CN102347432A

CN102347432A - 发光装置

Info

Publication number: CN102347432A
Application number: CN2010102419242A
Authority: CN
Inventors: 周明杰; 刘玉刚; 马文波
Original assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Current assignee: Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Science and Technology Co Ltd; Shenzhen Oceans King Lighting Engineering Co Ltd
Priority date: 2010-07-30
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2030-07-30
Also published as: CN102347432B

Abstract

本发明涉及一种发光装置，其包括基座、设于基座上的发光芯片、封装发光芯片的封装结构，封装结构包括连接成一体的反射体和曲面荧光体，该封装结构环绕于所述发光芯片的四周并界定一中空腔体，该发光芯片置于中空腔体内，该反射体用于将发光芯片发出的光反射向曲面荧光体，曲面荧光体的曲率为使得入射到曲面的光入射角度在15度以下，所述曲面荧光体的内表面具有光学薄膜，所述光学薄膜包括采用折射率不相同的第一折射率材料层和第二折射率材料层交替镀膜构成，以允许激发荧光体发光的波长大于220nm、小于780nm的光通过。通过上述结构，该发光装置使光能够充分进入荧光体激发荧光材料发光，极大地提高了器件的光取出效率，从而提高发光装置的总体光效。

Description

发光装置

技术领域

本发明属于半导体光电器件领域，具体涉及一种发光装置。

背景技术

随着科技不断发展，各种半导体光电器件逐渐成为人们日常工作和生活的一部分。例如，各种光源、显示装置、照明装置等都广泛使用半导体光电元件。典型的通过发光芯片作为初始光源，然后通过发光芯片发出的光来激发荧光粉发出所需色彩的光，应用最为广泛的要数发光二极管(LED)。

由于发光二极管(LED)具有寿命长、能耗低、启动快等优异特点，LED作为发光装置已被广泛应用于信号灯、汽车灯、大屏幕显示及照明等领域。目前最常用的白光LED是采用蓝光LED芯片与荧光粉组合来获取白光。典型的白光LED封装工艺是在焊线后，向蓝光芯片上点入荧光粉胶再进行烘烤，点胶通常采用反光杯来阻止点胶溢出。采用这种封装方法可以轻易的获得白光LED，是目前商用白光LED封装厂泛采用的一种方法。然而，这种广泛使用的白光LED封装工艺仍然存在有一系列的问题：胶体中的荧光粉颗粒会对LED芯片发出的蓝光产生后向散射，荧光粉本身的受激辐射会产生大量朝向芯片方向辐射的光，因此，会有相当一部分能量的光在荧光粉胶、芯片和反光杯之间来回弹射，其中大部分都被芯片和封装材料吸收，直接导致LED器件光效的损失。

为了解决上述问题，有人提出可以利用一种光学薄膜，通过该光学薄膜引入到荧光体和LED芯片之间的位置，利用其对LED芯片发出的蓝光的透射性、对荧光粉受激辐射发出的黄光具有高反射性的性质，能够有效地提高荧光粉发出的黄光的利用率，从而提高LED的总体光效。然而这种光学薄膜层也只能对部分入射的蓝光具有较高透射率，整体上对蓝光的利用率不足，从而限制其对LED光效的进一步提高。

发明内容

有鉴于此，提供一种光利用率高、总体发光效率高的发光装置。

一种发光装置，其包括基座、设于基座上的发光芯片、封装所述发光芯片的封装结构，所述封装结构包括连接成一体的反射体和曲面荧光体，所述封装结构环绕于所述发光芯片的四周并界定一中空腔体，所述发光芯片置于所述中空腔体内，所述反射体用于将发光芯片发出的光反射向曲面荧光体，所述曲面荧光体的曲率为使得入射到曲面的光入射角度在15度以下，所述曲面荧光体的内表面具有光学薄膜，所述光学薄膜采用折射率不相同的第一折射率材料层和第二折射率材料层交替镀膜构成，以允许激发荧光体发光的波长大于220nm、小于780nm的光通过。

