CN102347323B - 可调控色温组件及产生具有不同色温的白光的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种可调控色温组件，其包括一第一发光二极管芯片组、一第二发光二极管芯片组及一波长转换层。第一发光二极管芯片组包括至少一第一蓝光二极管芯片，放射出一具有一第一放射波长的第一光线。第二发光二极管芯片组包括至少一第二蓝光发光二极管芯片，放射出一具有一第二放射波长的第二光线，其中第二放射波长不同于第一放射波长，而波长转换层配置于至少部份第一发光二极管芯片组及部份第二发光二极管芯片组之上。其中，第一发光二极管芯片组和第二发光二极管芯片组分别通过一第一驱动电流和一第二驱动电流驱动。本发明的可调控色温组件在不明显改变输入功率的情况下调整色温，且所得白光亮度无明显变化，可广泛应用于照明等领域。
Description
技术领域
本发明是有关于一种可调控色温组件，且特别是有关于一种包括发光二极管芯片的可调控色温组件及产生具有不同色温的白光的方法。
背景技术
由于它们的长寿命，小体积，高抗冲击和震动，低热量产生，并且低功率消耗，发光二极管已经广泛应用于显示或者在各种消费电子设备、电器、仪器中作为光源。例如，近来多色和高亮度发光二极管也已经应用于户外大尺寸显示器和交通灯。在未来，发光二极管以其节能和环保的优点，可能成为主要的照明光源。
使用发光二极管作为光源的一个优点是它可以被设计产生具有不同相关色温(或者简称色温)的白光。一种常规的可调控色温组件是一个白光发光二极管，包括蓝光发光二极管芯片和黄光发光二极管芯片，当被驱动电流驱动时，分别放射蓝光和黄光。为了改变这样组件的色温，可以改变蓝光和黄光发光二极管芯片驱动电流的比例，来改变蓝光和黄光强度的比例。然而，由于蓝光发光二极管芯片和黄光发光二极管芯片的发光效率不同，改变驱动电流来改变蓝光和黄光的比例可能导致浪费功率。组件的亮度也可能变化明显。除此以外，在这样的组件中，具有不同波长的光(也就是具有不同颜色的光，如蓝光和黄光)放射自两个空间彼此分离设置的发光二极管芯片，由此产生的白光可能空间不均匀，特别是在接近白光发光二极管位置观察时。因此，可能需要额外的组件最小化这样的空间不均匀，以实现更均匀的白光。
一种广泛接受的实现白光发光二极管的方法是使用蓝光发光二极管芯片和黄色荧光材料的组合。黄色荧光材料将吸收一部份蓝光发光二极管芯片放射的蓝光，然后转换放射黄光。没被吸收的蓝光和黄光混合产生白光。在这样的白光发光二极管中实现色温调节的一种方法是增加红光或者黄光发光二极管芯片。通过改变蓝光发光二极管芯片与红光或者黄光发光二极管芯片的驱动电流比例，由此产生的白光色温可以调节。然而，由于蓝光发光二极管芯片与黄光发光二极管芯片空间彼此分离设置，由此产生的白光可能空间不均匀，因此需要额外增加组件来修正这种不均匀。
发明内容
因此，需要一种可调控色温组件，放射更均匀的具有不同色温的白光，并且以更高功率效率的方式工作。
本发明提供一种可调控色温组件，其输出白光色温可调而不明显影响组件的输入功率和输出白光的亮度。
本发明提供一种可调控色温组件，其包括一第一发光二极管芯片组、一第二发光二极管芯片组及一波长转换层。第一发光二极管芯片组包括至少一第一蓝光二极管芯片，放射出一具有一第一放射波长的第一光线。第二发光二极管芯片组包括至少一第二蓝光发光二极管芯片，放射出一具有一第二放射波长的第二光线，其中第二放射波长不同于第一放射波长，而波长转换层是配置于至少部份第一发光二极管芯片组及部份第二发光二极管芯片组之上。其中，第一发光二极管芯片组和第二发光二极管芯片组分别通过一第一驱动电流和一第二驱动电流驱动。
在本发明一实施例中，所述的波长转换层包括一荧光材料，该荧光材料经由该第一光线及该第二光线激发而具有不同的激发效率。
在本发明一实施例中，所述波长转换层为一单层结构。
在本发明一实施例中，所述波长转换层还可包括一多层结构，该多层结构的各层是配置于该至少第一蓝光发光二极管芯片及该至少第二蓝光发光二极管芯片之上。
在本发明一实施例中，所述第一放射波长是选择自450nm到500nm之间，该第二放射波长是选择自370nm到440nm之间，或者该第一放射波长是选择自450nm到470nm之间，该第二放射波长是选择自400nm到440nm之间。
