CN102239578B - Led组件 - Google Patents
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Abstract
一种发光二极管（LED）组件包括LED芯片（10）、荧光层（12）和过滤层（14），其中所述过滤层（14）以这样一种方式进行研制，以致从LED芯片（10）发射出的具有大约400nm到500nm、优选地大约420nm到490nm波长的光线取决于其相对于过滤层（14）上的法线的发射角而至少部分地被反射。利用发明的LED组件，有可能提供解决黄色环问题的LED组件而没有LED组件的效率的降低。
Description
技术领域
本发明涉及发光二极管（LED）组件（assembly）的领域。特别地，本发明涉及增强发射荧光（粉）转换LED光组件（pcLED）。这样的组件经常用于提供白光。
背景技术
白光发光LED一般包括与荧光（粉）层相结合的蓝色发光LED，其中荧光层被LED的蓝色发光激励而发射出黄光，黄色与蓝色发光的组合提供白光。对于与LED芯片的表面垂直或与荧光层的表面垂直、具有0°发射角的法线方向，由蓝色发光LED发射的光线在荧光层中的路径长度等于荧光层的厚度。为了增大发射角，用于蓝色光线的路径长度增大。因此，被荧光层吸收的蓝色光线中的小部分对于具有0°发射角的光线比对于具有递增发射角的光线要低。因为由荧光层发射的经转换的光在角分布上总是具有Lambertian（朗伯），所以对于具有大约0°发射角的正常发射来说，由LED发射的白光具有较高的相关色温。通常，荧光层是Y3Al5O12:Ce3+（YAG:Ce）。在这样的YAG:Ce的情况下，荧光层发射的光随着递增发射角而变成淡黄色，这被感知为黄色环。为了解决黄色环问题，增加荧光层的散射功率和/或在荧光层之上添加散射层是已知的。对于这二者来说，黄色环问题的减小导致LED效率的降低，这是因为散射伴随着导致光损失的光反射。特别地，向下变换的荧光（粉）发光的散射导致具有伴随的反射损耗的反射。
发明内容
本发明的目的是提供一种发光二极管（LED）组件，其解决上述的黄色环问题而没有LED组件的效率的降低。
根据本发明的发光二极管（LED）组件包括LED芯片、荧光层和过滤层，其中所述过滤层以这样一种方式进行研制，以致从LED芯片发射出的具有大约400nm到500nm、优选地大约420nm到490nm波长的光线取决于其相对于过滤层上的法线的发射角而至少部分地被反射。
LED芯片优选地是蓝色发光LED。荧光层优选地是Y3Al5O12:Ce3+（YAG:Ce）。过滤层优选地是介质过滤层。对于与该过滤器（层）的法线形成的大发射角、优选地在30°到90°之间的发射角而言，这个过滤层对由LED芯片发射出的光线实现全透射（传输），而与这些光线在可见范围内的波长无关。对于相对于过滤层上的法线形成的较小发射角、优选地在0°到30°之间的发射角，提供具有大约400nm到500nm波长的光线的部分反射。具有大约400nm到500nm波长的光线是由LED芯片发射出的蓝色光线。由LED芯片发射出的蓝色光线取决于其相对于过滤层上的法线的发射角的部分反射在角发射上实现均匀性而没有LED发射的光的效率的损失。过滤层上的法线沿着与过滤层的平坦表面垂直的轴。
对于由LED芯片发射出的均匀白光来说，从LED芯片中直接发射出的光和来自荧光层的转换光的发射强度比在所有角度下必须是恒定的。通常，由LED发射出的光在相对于过滤层上的法线形成的小发射角、优选地大约0°到30°的发射角的区域中提供棍棒形的形式。但是，由LED芯片发射出的黄光在大约0°到90°的整个发射角度上通常提供球形的形式。因而，特别地在优选地在30°到90°之间的较大发射角上，具有其中蓝光与黄光之比减少的区域。在这些角度下的发射引起黄色环问题。通过对于大约0°到30°的小发射角反射一定量的蓝光，有可能将蓝光的棍棒形的形式变换成球形的形式，使得蓝光和黄光在从0°到90°的整个发射角上具有相同的比率。因此，获得黄光与蓝光在整个发射角上的叠加，以致由LED组件在整个发射角上发射出均匀的白光而没有黄色环问题。
优选地，过滤层利用相对于过滤层上的法线形成的大约0°到30°、优选地大约0°到20°的发射角来反射光线。所反射的光线是LED芯片发射的光中的蓝色光线，其具有大约400nm到500nm、优选地大约420nm到490nm的波长。