在所述发光装置中，通过光反射体对光的反射以及利用荧光体的曲面，使发光芯片发出的光线以15度以下角度投射到具有光学薄膜的荧光体上，光学薄膜在小角度入射的情况下对发光芯片发出的光具有很高的透射率，使光能够充分进入荧光体激发荧光材料发光，提高对光的利用率，增强发光效率。而且，光学薄膜包括交替的第一折射率材料层和第二折射率材料层，允许激发荧光体发光的波段的光通过，对背向辐射的荧光具有反射性，使荧光粉体发出的光被有效地传输到外部，极大地提高了装置的光取出效率，从而提高发光装置的总体发光效率。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明第一实施例的发光装置的剖面示意图；

图2是本发明第一实施例的发光装置的俯视示意图；

图3是本发明第二实施例的发光装置的剖面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1和2，显示本发明第一实施例的发光装置10，其包括基座102、设于基座102上的发光芯片101、封装发光芯片101的封装结构107，该封装结构107包括连接成一体的反射体103和曲面荧光体104，封装结构107环绕于发光芯片101的四周并界定一中空腔体110，发光芯片101置于中空腔体110内，反射体103用于将发光芯片101发出的光反射向曲面荧光体104，曲面荧光体104的曲率为使得入射到曲面的光入射角度在15度以下，曲面荧光体104的内表面具有光学薄膜105，光学薄膜105采用折射率不相同第一折射率材料层和第二折射率材料层交替镀膜构成，即，第一镀膜层为第一折射率材料层，第二镀膜层第二折射率材料层，如此依次交替叠加镀膜，两种材料层的层数相同；反之，第一镀膜层为第二折射率材料层，第二镀膜层第一折射率材料层，如此依次交替叠加镀膜，两种材料层的层数相同；本实施例对于第一折射率材料层和第二折射率材料层孰为第一镀膜层的光学镀膜结构不进行界定。采用这种镀膜方式制得的光学薄膜可以允许激发荧光体104发光的波长大于220nm、小于780nm的光通过。其中，优选地，光学薄膜允许激发荧光体104发光的波长大于380nm、小于780nm的可见光波段的光通过。

本实施例的基座102为一圆盘，发光芯片101固定在圆盘形基座102的中心，基座102对发光芯片102、反射体103起支撑作用，还对荧光体104起支撑和固定作用，即荧光体104的一端，如图所示为底端固定于基座102上。本实施例的发光芯片101为蓝光半导体芯片，其发出蓝光，波长大约≤460nm。该蓝光即为上述特定波长的光，能激发荧光体104的荧光材料发出特定颜色的光，例如，当荧光体内的荧光材料为YAG:Ce时，其受蓝光激发发出的是黄光。

本实施例中，曲面荧光体104的曲面为球面，荧光体104本身为一体的球壳形状，荧光体104的内表面是球面形状，光学薄膜105厚度均匀，其内表面也是球面形状，荧光体104的厚度约为10-50μm，例如为30μm，光学薄膜105厚度大约为200nm～2um。如图1所示，发光芯片201可靠近于荧光体104的球面底缘处圆环的圆心设置。

如图1所示，整个曲面荧光体104的形状可以看作是整个球壳体被截去上下两个球冠，其中上部球冠被反射体103所取代，下部球冠被基座所取代，应当理解的是，为描述方便，此处上下左右前后等方位词仅仅是参照图中的位置而言，实际产品的部件名称及作用等并不限于这种图示放置方位及这种方位命名。整个曲面荧光体104的形状也可以看作是一个圆鼓形。在图示的结构中，曲面荧光体104的曲面是绕旋转对称轴旋转构成的对称曲面，为旋转对称的结构，也即为一个回转的曲面，相当于是以一个圆弧(即曲面荧光体104沿对称轴方向的截面形状)绕着对称轴(例如为发光芯片及发射体的中心对称轴)旋转一周而形成的回转曲面，其中，圆弧与对称轴之间的距离可以根据实际需要而设定，因此，曲面并不限为球面形状，还可以是呈扁形或狭长形的鼓面。当然，荧光体104的曲面沿对称轴方向的截面形状还可以为圆弧、椭圆弧、双曲线、抛物线或其任意组合等，例如，不同曲率的圆弧组合，圆弧与椭圆弧的组合以及这些形状的其它组合等等，具体组合还可根据光学原理来进行设计。

