔。气孔的浓度通常在10-70体积百分比。陶瓷粘合材料通常包括钇铝石榴石(YAG)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrO2)或二氧化钛(TiO2),但是如本领域技术人员公知的,也可以使用其他陶瓷材料。气孔通常包括充满空气的空间。陶瓷材料通常是从粉末处理而来的,这些粉末和聚合粘合剂一起按压在平坦的衬底上。在此过程中,固有地引入了气穴。衬底也可以使用本领域技术人员公知的注浆成型或流延成型技术来制作。衬底在升高的温度处被烧结以去除粘合剂并获得致密的粘性层。剩余气穴的大小和数量由烧结时间、温度和烧结气体来控制。这些陶瓷反射器通常利用粘合剂键合到光传播层106。陶瓷多孔反射器是高度光热稳定的,因为其包括在远高于LED操作温度(其通常在150-200℃)的温度下进行了处理的无机材料溶液。
LED所发射光的大部分将会因散射而反射回光传播区域115中,但是光的一小部分也会在基本上未散射或者虽然散射但仍然具有前进方向的情况下通过反射器103。
在第一备选中,通过散射反射器103的此残余光将被阻挡。这例如可以通过在散射反射器103上布置基本上不透明的顶部反射器109来实现。遇到顶部反射器109的光将被反射回散射反射器103中,并且最终回到光传播区域115以朝着横向出口114传输。光因此具有两次散射机会,增加了散射效率。因此,散射反射器的厚度或者散射微粒的浓度可以减小,同时仍能结合顶部反射器而获得期望的散射和重新分布效果。
顶部反射器通常可以是金属层,诸如银或铝,或者可以是分色镜。与厚度在从10-100μm的范围内,诸如30-50μm的散射反射器相比,金属层反射器通常很薄,约100-500nm。分色镜通常具有非常高反射率的角范围,诸如99%,但是可能具有角度依赖性,在偏离很大的角度处表现出减小的反射率。反射率还可能依赖于光谱。
顶部反射器通常是用于最小化反射损失的镜面反射器,但是在有些应用中,其可以是漫反射器,诸如,类似于散射反射器的漫反射器。
当顶部反射器是漫反射器时,顶部反射器可以是使用具有比散射反射器更高散射功率的颜料的散射反射器。从光转换层107入射的光继而被散射反射器所散射,并且部分被反射回以及部分被传输至顶部反射器。优势在于这样的事实,即,与具有非常高散射功率的金红石相比,具有较低散射功率的颜料(诸如,锐钛矿)在较低波长处具有吸收带。因此,锐钛矿基本上不吸收波长高于400nm的光,但是金红石的吸收边沿导致低于425nm的吸收损失。蓝色LED可以包含在400-425nm之间的光发射,其将部分被含有金红石的反射器所吸收。含有锐钛矿的反射器因此将反射400-425nm之间的大部分光,而不会有吸收损失,而含有金红石颜料的顶部反射器在超过425nm的波长处表现出了较高的反射率。类似地,如果LED发射UV光,则散射反射器可以包含在近UV处不吸收UV的氧化铝或氧化锆颜料,结合更高散射功率的金红石颜料或锐钛矿颜料,以增加对经波长转换层转换的可见光波长的反射率。
在第二备选中,残余光可以用于对发光二极管的顶表面进行照明。在有些应用中,容易从上面检测到发光二极管的位置可能是有益的。其还可以使得二极管的外观更令人愉快。
可以向反射器或其顶部添加少量颜料。颜料优选的是取决于所希望颜色的典型无机颜料(诸如但不限于Cr2O3、CoAl2O4等),或者可以是夜光颜料。颜料通常混合在粘合剂中,诸如上述硅酮或硅烷网状结构。
可以向反射器制剂添加颜料,或者颜料可以涂敷在散射反射器顶部以作为涂层,可选地配制在散射涂层制剂中。
侧发射器LED的有色外观对于将LED的外观调整到在其中使用该LED的设备的设计和应用中是极具吸引力的。对于闪光LED(诸如用在移动电话中)尤其如此。结合LED周围的反射器(诸如抛物面反射器)的侧发射器LED可以用作闪光灯。然而,在此应用中能看到反射器的顶表面。因此,希望有色的、光热稳定的表面涂层以匹配设备的设计。由于有色涂层基本上可以利用反射器涂层来阻挡直接的LED光(仅少量的光通过散射反射器的顶表面泄露),所以其不会干扰侧发射器的操作。