在本发明的优选实施例中，由LED芯片发射出的大约10%到50%、优选地大约15%到30%的光线取决于其发射角而被过滤层反射。所反射的光线是LED芯片发射的光中的蓝色光线，其具有大约400nm到500nm、优选地大约420nm到490nm的波长。因而，由LED利用相对于过滤层上的法线的大约0°到40°、优选地大约0°到30°的发射角发射出的蓝色光线中大约10%到50%、优选地15%到40%的蓝色光线被反射。由LED利用大约0°到40°、优选地大约0°到30°的发射角发射出的其余蓝色光线通过该过滤层而没有反射。
过滤层优选地包括交替的低和高折射率材料的介电层涂料（涂层）。这些交替的低和高折射率材料可以利用能够实现由LED芯片发射出的蓝光的良好定向反射的方式来选择。
利用在1.6到3范围内的高折射率材料的折射率以及利用在1.2到1.8范围内的低折射率材料的折射率，介质涂层的材料优选地对于在400nm与800nm之间的波长而言是透明的。对于大于480nm的波长来说，折射率材料的吸收系数小于0.00001，而对于大于400nm的波长来说，折射率材料的吸收系数小于0.003。Nb2O5（氧化铌）优选地被用作高折射率材料，而SiO2（氧化硅）优选地被用作低折射率材料。
优选地，该过滤层包括九层的高折射率材料和九层的低折射率材料。这些层利用与化学气相淀积或溅射法相似的薄膜沉积技术来施加。
根据本发明的优选实施例，过滤层被安排在LED芯片与荧光层之间。因而，过滤层位于LED芯片之上，并且荧光层位于过滤层之上。
由于本发明的另一个实施例，荧光层被安排在LED芯片之上，并且过滤层被安排在荧光层之上。
此外，根据本发明的进一步实施例，有可能提供具有第一荧光层和第二荧光层的LED组件，其中过滤层被安排在第一荧光层与第二荧光层之间。优选地，第一荧光层位于LED芯片之上。
荧光层可以包括Lumiramic板和/或嵌入到透明基体材料中的荧光粉。该Lumiramic板是掺Ce（III）钇钆石榴石（Ce (III) doped yttrium gadolinium garnet）（Y，GdAG:Ce）的多晶陶瓷板。将这样的Lumiramic板和蓝光发光LED芯片组合以便在5000K相关色温的范围中产生白光是非常有利的。Lumiramic陶瓷颜色转换器板的散射和光提取装置能够产生可靠的且有效的白色pcLED。在最终的LED组件之前Lumiramic板的光学性能的测量允许利用LED的希望的白色点的精确定位来进行取放包装（pick and place packaging）。
优选地，LED组件可以提供起着过滤层的基底作用的透明玻璃板。因而，过滤层不必直接地施加于LED芯片或荧光层上。该过滤层能够容易地施加于透明玻璃板，并且在玻璃板上施加过滤层之后，它被安排成LED组件。
根据本发明的优选实施例，过滤层具有750nm到950nm、优选地大约800nm到900nm的总厚度。
进一步，根据本发明的实施例，荧光层具有大约80μm到150μm、优选地大约100μm到130μm的厚度。
此外，高折射率材料的层的厚度优选地从5nm变化到大约70nm，而低折射率材料的层的厚度优选地从大约20nm变化到大约300nm。
附图说明
本发明的这些和其他方面从下述的实施例中将是清楚的，并且本发明的这些和其他方面将参考下述的实施例来阐述。
在附图中：
图1是根据本发明的发光二极管组件的第一实施例的示意图；
图2是显示取决于由LED芯片发射出的光的发射角和波长的本发明的过滤层的透射率的图表；
图3是显示色坐标与白色LED组件的均匀色空间（CIE 1976）中在正常发射中的色坐标之间的几何距离的图表；
图4是根据本发明的发光二极管组件的第二实施例的示意图；和
图5是根据本发明的发光二极管组件的第三实施例的示意图。
具体实施方式
图1显示根据本发明的发光二极管（LED）组件的第一实施例，其具有LED芯片10、荧光层12和过滤层14。LED芯片10、荧光层12和过滤层14优选地被半圆形状的外壳16覆盖，其中该外壳能够具有施加于其内壁的反射涂层。发射具有大约400nm到500nm波长的蓝光的LED芯片10位于LED组件的底部18。在LED芯片10之上，放置荧光层12。荧光层12发射具有大约570nm到590nm波长的黄光。荧光层12可以包括Lumiramic板和/或嵌入到透明基体材料中的荧光粉。荧光层12的厚度为大约100μm到120μm。在荧光层12之上，放置过滤层14。过滤层12包括交替的低和高折射率材料如同Nb2O5和SiO2的介电层涂料。
