CN102734647B - 白光照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种白光照明系统，包括多个芯片，以及波长转换材料，所述多个芯片至少包含一个红光芯片及多个蓝光芯片，该红光芯片可发出第一红光，所述波长转换材料可被蓝光芯片所激发并转换出至少第二红光及黄光，其中第二红光的峰值波长不同于第一红光的峰值波长。将第一红光、第二红光、蓝光及黄光混合后可形成白光，该白光实质近似于3000K的色温范围，使该白光照明系统可以获得较高的演色性和光效，还能够减少高温工作下产生的色偏移，并于摄氏85度下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

Description

白光照明系统

技术领域

本发明涉及一种白光照明系统，尤其是一种通过混合发光芯片以及波长转换材料发出的光而获得混合光的白光照明系统。

背景技术

白光LED是LED产业中被看好的新兴产品，在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，白光LED在照明市场的前景备受全球瞩目。

所谓白光是多种颜色混合而成的光，以人类眼睛所能见的白光形式至少须两种光混合，如两种波长的光(蓝色光和黄色光)或三种波长的光(蓝色光、绿色光和红色光)混合。目前白光LED组件主要采用的混合方法是：将蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的发黄光的荧光粉有机结合。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光。发射的黄光和剩余的蓝光混合，调控它们的强度比即可得到各种色温的白光。但这样的混合方法因缺少红色波段，故演色性(Colour Rendering Index，CRI)偏低，为了提高LED演色性，则会添加红色荧光粉以提高可见光光谱的涵盖范围。然而由于荧光粉将第一种波长的光转换为第二种波长的光时，光的能量会有所损失，故此做法将导致整个组件的光效降低。尤其是所需的色温愈低，用到的红色荧光粉则愈多，不仅光效损失严重，性价比也较差。

由于现今红光芯片的制作工艺日趋成熟，红光芯片的亮度愈来愈高，所以也有使用红光芯片提供所需的红光的情况。这样的白光LED组件与组合蓝光芯片、红色和黄色荧光粉的白光LED组件相比，光效可以提高10％以上。在相关现有技术中，如US6513949、USUS7126274、US7215074及US7005679曾提及使用蓝光芯片与红光芯片，搭配黄色荧光粉，该照明系统中能获得较佳的演色性。但是，由于红光芯片对温度的稳定性较差，在高温下有热衰减(Hot/ColdFactor)的问题，随着工作温度升高，红光的衰减率大于蓝光和黄光的衰减率，则整个LED组件发出的光会呈现严重的色偏问题，而无法达到能源之星(EnergyStar)对于照明标准中，ANSI 7-步骤麦克亚当(7-step macadam)的要求。

发明内容

鉴于现有的白光LED中存在的以上缺点，本发明的目的在于提供一种白光照明系统，其具有较高的光效和演色性，而且能够减少随工作温度升高而产生的色偏。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种白光照明系统，包括：一种白光照明系统，包括：一第一芯片，能发出一第一光线，该第一光线至少包含一第一红光，一第二芯片，能发出一第二光线，其中该第二光线的峰值波长不同于第一光线的峰值波长，以及一第一波长转换材料，设置于第一芯片与第二芯片之上，并被第二光线所激发并转换出一第二红光，混合该第二红光、第一光线与第二光线可形成一白光，该白光实质近似于3000K色温范围。

所述第一芯片为一红光芯片，第二芯片为多个蓝光芯片。

所述该白光照明系统还包括第二波长转换材料，所述第二波长转换材料能被该第二光线所激发并转换出一第三光线。

所述第三光线为黄光。

所述第一红光与第二红光的峰值波长不同。

所述白光照明系统在高温下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

所述第一芯片是磷化镓类化合物或砷化镓类化合物，而所述第一波长转换材料是氮化物或氮氧化物。

本发明的另一实施例采用如下技术方案：一种白光照明系统，包括：多个芯片，能产生两种以上的光线，其中该些光线至少包含一蓝光及一第一红光，以及一波长转换材料，能被该蓝光所激发并转换出一黄光及一第二红光，其中该第二红光的峰值波长不同于第一红光的峰值波长，且混合该些光线、黄光及第二红光可形成一白光，其中该白光实质近似于3000K的色温范围，且该白光照明系统于摄氏85度之下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