另一方面,残余的或精心设计的光通过散射反射器泄露,该光与顶部的有色或夜光颜料的交互可以向从侧面发射的光添加有色光。在应用中,此光可以混合,以便调整照明的整体颜色。
本领域技术人员可以意识到,本发明并不限于上述优选实施方式。相反,在所附权利要求的范围内可以有很多修改和变体。例如,在附图中,衬底和反射器被示出为具有相同的封装尺寸。然而,衬底和反射器中一个的封装也可以大于另一个的封装。
此外,在本发明的侧发射器件中,光通过其离开器件的横向开口114不是必须沿着器件的整个周围。
在本发明有些实施方式中,光传播区域的横向边沿部分可以被覆盖,使得没有光可以从该方向离开器件。例如,在方形器件中,该方形的一个或多个侧面上的横向边可以被覆盖,使得光仅通过未覆盖的侧面泄露。优选地,覆盖的侧面覆盖有反射涂层113,使得碰到覆盖侧面的至少一些光被反射回到光传播区域中。更优选地,反射涂层与散射反射器103使用的材料相同。总之,提供了包括至少一个发光二极管的侧发射发光器件,该发光二极管布置在衬底上,并面向距该衬底一定距离部署的且沿该衬底的外延延伸的散射反射器。散射反射器包括分布在载体中的散射成分,并且散射成分的折射率不同于载体的折射率。
反射器的散射动作在器件中产生角度重新分布,这增大了光通过反射器和衬底之间的横向开口离开器件的机会,同时基本上避免了光从顶表面发射。本发明的发光器件例如可以在LED照明领域中使用,例如用于显示设备中的背光应用;光引导应用,包括平板光引导发光体;LED准直仪配置,诸如可以用于自动前车灯或一般的LED聚光灯。然而,使用的区域并不限于上述。

Claims (12)

1.一种侧发射发光器件(100),包括至少一个发光二极管(101),该发光二极管(101)布置在衬底(102)上,并面向距所述衬底一定距离部署的且沿所述衬底的外延延伸的散射反射器(103),
其中所述散射反射器(103)包括分布在载体(108)中的散射成分(110),所述散射成分(110)的折射率不同于所述载体(108)的折射率;
其中所述散射成分(110)包括折射率小于所述载体(108)的折射率的气孔。
2.如权利要求1的发光器件,其中所述散射成分(110)构成所述反射器的体积的10-70%。
3.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述载体(108)包括含硅的网状结构。
4.如权利要求3的发光器件,其中所述含硅的网状结构选择自硅酸盐网状结构或聚硅氧烷网状结构。
5.如权利要求1或2的发光器件,其中所述载体(108)包括陶瓷材料。
6.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述散射反射器(103)的反射率高于90%。
7.如前述权利要求中任一的发光器件,其中顶部反射器(109)布置在所述散射反射器(103)之上。
8.如前述权利要求中任一的发光器件,其中固态透射材料(106)布置在所述衬底(102)和所述散射反射器(103)之间。
9.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述固态透射材料(106)包括波长转换材料。
10.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述散射反射器(103)包括颜料。
11.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述散射反射器(103)与所述衬底(102)平行布置。
12.如前述权利要求中任一的发光器件,其中所述固态透射材料(106)的横向边的部分涂覆有反射涂层(113)。
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