CN102810533A - 白光发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种白光发光装置，可发出色温3000K的白光，包括发蓝光的第一发光芯片，以及吸收第一发光芯片发出的光并发出黄光的波长转换材料，还包括发红光的第二发光芯片，所述第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.5。作为优选的，控制红光芯片的总面积与蓝光芯片的总面积之比小于0.3并大于0.1，即可充分利用芯片的功率，提高芯片利用率，且白光发光装置的演色性可达80以上，光效高，成本低廉。另外，使用发射波长大于640nm的长波长红光芯片，能使整个白光发光装置于85度高温下，仍能保持较佳的发光强度及较低的色偏量。

Description

白光发光装置

技术领域

本发明涉及一种白光发光装置，尤其是一种通过组合波长转换材料和多种发光芯片而获得白光的发光装置。

背景技术

在全球能源短缺和环境污染的背景下，节约能源和保护环境成为当今世界的重大课题。在照明领域，LED产品作为一种新型的绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、抗冲击、响应时间短等优点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域，未来发展的趋势看好，被认为将取代气体放电灯成为新一代的照明光源。因此白光LED作为照明领域的重要产品，具有广阔的市场前景而备受瞩目。近年来白光LED技术更是得到了迅速发展。

所谓白光是多种颜色混合而成的光，例如太阳发出的白光是由红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种色光混合而成。工业上，为了得到人眼所能见的白光，必须至少混合两种颜色的光，如混合蓝色光和黄色光，或混合蓝色光、绿色光和红色光。目前制造白光LED组件主要采用的方法是：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。工作时，蓝光芯片发出的一部分蓝光被荧光粉吸收，经波长转换后发出黄光。荧光粉发射的黄光和另一部分未被荧光粉吸收的蓝光混合，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而演色性(Colour Rendering Index)偏低，为了提高LED发光装置的演色性，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，转换效率有限，光的能量会有所损失，故此做法将导致整个发光装置的光效降低。且红色荧光粉价格较高，导致整个组件成本增加。尤其是低色温的发光装置所用到的红色荧光粉较多，不仅光效低，成本也高。由于现今红光芯片的制作工艺日趋成熟，亮度高，且价格较低，所以也出现了用红光芯片代替红色荧光粉的产品。这种白光发光装置与使用红色荧光粉提供所需红光的产品相比，光效可以提高10％以上，且降低了成本。但这些白光的色温千差万别，而在照明领域，色温较低(3000K左右)的暖白光照明装置有较大的需求，故制造低色温的暖白光发光装置成为LED封装行业的重要课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发暖白光的白光发光装置，其具有较高的光效和演色性，且成本低廉。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种白光发光装置，包括第一发光芯片，发红光的第二发光芯片，以及第一波长转换材料配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上，可吸收第一发光芯片所发出的光并发出黄光，其中：所述白光发光装置中第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.5，且该白光发光装置于摄氏85度下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

所述第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.3且大于0.1。

所述发光装置发出实质近似色度图上3000K色温范围的白光。

所述第一发光芯片的材料为氮化铟镓类或氮化镓类化合物，其发光波长范围介于380nm至470nm。

所述波长转换材料为石榴石结构的荧光粉。

所述白光发光装置还包括第二波长转换材料，配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上，可吸收第一发光芯片发出的光并发出红光。

所述第二波长转换材料为氮化物或氮氧化物的荧光粉。

所述第二发光芯片的最大发射波长大于640nm。

本发明的另一实施例采用如下技术方案：一种白光发光装置，包括发蓝光的第一发光芯片，发红光的第二发光芯片，以及第一波长转换材料配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上，可吸收第一发光芯片所发出的光并发出黄光，所述发红光的第二发光芯片，其最大发射波长大于640nm，使该白光发光装置于摄氏85度下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

所述第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.5，优选的是小于0.3且大于0.1。

本发明所述白光发光装置包括发蓝光的第一发光芯片、吸收第一发光芯片发出的光并发出黄光的波长转换材料，以及发红光的第二发光芯片，且红光芯片的面积总和与蓝光芯片的面积总和之比小于0.5，发出的白光的相关色温(Correlated Color Temperature，CCT)在色度图上均接近于3000K，所述白光发光装置演色性可达80以上，光效高，成本低廉。当然，红光芯片的面积总和与蓝光芯片的面积总和之比，优选的是小于0.3且大于0.1，如此芯片能够在尽可能接近最大顺向电流的情况下工作，充分利用其最大功率，芯片利用率较高。另外，本发明所述白光发光装置的红光发光芯片的最大发射波长大于640nm，可有效避免红光芯片在高温下的热衰减带来的色偏移问题。