所述多个芯片包括一个红光芯片与多个蓝光芯片。

本发明的另一实施例采用如下技术方案：一种白光照明系统，包括：多个芯片，包含一红光芯片与多个蓝光芯片，其中该红光芯片可发出一第一红光，以及一波长转换材料，设置于红色芯片与多个蓝色芯片之上，能被多个蓝光芯片所激发并转换出至少一第二红光及一黄光，其中该第二红光不同于第一红光，混合第一红光、第二红光及蓝光和黄光可形成一白光，其中该白光实质近似于3000K的色温范围，且该白光照明系统于摄氏85度之下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

由于红光芯片的发光效率高于红色荧光粉，而发光强度的热稳定性低于红色荧光粉，故根据本发明的发光装置所需的红光中，一部分由红光芯片提供，保证了较高的发光效率，另一部分由红色荧光粉提供，减少了随工作温度升高产生的色偏，通过综合红光芯片和红色荧光粉二者的优点，达到较高的光效和较低的色偏量。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1为根据本发明的一种实施方式的白光照明系统的俯视示意图。

图2为图1所示白光照明系统和对照例一在较高工作温度下的色偏移在CIE色度坐标系中的对比图。

图3为图1所示的白光照明系统和对照例二在不同电流下工作的发光效率曲线。

图4为图1所示的白光照明系统和对照例二的激发光谱。

图5为根据本发明的另一实施方式的白光照明系统的俯视示意图。

图6(A)为根据本发明的一实施方式的白光照明系统具有7个蓝光芯片与1个红光芯片的电路图。

图6(B)为根据本发明的一实施方式的白光照明系统具有14个蓝光芯片与1个红光芯片的电路图。

图7为根据本发明的另一实施方式的白光照明系统，具有7个蓝光芯片与1个红光芯片的电路排列示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种白光照明系统1，在基座11上固定了8个LED芯片，其中芯片12为第一芯片，其工作时发出红光，该红光芯片12可选择性的固定在绝缘基座上(图中未绘出)，以绝缘电性。其余的芯片13工作时均发出蓝光，芯片上方设有适量的波长转换材料，例如是黄色和红色荧光粉(图中未绘出)，使整个白光照明系统1在工作时发出色温为3000K左右的白光。

另有用作与白光照明系统1对比的现有技术对照例一、对照例二。对照例一的结构和白光照明系统1相同，但8个芯片中有4个红光芯片，另4个为蓝光芯片，芯片上方设有适量的黄色荧光粉，使整个照明系统在工作时发出色温为3000K左右的白光。

对照例二的结构也和白光照明系统1相同，但8个芯片均为蓝光芯片，芯片上方设有适量的黄色和红色荧光粉，使整个发光装置在工作时发出色温为3000K左右的白光。

如图2所示，折线21、22分别表示白光照明系统1和对照例一从25℃升温至85℃时在CIE色度图下的色偏量。根据能源之星(Energy Star)标准，白光照明系统1的色偏需维持在图2中较大的椭圆环内，以符合能源之星ANSI 7-步骤麦克亚当(7step macadam)的标准，更佳状态是白光照明系统1的色偏维持在较小的椭圆环内，以符合能源之星ANSI 4-步骤麦克亚当(4step macadam)的标准。实质上，在ANSI 4-步骤麦克亚当的椭圆环内的色偏人眼无法感知；在ANSI 7-步骤麦克亚当较大的椭圆内的色偏，人眼也不容易分辨。如图2所示，对照例一在摄氏85度(85℃)时的色偏量远远超出了较大的椭圆环，而根据本实施方式的白光照明系统1在85℃的色偏可以维持在较大的椭圆环内，人眼一般不会有色偏感。

这是因为，对于有4个红光芯片和4个蓝光芯片的对照例一，由于红光芯片对温度的稳定性较差，高温工作时发生的热衰减比蓝光芯片严重，因此高温下红光芯片和蓝光芯片发光强度的变化量不一致，从而造成整个LED组件发生色偏移。而根据本实施方式的白光照明系统1将配置红光芯片12，红光芯片12的数量并不限定于图示的实施例，但最佳的实施方式为使用一个红光芯片12，其余所需红光由红色荧光粉提供，由于红色荧光粉的热衰减较不明显，故整个白光照明系统1的色偏移远远小于只用红光芯片提供红光的对照例一。

如图3所示，曲线31、32分别为白光照明系统1和对照例二在顺向电流为200～400mA下的发光效率曲线。可见在电流为200～400mA的范围内，根据本实施方式的白光照明系统1的光效均高于对照例二。