在图示的实施例中，曲面荧光体104的顶端与底端分别与反射体103和基座102连接固定，例如通过粘接在一起。基座进一步密封中空腔体110，使得该中空腔体110成为密闭不漏光的腔体，即发光芯片101发出的光线只能通过荧光体，激发其发光，或者部分发光芯片101发出的光线直接透过荧光体104出射，并且该中空腔体110可以是真空密闭的。曲面荧光体104与反射体103及基座102之间紧密封接，接缝处以不会泄漏光为佳。

荧光体104为复合发光结构、混合发光层、发光玻璃、发光玻璃陶瓷或发光透明陶瓷；其中，复合发光结构包括两层玻璃和夹在两层玻璃之间的荧光粉，或者包括玻璃层、胶体以及夹在玻璃与胶体之间的荧光粉，混合发光层包括荧光粉与胶体组成的混合发光材料。发光玻璃可采用Mn²⁺掺杂的硅酸锌体系的玻璃、Tm³⁺掺杂的钠硼硅体系的玻璃，发光玻璃陶瓷可采用Tb³⁺掺杂的石榴石体系的玻璃陶瓷，发光透明陶瓷可采用YAG透明陶瓷。例如，不管采用哪种结构，荧光体104中的玻璃部分可以是但不限于钠硼硅体系的玻璃，荧光粉可采用BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu²⁺、Ba₂SiO₄:Eu²⁺、Gd₂Mo₃O₉:Eu³⁺或YAG:Ce体系，胶体可采用硅胶，并分别采用模压的方法制成所需的曲面面形。

第一折射率材料层和第二折射率材料层具有不同的折射率，相对地说，其中，第一折射率材料层的材质采用折射率为1.1～1.6之间的低折射率材料，第二折射率材料层的材质采用折射率为1.6～3.0之间的高折射率材料。例如，第一折射率材料层的材质可以为低折射率的SiO₂(折射率为1.42～1.55)，或具有上述低折射率的聚合物材料；具有低折射率的聚合物材料可以是折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、折射率为1.533～1.586的聚苯乙烯等。第二折射率材料层的材质可以为高折射率的TiO₂(折射率为2.72)、Ta₂O₅(折射率为2.25)、ZrO₂(折射率为2.15)或具有上述高折射率的聚合物材料；具有高折射率的聚合物材料可以是折射率为1.655的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。该光学薄膜105对波长≤400nm的光具有高透过率，对波长≥400nm的光具有高反射率，经过模压加工使其变成和荧光体104相同的曲面面形，然后将其粘结到荧光体104的内壁。

在一个具体实施例中，发光芯片101发射波长为455nm的蓝光，光学薄膜105由低折射率的SiO₂和高折射率的TiO₂交替镀膜20层构成，该光学薄膜105对波长≤490nm的光具有高透过率，对波长≥490nm的光具有高反射率。这样，波长≤490nm的光，即发光芯片101发出的蓝光能透过光学薄膜105，而≥490nm的光，如黄光等则被反射，从而保证蓝光激发荧光体104荧光粉发光，避免其它光的干扰。

反射体103面向发光芯片101的内表面为绕旋转对称轴旋转构成的对称曲面，即为旋转对称曲面，反射体103的旋转对称轴、曲面荧光体104的曲面旋转对称轴以及发光芯片101的中心纵向对称轴相重合。本实施例中，反射体103构造成为对可见光波段的光波具有高反射率(≥95％的反射率)，反射体103的材质可以是但不限于银或铝等金属块体材料。当然，反射体103可以为任意材料，再通过在任意材料的表面形成一层反射膜也能达到同样的反射效果，例如，反射体103可以是内表面镀有铝膜或银膜的玻璃板。在一些实施例中，反射体103还可以具有在可见光波段具有高反射率的光学膜层，所述光学膜层可以为金属薄膜(如铝膜或银膜)和电介质薄膜(如在可见光波段具有高反射率的多层光学薄膜)。反射体103无论为何种材料，优选地，其正对发光芯片101的一面均为光滑表面，以便于对反射光的方向进行控制。反射体103可采用模具成型，其曲面形状也通过模具一体成型，还可进行抛光处理。