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为本发明第一实施方式的白光发光装置的俯视示意图。

图2为本发明第二实施方式的白光发光装置和对照例一、对照例二在较高工作温度下的色偏移在CIE色度坐标系中的对比图。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举具体实施方式，并配合附图作详细说明。

请参见图1所示，本发明第一实施方式的白光发光装置1，包括基座11以及在基座11上固定的4个LED芯片，其中3个LED芯片为发蓝光的第一发光芯片12，其边长均为18mil，总面积972mil²，1个LED芯片为发红光的第二发光芯片13，边长为14mil，面积为196mil²，即红光芯片的总面积与所有蓝光芯片的总面积之比为0.2016。芯片上方还设有适量的黄色荧光粉(图中未绘出)，该黄色荧光粉可以吸收第一发光芯片12发出的蓝光，经波长转换发出黄光。整个白光发光装置1在工作时通过混合第一发光芯片12发出的蓝光，第二发光芯片13发出的红光，以及黄色荧光粉发出的黄光，总体上发出相关色温为3000K左右的暖白光。

事实上，要满足相关色温3000K的要求，芯片的数量并非局限于3个蓝光芯片和1个红光芯片。比如，简单的可参照对于蓝、红芯片数量比为3∶1的配置，采用6个蓝光芯片加上2个红光芯片，或者9个蓝光芯片加上3个红光芯片，或者12个蓝光芯片加上4个红光芯片，或者18个蓝光芯片加上6个红光芯片。而且芯片的尺寸亦有多种选择。表一列举了包括发光装置1的5个不同的白光发光装置所采用的蓝光、红光发光芯片的不同尺寸，所述5个不同的白光发光装置的结构相似，仅芯片的尺寸不同，但从表一的数据可知，其中红光芯片的总面积与蓝光芯片的总面积之比均小于0.5，所述5个不同的白光发光装置发出的白光的相关色温都在3000K的附近。

表一

本发明第二实施方式的白光发光装置2的结构与第一实施方式的白光发光装置1的结构相似，区别主要在于蓝、红芯片数量比为2∶1。请参见表二所示，表二列举了包括发光装置2的5个不同的白光发光装置所采用的蓝光、红光发光芯片的不同尺寸，但其中红光芯片的总面积与所有蓝光芯片的总面积之比均小于0.5，所述6个不同的白光发光装置发出的白光的相关色温均为3000K左右。

表二

而且，本第二实施方式的红光芯片的最大发射波长为657～659nm。另有对照例一和对照例二，除所用红光芯片的最大发射波长不同外其他皆与发光装置2相同。对照例一所用红光芯片的最大发射波长在616～620nm之间，对照例二所用红光芯片的最大发射波长在622～626nm之间。

请参见图2所示，折线21表示发光装置2从25℃升温至85℃时在CIE色度坐标系下的色偏量，折线22、23分别表示对照例一和对照例二从25℃升温至75℃时的色偏量。根据能源之星(Energy Star)标准，发光装置2的色偏移需维持在图2中较大的椭圆环内，以符合能源之星麦克亚当7-步骤(macadam 7step)的标准，更佳状态是色偏移维持在较小的椭圆环内，以符合能源之星麦克亚当4-步骤(macadam 4 step)的标准。事实上，在麦克亚当4-步骤，即较小的椭圆环内的色偏移人眼无法感知；在麦克亚当7-步骤，即较大的椭圆内的色偏移，人眼也不容易分辨。如图2所示，对照例一和对照例二在75℃时的色偏移量远远超出了较大的椭圆环，而根据本实施方式的发光装置2在更高的温度(85℃)下的色偏移量仍可以维持在较大的椭圆环内，人眼一般不会有色偏感。

这是因为色偏移的产生是由于红光芯片在高温下发光强度的衰减大于其他颜色的芯片，而根据本实施方式的发光装置2所使用的最大发射波长为657～659nm的长波长红光芯片相比于对照例一和对照例二，在高温下的强度衰减最少，因此色偏量也是最小的。实验证明最大发射波长大于640nm的长波长红光芯片在高温下的光强衰减较小，可以满足减小高温下的色偏移量的要求。