这是因为，对于只用红色荧光粉提供红光的对照例二，由于红色荧光粉发光效率较低，故整个发光装置的光效不高。而根据本实施方式的白光照明系统1将配置红光芯片12，红光芯片12的数量并不限定于图示的实施例，但最佳的实施方式为使用一个红光芯片12，取代了部分红色荧光粉的功能，提供白光照明系统1所需的一部分红光，由于红光芯片的发光效率较高，因此白光照明系统1的整体光效高于对照例二。

如图4所示，白光照明系统1的激发光谱42，由7个蓝光芯片和1个红光芯片激发黄色与红色荧光粉，对照例二的激发光谱41，则包含8颗蓝光芯片激发黄色与红色荧光粉，可见激发光谱41与激发光谱42在光谱上的涵盖范围相似，且成本较低，且如表1所示，白光照明系统1相较于对照例二，更可获得一较佳的发光效率。

表一

本发明的另一个实施方式为使用多个但体积较小的蓝光芯片53，芯片的数量并不限定于本实施方式中，但较佳的实施方式为使用具有15个发光芯片的白光照明系统2。如图5所示，基座51上搭载了1个红光芯片52和14个蓝光芯片53，芯片上方设有适量的黄色和红色荧光粉(图中未绘出)，使整个白光照明系统2在工作时发出白光，且该白光照明系统2在工作时发出色温仍为3000K左右的白光，因此可以得到较佳的色均匀性以及散热效果。

如图6(A)所示，一种白光照明系统61具有8个芯片，其中包含7个蓝光芯片63和1个红光芯片62，彼此以串联的方式电性连接，使得白光照明系统61在工作时仍能发出色温为3000K左右的白光。或者，如图6(B)所示，一种白光照明系统65可包含多个但体积较小的蓝光芯片64，搭配一个红光芯片62，或者是使用体积相同的多个蓝光芯片64，包含两组并联的蓝光芯片串，该蓝光芯片串包含7个蓝光芯片64彼此串联，而两组蓝光芯片并联后再与红光芯片62串联，使得白光照明系统65在工作时仍能发出色温为3000K左右的白光。

如图7所示，一种白光照明系统71具有8个芯片，其中包含7个蓝光芯片73和1个红光芯片72，彼此以串联的方式电性连接，其中红光芯片72与蓝光芯片73的排列方式以及芯片的数量，并不限于图示的实施例，但较佳的实施方式为蓝光芯片73包围红色芯片72，以获得较佳的色均匀性。本系统可包含散热模块，可避免系统因高温而造成蓝光芯片73与红光芯片72亮度衰减不一致，而导致色偏移的现象。

白光照明系统71还可包含驱动电路或驱动器，例如可变电阻、电容或是脉冲宽度调制系统(PWM system)，可用于调控蓝光芯片73与红光芯片72于高温下色偏移的现象，或是调控蓝光芯片73与红光芯片72于白光照明系统71中的发光比例，使白光色温能维持在3000K左右。该白光照明系统71可使用于不同种的照明装置中，例如灯泡球、灯管或车头灯等照明装置。

以上两个实施方式中，均由一个红光芯片补偿所需红光，因此减少了红色荧光粉的使用量，因而降低了成本。

根据以上两个实施方式的发光装置所需的红光中，一部分由红光芯片提供，保证了较高的发光效率，另一部分由红色荧光粉提供，减少了随工作温度升高产生的色偏，通过综合红光芯片和红色荧光粉二者的优点，达到较高的光效和较低的色偏。

本篇发明所揭露的实施例是以蓝光芯片加红光芯片搭配红色和黄色两种荧光粉发出白光，该蓝光芯片的材料可以为使用氮化铟镓类或氮化镓类化合物，其波长范围介于405nm至470nm，而该红光芯片的材料可以为使用磷化镓类化合物或砷化镓类化合物，其波长范围介于600nm至700nm。但是本领域技术人员容易理解的是，也可以使用其它颜色的芯片搭配红光芯片和红色荧光粉，例如绿色、黄色或是琥珀色的芯片，以获得白光或白光以外的其它颜色的光。