在本发明一实施例中，所述第一发光二极管芯片组包括至少两个该第一蓝光发光二极管芯片，该第二发光二极管芯片组包括至少两个该第二发光二极管芯片。
在本发明一实施例中，所述第一发光二极管芯片组包括至少两个该第一蓝光发光二极管芯片，而该第二发光二极管芯片组包括至少一个该第一蓝光发光二极管芯片和至少一个该第二蓝光发光二极管芯片。
在本发明一实施例中，所述第一和该第二驱动电流分别由一第一电源及一第二电源提供。
本发明另提供一种产生具有不同色温的白光的方法，其包括对一第一蓝光发光二极管芯片组增加一第一驱动电流，以及对一第二蓝光发光二极管芯片组减少一第二驱动电流。第一蓝光发光二极管芯片组包括一第一蓝光发光二极管芯片，第一蓝光发光二极管放射出一具有一第一放射波长的第一光线。第二蓝光发光二极管芯片组包括一第二蓝光发光二极管芯片，第二蓝光发光二极管放射出一具有一第二放射波长的第二光线。其中第二放射波长不同于第一放射波长。
在本发明一实施例中，上述方法包括该第一驱动电流及该第二驱动电流的一总驱动电流保持近乎定值。
本发明特征和优点将在以下描述中阐述，部份从阐述中将显而易见，部份可从本发明的实施中得知。这些特征和优点将靠组件和组合实现并达到，特别是附属权利要求中所指出的组件和组合。
应当理解，前述基本描述和以下详细描述都仅是示范和解释而不是对所述发明的限制。
附图列入并构成说明书的一部份，与文字描述一起说明了本发明的几个实施方式，有助于解释本发明原理。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
附图说明
图1所示为本发明的可调控色温组件一实施方式的剖面示意图。
图2所示为图1中可调控色温组件的示意图。
图3所示为色坐标图，为当改变仅包括一个发光二极管芯片的组件的驱动电流时所得到的色坐标坐标变化图(虚线者或是实线者)，以及当改变本发明的可调控色温组件的驱动电流时所得到的色坐标坐标变化图(四个圆圈限定的区域)。
图4所示为荧光材料在不同激发波长下的光强度示意图。
图5所示为本发明的可调控色温组件另一实施方式的示意图。
图6A和6B所示为图5中的可调控色温组件在一组驱动电流下驱动的放射光谱和所得到的白光在CIE-1931色坐标中的坐标。
图7A和7B所示为图5中的可调控色温组件在另一组驱动电流下驱动的放射光谱和所得白光在CIE-1931色坐标中的坐标。
图8A和8B所示为图5中的可调控色温组件在又一组驱动电流下驱动的放射光谱和所得白光在CIE-1931色坐标中的坐标。
图9A和9B所示为图5中的可调控色温组件在更一组驱动电流下驱动的放射光谱和所得白光在CIE-1931色坐标中的坐标。
图10所示为本发明的可调控色温组件又一实施方式的示意图。
具体实施方式
本发明能放射比现有技术更均匀的可调色温的光。本发明的可调控色温组件在不明显改变输入功率的情况下调整色温。因此，当色温改变时，输出光强度和亮度能保持稳定。
以下，本发明实施方式将结合附图进行描述。尽可能，同样的组件符号在附图中代表同样或者类似的部件。
图1所示为本发明一实施方式的可调控色温组件100剖面示意图。可调控色温组件100包括设置于基材110上的一第一发光二极管芯片102和一第二发光二极管芯片104。导线1022和1024连接第一发光二极管芯片102到一第一电源(未图标)，导线1042和1044连接第二发光二极管芯片104到一第二电源。第一和第二电源提供一第一驱动电流给第一发光二极管芯片102和一第二驱动电流给第二发光二极管芯片104。第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104在驱动电流驱动时可发光。图2示意图在另一视角描绘可调控色温组件100，表明第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104由两个电源分别驱动。
依照本发明，因为第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104分别由第一和第二电源分别驱动，流经第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104的驱动电流可以不同，因此第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104的输出光强度可以独立控制。