在图1所示的实施例中，反射体103为一圆盘形状，具有一锥体103a，锥体103a的锥面103b面向发光芯片101且为旋转对称曲面，本实施例的锥面103b为内凹的凹面，锥体103a的锥尖103c正对发光芯片101。反射体103的曲面沿对称轴方向的截面形状为圆弧、椭圆弧、双曲线、抛物线或其任意组合等等，并不限于此。如图所示，反射体103的曲面可以是与荧光体104的曲面平滑过渡。发光芯片101发出的光通过反射体103的反射，基本上反射向曲面荧光体104，并且入射角度在15度以下。本实施例中，反射体103的材料为铝，反射体103沿对称轴的剖面的曲线形状为抛物线。

如图所示，反射体103位于发光芯片101的正前方，即反射体103正对于发光芯片101，或者说两者的对称轴相重合，用以接受发光芯片101正向发射的光，而曲面荧光体104包围在发光芯片101的侧面，以接受发光芯片101侧向发射的光，例如除了正面发射至反射体103的光经其反射，其余方向的光都直接投射到曲面荧光体104的光学薄膜105上。

如前所述，本实施例的反射体103和荧光体104及光学薄膜105都可采用模压方法成型，然后再进行安装，例如通过粘接方式将光学薄膜105粘合于荧光体104上，再与反射体103粘接成一体。发光芯片101贴合于基座102上，然后，将荧光体104与基座102粘接在一起，即形成本实施例的发光装置10。以下实施例中的发光装置10的形成与此类似。

因此，不管是直接投射到光学薄膜105还是反射到光学薄膜105，光线到光学薄膜105的角度小于15度，在此小角度入射的情况下光学薄膜105对发光芯片101发出的光具有很高的透射率，使光能够充分进入荧光体103激发其荧光材料发光，从而提高对光的利用率，增强发光效率。同时，光学薄膜105包括交替镀膜构成的第一折射率材料层和第二折射率材料层，对背向辐射的荧光具有高反射性，使荧光粉体发出的光被有效地传输到外部，极大地提高了器件的光取出效率，从而提高发光装置的总体发光效率。

请参阅图3，显示本发明第二实施例的发光装置20，其结构与第一实施例基本相同，例如同样包括基座202、设于基座202上的发光芯片201、封装发光芯片201的封装结构207，该封装结构207包括连接成一体的反射体203和曲面荧光体204，封装结构207环绕于发光芯片201的四周并界定一中空腔体210，发光芯片201置于中空腔体210内，反射体203用于将发光芯片201发出的光反射向曲面荧光体204，曲面荧光体204的曲率为使得入射到曲面的光入射角度在15度以下，曲面荧光体204的内表面具有光学薄膜205，光学薄膜205包括交替镀膜构成的第一折射率材料层和第二折射率材料层，以允许激发荧光体204发光的波段的光通过。

本实施例中，反射体203的结构、形状、材质及其曲面结构和形状设计都与第一实施例中的反射体103基本相同，不同之处主要在于，例如，反射体203距离发光芯片201相对较近，当然，实际应用时，具体距离大小可根据需要来设定。反射体203的材料为玻璃，在其朝向发光芯片201的表面镀有银薄膜，反射体203的曲面构造成将发光芯片201发射到反射体上的光反射于一焦点。本实施例中，反射体203沿对称轴的剖面的曲线形状为椭圆线，椭圆的一个焦点为发光芯片201的中心，另一个为焦点208。