请参考下面表三，其说明当本发明所述白光发光装置使用波长大于640nm的长波长红光芯片，其温度25℃至85℃时的色温变化(ΔCCT)小于300。举例而言，当温度由25℃升高至85℃时，其色温变化(ΔCCT)大约为281。

表三

温度(℃)	25	35	45	55	65	75	85
								色温变化(ΔCCT)	0	45	88	126	168	225	281

本发明所述白光发光装置包括发蓝光的第一发光芯片、吸收第一发光芯片发出的光并发出黄光的波长转换材料，以及发红光的第二发光芯片，且红光芯片的面积总和与蓝光芯片的面积总和之比小于0.5，发出的白光的相关色温(Correlated Color Temperature，CCT)均接近于3000K，所述白光发光装置具有较高的光效和演色性，且成本低廉。当然，红光芯片的面积总和与蓝光芯片的面积总和之比，优选的是小于0.3且大于0.1，如此芯片能够在尽可能接近最大顺向电流的情况下工作，充分利用其最大功率，芯片利用率较高。另外，本发明所述白光发光装置的红光发光芯片的最大发射波长大于640nm，可有效避免红光芯片在高温下的热衰减带来的色偏移问题。

本领域技术人员容易想到的是，所述白光发光装置还可以包括第二种波长转换材料，例如发出红光的氮化物或氮氧化物荧光粉，而最佳的选择为CaAlSiN₃与SrSi₂O₂N₂，可与发出黄色的波长转换材料混合，并设于蓝光芯片和红光芯片之上。同理，所述白光发光装置还可以包括更多种荧光粉，通过选择荧光粉的种类和调节这些荧光粉的添加量，可以获得所需色温和显色性的白光发光装置。

本发明使用的蓝光芯片的材料可以是氮化铟镓类或氮化镓类化合物，红光芯片的材料可以是磷化镓类化合物或砷化镓类化合物，而黄色荧光粉可以选择但不限于主要成分为石榴石结构的荧光粉，而最佳选择为钇铝石榴石荧光体(Y₃Al₅O₁₂∶Ce)化合物。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。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(conformal structure)于芯片上方，亦可远离蓝光芯片与红光芯片，而涂布的方式可为喷涂、点胶、电泳或是铸模(molding)。

上述白光发光装置更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与红光芯片于高温下色偏移的现象，或是调控蓝光芯片与红光芯片于白光发光装置中的发光比例，使白光色温能维持在3000K左右。上述白光发光装置及应用该白光发光装置的白光照明系统可以应用于室内照明设备及室外照明设备上，例如灯泡球、灯管或车头灯等照明装置。。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。

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 (10)

1.一种白光发光装置，包括第一发光芯片，发红光的第二发光芯片，以及配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上的第一波长转换材料，所述第一波长转换材料可吸收第一发光芯片所发出的光并发出黄光，其特征在于：所述白光发光装置中第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.5，且该白光发光装置于摄氏85度下仍符合麦克亚当7-步骤的要求。

2.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：所述第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.3且大于0.1。

3.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：所述发光装置发出实质近似色度图上3000K色温范围的白光。

4.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：所述第一发光芯片的材料为氮化铟镓类或氮化镓类化合物，其发光波长范围介于380nm至470nm。

5.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：所述波长转换材料为石榴石结构的荧光粉。

6.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征在于：所述白光发光装置还包括第二波长转换材料，配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上，可吸收第一发光芯片发出的光并发出红光。

7.如权利要求6所述的白光发光装置，其特征在于：所述第二波长转换材料为氮化物或氮氧化物的荧光粉。

8.如权利要求1到7任一项所述的白光发光装置，其特征在于：所述第二发光芯片的最大发射波长大于640nm。

9.一种白光发光装置，包括发蓝光的第一发光芯片，发红光的第二发光芯片，以及配置于第一发光芯片以及第二发光芯片之上的第一波长转换材料，所述第一波长转换材料可吸收第一发光芯片所发出的光并发出黄光，其特征在于：所述发红光的第二发光芯片，其最大发射波长大于640nm，使该白光发光装置于摄氏85度下仍能符合麦克亚当7-步骤的要求。

10.如权利要求9所述的白光发光装置，其特征在于：所述第二发光芯片的总面积与第一发光芯片的总面积的比小于0.5，优选的是小于0.3且大于0.1。

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