第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104，例如是氮化镓基发光二极管芯片能放射不同波长的光，比如蓝光。在一些实施方式中，第一发光二极管芯片102放射出具有一放射波长在450nm到500nm范围内的光，第二发光二极管芯片104放射出具有一放射波长在370nm到440nm范围内的光。在一些实施方式中，第一发光二极管芯片102放射放射出具有一放射波长在450nm到470nm范围内的光。在一些实施方式中，第二发光二极管芯片104放射放射出具有一放射波长在400nm到440nm范围内的光。
可调控色温组件100还包括一波长转换层120覆盖全部或者部份发光二极管芯片102和104。在一些实施方式中，波长转换层120包括一树脂和分布于树脂中的一荧光材料。荧光材料吸收一部份第一发光二极管芯片102及/或第二发光二极管芯片104发出的光，然后转换放射出一不同波长的光。在一些实施方式中，荧光材料可以是YAG:Ce3+，在第一发光二极管芯片102或第二发光二极管芯片104放射的蓝光激发下，放射出黄色的光，而未被吸收的蓝光和荧光材料所放射出的黄光结合则得到对人眼来说是白色的光。
在一些式中，波长转换层120具有一凸或者凹结构的上表面。在一些实施方式中，波长转换层120包括多个垂直的迭层，至少其中一层包括树脂和分布于树脂中的荧光材料，而至少其中另一层仅包括树脂而不含荧光材料，而熟悉本领域的技术人员在阅读这些披露内容时，能够了解其它形状的实施方式。
需注意的是，在包括一个发光二极管芯片和一波长转换层的白光发光二极管中，改变发光二极管芯片的驱动电流会在某种程度上改变所得到的白光色温，如此一来，此白光发光二极管可以放射出具有不同色温的白光。请参考图3，虚线所示为当改变仅有一个发光二极管芯片的驱动电流时，其白光在色坐标上的变化，此发光二极管芯片为配置于一波长转换层下的第一发光二极管芯片102。实线所示当改变仅有一个发光二极管芯片的驱动电流时，其白光在色坐标上的变化，此发光二极管芯片为配置于一波长转换层下的第二发光二极管芯片104。当驱动电流变化时，第一发光二极管芯片102及第二发光二极管芯片104发出的白光亮度会有明显的变化，而本发明的可调控色温组件的实施方式可避免这些问题，如以下详细解释的内容。
在可调控色温组件100中，尽管第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104可能全部或者部份位于同一波长变换层120之下，但是波长转换层120中的荧光材料在不同的激发波下有不同的激发效率。如图4所示，在不同波长的激发光激发下，即使激发光强度相同，荧光材料放射的光的强度不同。
如上所述，在一些实施方式中，第一发光二极管芯片102放射出具有放射波长在450nm到470nm范围内的光，第二发光二极管芯片104放射出具有放射波长在400nm到440nm范围内的光。因此，从图4可以看出，发光二极管芯片104发出的光比发光二极管芯片102发出的光更有效激发波长变换层120中的荧光材料。通过改变第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104驱动电流的比例，可以改变荧光材料放射出的黄光强度和第一发光二极管芯片102及第二发光二极管芯片104的总放射蓝光强度的比例，如此一来，即产生具有不同色温的白光。例如，增加第一发光二极管102芯片驱动电流并减小第二发光二极管芯片104的驱动电流，荧光材料放射的黄光强度减小，因此所得到的白光色温升高。另一方面，通过减少第一发光二极管芯片102驱动电流并增加第二发光二极管芯片104驱动电流，荧光材料放射的黄光强度增加，因而所得到白光色温降低。
从以上的例子可以看出，通过增加一个发光二极管芯片的驱动电流，并减少另外一个发光二极管芯片驱动电流，可以改变两个发光二极管芯片驱动电流的比例。因此，可调控色温组件100的总驱动电流，也就是总输入功率保持不变。
如上所述，对于只有一个发光二极管芯片的组件来说，色温在色坐标的变化只能沿着一条线，如图3中虚线或者实线所示。若采用至少两个由不同电源驱动的发光二极管芯片，如本发明的可调控色温组件可以在色坐标的一个区域内做变化，如图3中四个圆圈限定的区域所示，这为调控色温提供了更大的自由度。同时，本发明的可调控色温组件的总驱动电流也就是总输入功率保持不变，所得到白光亮度也无明显变化。因此，减少了功率的浪费。