发光芯片201与第一实施例的发光芯片101基本类似，不同之处主要在于，例如，本实施例的发光芯片201是发出360nm的紫外光。

本实施例的曲面荧光体204的曲面采用沿着对称轴方向依次衔接的、共轴的两段或多段旋转对称曲面组合。例如，如图3所示，以两段式结构为例，其它两段以上的结构类似。在图示的两段式结构中，荧光体204由第一荧光体204a和第二荧光体204b拼接而成。第一荧光体204a邻接反射体203，第二荧光体204b邻接基座202，例如分别通过粘接方式连成一体。

本实施例中，荧光体204a和204b的在经过轴心的剖面上的曲线形状均为圆弧形，本实施例的旋转对称曲面组合包括邻接反射体203的第一段曲面，即为图3中的第一荧光体204a的曲面(即内表面)，第一段曲面的曲率中心为发光芯片201，旋转对称曲面组合还包括第二段曲面，即为图3中的第二荧光体204b的曲面(即内表面)，第二段曲面以焦点208为曲率中心。

第一、第二荧光体204a和204b为荧光粉与胶混合的混合发光材料，荧光粉采用BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu²⁺、Ba₂SiO₄:Eu²⁺、Gd₂Mo₃O₉:Eu³⁺三种荧光粉的混合体，胶体采用硅胶，然后分别采用模压的方法制成所需的曲面面形。再将第一、第二荧光体204a和204b拼接(如粘接)就构成整个荧光体204。可以理解的是，当荧光体包括三段或以上的部分时，第三段及之后的荧光体都可以是直接插入并沿着对称轴方向依次衔接于第一、第二荧光体204a和204b之间，或者是衔接于第一荧光体204a与基座202之间，还可以是衔接于反射体203和第二荧光体204b之间。

本实施例中，光学薄膜205由PMMA和PET交替镀膜20层构成。该光学薄膜205对波长≤400nm的光具有高透过率，对波长≥400nm的光具有高反射率，经过模压加工使其变成和荧光体204相同的曲面面形，然后将其粘结到荧光体204的内壁。这样，波长≤400nm的光，即发光芯片201发出的紫外光能透过光学薄膜205，而≥400nm的光，如黄光或蓝光等则被反射，从而保证紫外光激发荧光体204荧光粉发光，避免其它光如黄光或蓝光的干扰。光学薄膜205可以是与荧光体204的各段相对应，即对应设置于相应的荧光体204的段上，例如，本实施例中，光学薄膜205分成两薄膜，对应置于第一、第二荧光体204a和204b上，当然，光学薄膜205也可采用一体结构形式，通过模压方法一体形成后，直接粘合荧光体204的内壁，并不限于此。

发光芯片201可靠近于两段或多段旋转对称曲面组合的中间部分圆环的圆心设置。如图3所示，发光芯片201靠近于两段荧光体204a和204b中间部分圆环的圆心设置，例如，靠近于两段荧光体204a和204b相拼接处的圆环圆心设置，具体根据光的发射方向需要而设定，并配合反射体203的位置和曲面形状以及两段荧光体204a和204b的位置和曲面形状，使得发光芯片201发出的光直接到达第一荧光体204a曲面时，入射角度小于15度，甚至以接近0°的入射角投射到光学薄膜205上，以及经过反射体203反射能聚焦于第二荧光体204b的圆心，这部分光同样能以接近0°的入射角投射到光学薄膜205上，从而有效地进入荧光体204，激发荧光粉发光。

为了使得发光芯片201、反射体203和荧光体204处于适当位置，以达到上述光学作用，基座202还可加设一支架209，以将发光芯片201支撑于合适位置。另外，反射体203还可支撑于另一支架209’上，使得反射体203处于合适位置。荧光体204的第二荧光体204b机械固定或粘接于基座202上。因此，支架209、209’可采用相同的结构，协同对发光芯片201、基座202、反射体203和荧光体204起支撑作用。