图2显示取决于由LED芯片10发射的光的发射角和波长的本发明的过滤层14的透射率的图表。在这个图表中显示的过滤层14具有在下表1中所示的层结构：
| 层 | 材料 | 厚度[nm] |
| 1 | Nb2O5 | 15.04 |
| 2 | SiO2 | 40.81 |
| 3 | Nb2O5 | 19.95 |
| 4 | SiO2 | 62.79 |
| 5 | Nb2O5 | 11.03 |
| 6 | SiO2 | 554.43 |
| 7 | Nb2O5 | 1.32 |
| 8 | SiO2 | 101.21 |
| 9 | Nb2O5 | 13.57 |
| 10 | SiO2 | 76.41 |
| 11 | Nb2O5 | 19.62 |
| 12 | SiO2 | 58.04 |
| 13 | Nb2O5 | 15.14 |
| 14 | SiO2 | 72.37 |
| 15 | Nb2O5 | 15.13 |
| 16 | SiO2 | 97.54 |
| 17 | Nb2O5 | 12.78 |
| 18 | SiO2 | 90.31 |
| 19 | Nb2O5 | 7.44 |
| 20 | SiO2 | 66.31 |
| 21 | Nb2O5 | 3.68 |
表1。
在该图表中显示的不同线条是不同的发射角0°、26°、40°和77°。如能够看到的，对于如同40°和77°的大发射角而言，与其波长无关的光线能通过过滤层14而没有任何的反射或吸收。在这个发射角上，所发射的光线、尤其蓝色发射的光线的透射为大约100%。对于如同0°和26°的小发射角而言，具有400nm到500nm波长的蓝色光线并不能完全地通过过滤层。在这个发射角上，所发射的光线的透射为大约80%。大约20%的蓝色光线被过滤层14反射。具有大约520nm到650nm波长的荧光层12的黄色光线完全能够通过过滤层而与发射角无关。因而，过滤层14仅反射一些蓝色发射光线。由LED芯片10发射的蓝色光线取决于其相对于过滤层14上的法线的发射角的部分反射在角发射上实现均匀性而没有由LED芯片10发射的光的效率的损耗，这是因为在过滤层上反射的蓝光被荧光层吸收并被转换到荧光体发射（phosphor emission）。
过滤层14也能够具有在下表2中所示的层结构：
| 层 | 材料 | 厚度[nm] |
| 1 | Nb2O5 | 25.85 |
| 2 | SiO2 | 33.7 |
| 3 | Nb2O5 | 29.11 |
| 4 | SiO2 | 36.26 |
| 5 | Nb2O5 | 11.19 |
| 6 | SiO2 | 35.9 |
| 7 | Nb2O5 | 11.91 |
| 8 | SiO2 | 95.52 |
| 9 | Nb2O5 | 14.5 |
| 10 | SiO2 | 114.43 |
| 11 | Nb2O5 | 22.39 |
| 12 | SiO2 | 50.5 |
| 13 | Nb2O5 | 32.33 |
| 14 | SiO2 | 27.98 |
| 15 | Nb2O5 | 31.87 |
| 16 | SiO2 | 68.13 |
| 17 | Nb2O5 | 12.63 |
| 18 | SiO2 | 203.49 |
表2。
图3显示取决于所发射光线的发射角、没有（实线）本发明的过滤层和具有（虚线）本发明的过滤层的白色LED组件的均匀色空间（CIE 1976）中在正常发射中的色坐标之间的几何距离。如在该图表中能够看出的，利用本发明的过滤层14，有可能获得LED组件发射的光线的几乎恒定的色彩而与这些光线的发射角无关。
图4显示根据本发明的发光二极管组件的第二实施例的示意图。在这个实施例中，过滤层14被安排在LED芯片10与荧光层12之间。
图5显示根据本发明的发光二极管组件的第三实施例的示意图，但是该LED组件包括第一荧光层12和第二荧光层20。过滤层14被安排在第一荧光层12与第二荧光层20之间，而第一荧光层12位于LED芯片10之上。