此外，第二发光二极管芯片104的峰值波长在400nm到440nm之间。由于人眼对这一范围的光不敏感，因此，尽管可调控色温组件的第一发光二极管芯片102和第二发光二极管芯片104空间上彼此分离，但是对于观察者来说，蓝光仅来自于第一发光二极管芯片102，因此避免了光分布不均匀的问题。
在以上的实施方式描述中，本发明的可调控色温组件包括两个发光二极管芯片，个别控制改变两个发光二极管芯片的驱动电流。在另一些实施方式中，本发明可调控色温组件可能包括多组发光二极管芯片，每组包括至少一个发光二极管芯片。在一些实施方式中，在这些多组发光二极管芯片中，至少其中一组发光二极管芯片中的至少一个发光二极管芯片不同于其它发光二极管芯片。例如，这些多组发光二极管芯片中的至少其中一组中的至少一个发光二极管芯片与同一组中的其它发光二极管芯片不同。另一个实施方式中，这些多组发光二极管芯片至少其中一组的发光二极管芯片彼此相同，但是不同于其它组中的发光二极管芯片。
图5所示为本发明的另一实施方式可调控色温组件200示意图。可调控色温组件200包括设置在一基材(未图示)上的两组发光二极管芯片，并被一包含荧光材料的波长转换层(未图示)覆盖。群组I包括串联的发光二极管芯片202-1和202-2，群组II包括串联的发光二极管芯片204-1和204-2。发光二极管芯片202-1和芯片202-2可以是氮化镓基发光二极管芯片，能够放射出放射波长在450nm到470nm范围的蓝光。发光二极管芯片204-1和芯片204-2可以是氮化镓基发光二极管芯片，能够放射出放射波长在400nm到440nm范围的蓝光。群组I和群组II采用两个电源(未图标)分别驱动。
表一为可调控色温组件200在不同驱动电流组合下，各种参数的测量结果。在表一中，群组I和群组I的驱动电流分别表示为I1和I2，CIE-x和CIE-y是所得白光在CIE-1931色坐标中的色坐标。IV和Pout分别是所得白光的光通量和输出辐射功率。CCT是所得白光相关色温。Pin是输入可调控色温组件的总电功率。LES是可调控色温组件的发光效率，是IV和Pin比值。
表一
从表一中可以看出，减小群组I的驱动电流并增加群组II的驱动电流，也就是减小放射较长放射波长发光二极管芯片的驱动电流并增加放射较短放射波长发光二极管芯片的驱动电流，所得白光色温降低。然而，总光通量和总输入功率基本保持不变。因此，可调控色温组件200可发出色温不同的白光，而不明显影响发出光的亮度和总输入功率。另外，如上所述，尽管发光二极管芯片204-1和204-2放射较短放射波长蓝光并与发光二极管芯片202-1和202-2空间分离，但是因为人眼对大约400nm到大约440nm波长范围的蓝光不敏感，可调控色温组件200放射的白光没有表现出明显的空间不均匀。
图6A，7A，8A和9A所示为可调控色温组件200在不同驱动电流组合下输出光谱示例。对于图6A，7A，8A和9A，群组I的驱动电流分别是300mA，175mA，100mA和50mA，群组II的驱动电流分别是50mA，175mA，250mA和300mA。所得白光的色温分别大约是13000K，大约6700K，大约5200K和大约4500K。图6B，7B，8B和9B所示为所得白光在CIE-1931色坐标中的位置。
图10所示为本发明又一实施方式的可调控色温组件300的示意图。可调控色温组件300包括设置在基材(未图示)上的两组发光二极管芯片，并被一包含荧光材料的波长转换层(未图示)覆盖。群组I包括串联的发光二极管芯片302-1和302-2，群组II包括串联的发光二极管芯片302-3和304-1。发光二极管芯片302-1和芯片302-2和302-3是氮化镓基发光二极管芯片，能够放射出放射波长在450nm到470nm范围的蓝光。发光二极管芯片304-1是氮化镓基发光二极管芯片，能够放射峰值波长在400nm到440nm范围的蓝光。群组I和群组II组采用两个电源(未图标)分别驱动。表二为可调控色温组件300在不同驱动电流组合下，各种参数的测量结果。
表二
从表二中可以看出，减小群组I的驱动电流并增加群组II的驱动电流，也就是减小放射出较长放射波长发光二极管芯片的总的驱动电流并增加放射出较短放射波长发光二极管芯片的驱动电流，所得白光色温降低。然而，总光通量和总输入功率保持近乎不变。因此，可调控色温组件300可发出色温不同的白光，而不明显影响发出光的亮度和总输入功率。另外，如上所述，尽管发光二极管芯片304-1放射出较短放射波长蓝光并与发光二极管芯片302-1，302-2和302-3空间分离，但是可调控色温组件300放射的白光没有表现出明显的空间不均匀。