本实施例的发光装置20具有第一实施例类似效果，进一步，本实施例通过曲面组合以及反射体的椭圆构形等相关光学设计，使得光利用率更高，发光效率更高。

可以理解的是，以上实施例只是示例性地列举出一些较佳实施例，本发明的结构、各组成位置等并不限于以上描述。而且，上述第一、第二实施例中的各个部件或材料等技术手段可以相互替换、互相交替结合使用，例如第二实施例中的两段式荧光体结构也可结合应用于第一实施例中。以上实施例涉及的各种曲面都可以是如上所述沿对称轴方向的截面形状为圆弧、椭圆弧、双曲线、抛物线或其任意组合等。另外，反射体和曲面荧光体的位置并不限于以上实施例描述的，在其它实施例中，反射体可置于发光芯片发光方向的侧面或其它任意位置，荧光体可以是正对发光芯片，让其正向发光直接投射到荧光体上。另外，各部件的结构和形状并不限于上述实施例所示的，还可以进行在本发明的精神和原则之内任何变更，例如，反射体面对发光芯片的表面并不限于曲面，还可以是由多个微结构构成，以达到预定的反射要求，即反射后的光入射到曲面的光入射角度在15度以下。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种发光装置，其包括基座、设于基座上的发光芯片、封装所述发光芯片的封装结构，其特征在于，所述封装结构包括连接成一体的反射体和曲面荧光体，所述封装结构环绕于所述发光芯片的四周并界定一中空腔体，所述发光芯片置于所述中空腔体内，所述反射体用于将发光芯片发出的光反射向曲面荧光体，所述曲面荧光体的曲率为使得入射到曲面的光入射角度在15度以下，所述曲面荧光体的内表面具有光学薄膜，所述光学薄膜采用折射率不相同的第一折射率材料层和第二折射率材料层交替镀膜构成，所述光学薄膜允许激发荧光体发光的波长大于220nm、小于780nm的光通过。

2.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述反射体面向所述发光芯片的内表面为绕旋转对称轴旋转构成的对称曲面，所述曲面荧光体的曲面是绕旋转对称轴旋转构成的对称曲面，所述反射体的旋转对称轴、所述曲面荧光体的曲面的旋转对称轴与所述发光芯片的中心纵向对称轴相重合。

3.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述光学薄膜的厚度为200nm～2um。

4.如权利要求1至3任一项所述的发光装置，其特征在于，所述各个曲面沿对称轴方向的截面形状为圆弧、椭圆弧、双曲线、抛物线或其任意组合。

5.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述反射体位于发光芯片的正前方，以接受发光芯片正向发射的光；所述曲面荧光体包围在发光芯片的侧面，以接受发光芯片侧向发射的光。

6.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述曲面荧光体的曲面是一体的球面，或者是沿着对称轴方向依次衔接的、共轴的两段或多段旋转对称曲面组合。

7.如权利要求6所述的发光装置，其特征在于，所述发光芯片靠近于所述球面的底缘处圆环的圆心设置或者靠近于所述两段或多段旋转对称曲面组合的中间部分圆环的圆心设置。

8.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述荧光体为复合发光结构、混合发光层、发光玻璃、发光玻璃陶瓷或发光透明陶瓷；所述复合发光结构包括两层玻璃和夹在两层玻璃之间的荧光粉，或者包括玻璃层、胶体以及夹在玻璃与胶体之间的荧光粉；所述混合发光层包括荧光粉与胶体组成的混合发光材料。

9.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述第一折射率材料层的材质为SiO₂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯中的一种；所述第二折射率材料层的材质为TiO₂、Ta₂O₅、ZrO₂、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种。

10.如权利要求1所述的发光装置，其特征在于，所述曲面荧光体的曲面是沿着对称轴方向依次衔接的、共轴的两段以上的旋转对称曲面组合，所述旋转对称曲面组合包括邻接反射体的第一段曲面，所述第一段曲面的曲率中心为发光芯片，所述反射体的曲面构造成将发光芯片发射到反射体上的光反射于一焦点，所述旋转对称曲面组合还包括第二段曲面，所述第二段曲面以所述焦点为曲率中心。