本篇发明所披露的实施例是以蓝光芯片加红光芯片搭配红色和黄色两种荧光粉发出白光，该红色荧光粉的选择并不限于以下，但较佳的选择为使用主要成分为氮化物或氮氧化物的红色荧光粉，而最佳的选择为CaAlSiN₃与SrSi₂O₂N₂；而黄色荧光粉的选择并不限于以下，但较佳的选择为使用主要成分为石榴石结构的荧光粉，而最佳的选择为钇铝石榴石荧光体(Y₃Al₅O₁₂:Ce)的化合物。但是本领域技术人员容易理解的是，也可以用其它颜色的芯片搭配红光芯片和红色荧光粉，以及第二种荧光粉，而获得白光或白光以外的其它颜色的光。并且，虽然实施方式给出的是以荧光粉进行波长变换，但可以想象的是，其它波长转换材料，如搀有荧光粉的陶瓷板等也同样适用。另外，实施方式中给出的红色荧光粉转换得到的红光与红光芯片12发出红光的峰值波长不同，补偿了发光装置1的红色光谱，而获得较高的演色性，但是可以理解的是，这两种红光的峰值波长也可以是相同的。

本篇发明所披露的实施例是以蓝光芯片加红光芯片搭配红色和黄色两种荧光粉发出白光，该红色及黄色荧光粉的配置方式并不限定于下列，但可实施的方式包括直接覆盖于蓝光芯片与红光芯片的上方，以形成共型结构(conformalstructure)于芯片上方，荧光粉配置亦可远离红光芯片与蓝光芯片，而涂布的方式可为喷涂、点胶、电泳或是铸模(molding)。其中，上述白光照明系统可以使用于室内照明设备及室外照明设备上。此外，上述芯片及基座之间可使用热电分离或热电合一的技术。另外，上述白光照明系统，除了添加黄色及红色荧光粉之外，亦可功能性地再添加绿色荧光粉，以达到不同的发光照明效果。

以上实施方式只是对本发明加以描述和说明，并非用以限定本发明，在不脱离本发明精神的前提下，本领域技术人员可以做出适当的修饰和更改，而这些修饰和更改仍应被认为属于本发明范围的，故本发明的保护范围应当以申请的权利要求范围所界定的内容为准。

Claims (11)

1.一种白光照明系统，包括：

一第一芯片，能发出一第一光线，该第一光线包含一第一红光，

一第二芯片，能发出一第二光线，其中该第二光线的波长不同于该第一光线的波长，以及

一第一波长转换材料，设置于该第一芯片与该第二芯片之上，并被该第二光线所激发并转换出一第二红光；

一第二波长转换材料，被该第二光线所激发并转换出一第三光线，该第三光线为黄光，混合该第二红光、该第一光线、该第二光线与该第三光线可形成一白光。

2.如权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于，该第一芯片为一红光芯片，该第二芯片为多个蓝光芯片。

3.如权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于，该第一红光与该第二红光的峰值波长不同。

4.如权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于，在摄氏85度仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

5.如权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于，该第一芯片是磷化镓类化合物或砷化镓类化合物，而该第一波长转换材料是氮化物或氮氧化物。

6.如权利要求1所述的白光照明系统，其特征在于，该白光实质近似于3000K色温范围。

7.一种白光照明系统，包括：

多个芯片，能产生两种以上的光线，其中该些光线至少包含一蓝光及一第一红光，以及

一波长转换材料，能被该蓝光所激发并转换出一黄光及一第二红光，其中该第二红光的峰值波长不同于第一红光的峰值波长，且混合该些光线、该黄光及该第二红光可形成一白光，其中该白光照明系统于摄氏85度能符合麦克亚当7-步骤的要求。

8.如权利要求7所述的白光照明系统，其特征在于，该些芯片至少包含 一红光芯片及多个蓝光芯片。

9.如权利要求7所述的白光照明系统，其特征在于，该白光实质近似于3000K色温范围。

10.一种白光照明系统，包括：

多个芯片，包含一红光芯片与多个蓝光芯片，其中该红光芯片可发出一第一红光，以及

一波长转换材料，设置于该红光芯片与该些蓝光芯片之上，能被该些蓝光芯片所激发并转换出至少一第二红光及一黄光，其中该第二红光的峰值波长不同于该第一红光的峰值波长，混合该第一红光、该第二红光、该蓝光和该黄光可形成一白光，其中该白光照明系统于摄氏85度仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

11.如权利要求10所述的白光照明系统，其特征在于，该白光实质近似于3000K色温范围。