与本发明相符，波长转换层是用于转换发光二极管芯片所发出的蓝光，例如，图1所示的单层的波长转换层120是配置于可调控色温组件发光二极管芯片的上方。在一些实施方式中，波长转换层包括多层，每层覆盖于本发明可调控色温组件中至少一发光二极管芯片的至少一部份。例如，波长转换层包括多层，每层覆盖在本发明的可调控色温组件的一个发光二极管芯片的至少一部份。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改与替换，故本发明的保护范围当以所附的权利要求书所界定者为准。
Claims (9)
1.一种可调控色温组件，包括：
一第一发光二极管芯片组，该第一发光二极管芯片组包括至少一第一蓝光二极管芯片，放射出一具有一第一放射波长的第一光线；
一第二发光二极管芯片组，该第二发光二极管芯片组包括至少一第二蓝光发光二极管芯片，放射出一具有一第二放射波长的第二光线，其中第二放射波长不同于第一放射波长；以及
一波长转换层，配置于至少部份该第一发光二极管芯片组及部份该第二发光二极管芯片组之上，该波长转换层包括一荧光材料，该荧光材料经由该第一光线及该第二光线激发而具有不同的激发效率，
其中，该第一发光二极管芯片组和第二发光二极管芯片组分别通过一第一驱动电流和一第二驱动电流驱动，其中该第一驱动电流和该第二驱动电流的比例是可变的，从而调整该可调控色温组件发出的白光的色温。
2.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该波长转换层为一单层结构。
3.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该波长转换层包括一多层结构，该多层结构的各层是配置于该至少第一蓝光发光二极管芯片及该至少第二蓝光发光二极管芯片之上。
4.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该第一放射波长是选择自450nm到500nm之间，该第二放射波长是选择自370nm到440nm之间，或者该第一放射波长是选择自450nm到470nm之间，该第二放射波长是选择自400nm到440nm之间。
5.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该第一发光二极管芯片组包括至少两个该第一蓝光发光二极管芯片，该第二发光二极管芯片组包括至少两个该第二蓝光发光二极管芯片。
6.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该第一发光二极管芯片组包括至少两个该第一蓝光发光二极管芯片，而该第二发光二极管芯片组包括至少一个该第一蓝光发光二极管芯片和至少一个该第二蓝光发光二极管芯片。
7.如权利要求1所述的可调控色温组件，其中该第一和该第二驱动电流分别由一第一电源及一第二电源提供。
8.一种产生具有不同色温的白光的方法，适用于一可调控色温组件，该可调控色温组件包括一第一蓝光发光二极管芯片组、一第二蓝光发光二极管芯片组和一波长转换层，该波长转换层配置于至少部份该第一发光二极管芯片组及部份该第二发光二极管芯片组之上，该方法包括：
对一第一蓝光发光二极管芯片组增加一第一驱动电流，该第一蓝光发光二极管芯片组包括一第一蓝光发光二极管芯片，该第一蓝光发光二极管芯片放射出一具有一第一放射波长的第一光线；以及
对一第二蓝光发光二极管芯片组减少一第二驱动电流，该第二蓝光发光二极管芯片组包括一第二蓝光发光二极管芯片，该第二蓝光发光二极管芯片放射出一具有一第二放射波长的第二光线，其中该第二放射波长不同于该第一放射波长，
其中该波长转换层包括一荧光材料，该荧光材料经由该第一光线及该第二光线激发而具有不同的激发效率，
其中，通过增加该第一驱动电流和减少该第二驱动电流，调整该可调控色温组件发出的白光的色温。
9.如权利要求8所述的方法，其中包括该第一驱动电流及该第二驱动电流的一总驱动电流保持近乎定值。
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