虽然在附图和以上描述中已详细阐明和描述了本发明，但是这样的阐述和描述将被视为是说明性的或示范性的而不是限制性的，本发明并不限于所公开的实施例。
通过研究附图、公开内容和所附的权利要求书，本领域技术人员在实践所请求保护的发明中能够理解和实施对所公开实施例的其他变体。在权利要求书中，词“包括”并不排除其他的元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。某些措施在互不相同的从属权利要求中进行叙述的纯粹事实并不表明不能有利地使用这些措施的组合。权利要求书中的任何参考符号不应被理解为限制范围。
Claims (16)
1.一种LED组件，包括：
LED芯片（10）；
荧光层（12）；和
过滤层（14），其中所述过滤层（14）以这样一种方式进行安排，以致利用相对于该过滤器的法线的低于预定义角度的发射角从LED芯片（10）发射出的具有400nm到500nm波长的光线至少部分地被反射，而利用相对于该过滤层（14）上的法线的高于预定义角度的发射角从LED芯片发射出的具有400nm到500nm波长的光线被透射；
其中所述过滤层（14）包括交替的低和高折射率材料的介电层涂料；所述过滤层（14）具有750nm到950nm的总厚度；所述高折射率材料的所述层的厚度从5nm变化到70nm，而低折射率材料的所述层的厚度从20nm变化到300nm。
2.根据权利要求1的LED组件，其中从LED芯片发射出的光线具有420nm到490nm的波长。
3.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述过滤层（14）部分地反射具有相对于过滤层（14）上的法线为0°到30°的发射角的所述光线。
4.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述过滤层（14）部分地反射具有相对于过滤层（14）上的法线的0°到20°的发射角的所述光线。
5.根据权利要求1或2的LED组件，其中由LED芯片（10）发射的所述光线中的10%到50%的光线取决于其相对于过滤器（14）上的法线的发射角而被反射。
6.根据权利要求1或2的LED组件，其中由LED芯片（10）发射的所述光线中的15%到30%的光线取决于其相对于过滤器（14）上的法线的发射角而被反射。
7.根据权利要求1的LED组件，其中利用在1.6到3范围内的所述高折射率材料的折射率以及利用在1.2到1.8范围内的所述低折射率材料的折射率，介电涂层的所述材料对于在400nm到800nm之间的波长是透明的。
8.根据权利要求1的LED组件，其中提供九层的所述高折射率材料和九层的所述低折射率材料。
9.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述过滤层（14）被安排在所述LED芯片（10）与所述荧光层（12）之间。
10.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述荧光层（12）被安排在所述LED芯片（10）之上，并且所述过滤层（14）被安排在所述荧光层（12）之上。
11.根据权利要求1或2的LED组件，其中该LED组件包括第一荧光层（12）和第二荧光层（20），其中所述过滤层（14）被安排在所述第一荧光层（12）与所述第二荧光层（18）之间。
12.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述荧光层（12）包括陶瓷颜色转换器板和/或嵌入到透明基体材料中的荧光粉。
13.根据权利要求1或2的LED组件，其中提供透明的玻璃板作为所述过滤层（14）的基底。
14.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述过滤层（14）具有800nm到900nm的总厚度。
15.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述荧光层（12）具有80μm到150μm的厚度。
16.根据权利要求1或2的LED组件，其中所述荧光层（12）具有100μm到130μm的厚度。
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