CN102956800B

CN102956800B - 波长转换结构及其制造方法以及发光装置

Info

Publication number: CN102956800B
Application number: CN201110253482.8A
Authority: CN
Inventors: 谢明勋; 黄苡叡; 洪盟渊; 许明祺
Original assignee: Epistar Corp
Current assignee: Epistar Corp
Priority date: 2011-08-31
Filing date: 2011-08-31
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2031-08-31
Also published as: CN102956800A

Abstract

本发明提供一种波长转换结构，包含：第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；以及第二荧光粉层，位于第一荧光粉层上，该第二荧光粉层包括多个第二荧光粉颗粒，其中第二荧光粉颗粒的平均粒径不相同于第一荧光粉颗粒的平均粒径。

Description

波长转换结构及其制造方法以及发光装置

技术领域

本发明涉及一种波长转换结构及其制造方法以及包含此波长转换结构的发光装置，特别涉及一种具有高光取出效率（LightExtractionEfficiency）的波长转换结构及其制造方法以及包含此波长转换结构的发光装置。

背景技术

近年来，由于能源问题逐渐受到重视，因而发展出许多新式的节能照明工具。其中，发光二极管（LightEmittingDiode，LED）具有发光效率高、耗电量少、无汞及使用寿命长等优点，成为极被看好的下一代照明工具。

就照明用的白光LED而言，LED芯片与荧光粉搭配运用，利用蓝光LED芯片所产生的蓝光，激发YAG（YttriumAluminumGarnet，Y₃Al₅O₁₂）黄色荧光粉产生黄光，再将二者混合而形成白光。

其中常见的荧光粉涂布方法包含敷型涂布（ConformalCoating）及分离式荧光粉（RemotePhosphor）二种。敷型涂布系将荧光粉直接涂布于LED芯片上形成荧光粉层。由于是直接涂布于LED芯片之上，此种做法具有厚度较均匀的优点。但是由于LED芯片及载板会吸收荧光粉层所发出的光，因此整体发光效率便会降低。另外，由于荧光粉系与LED芯片直接接触，在LED芯片于操作时产生100℃至150℃的高温的情形下，荧光粉层会因此逐渐变质退化，而影响其转换效率。

分离式荧光粉的做法，就是为了解决上述敷型涂布的问题。分离式荧光粉的LED发光装置的荧光粉层系与LED芯片分开，因此，可以尽量避免荧光粉层所发出的光直接被LED芯片吸收。也由于荧光粉层系以远离LED芯片的方式设置，荧光粉层中的荧光粉较不易因LED芯片操作时的高温而退化。

荧光粉粒子接收来自LED芯片的光后，会受到激发并产生另一种颜色的光。然而，荧光粉粒子所激发产生的光线，乃是朝向所有方向，包括向内传递的光线，因此降低发光效率。

发明内容

根据本发明的实施例，一种波长转换结构，包含:第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；以及第二荧光粉层,位于第一荧光粉层上，包括多个第二荧光粉颗粒，其中第二荧光粉颗粒的平均粒径不相同于第一荧光粉颗粒的平均粒径。

根据本发明的实施例，一种波长转换结构的制造方法，包含：形成第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；形成第二荧光粉层于第一荧光粉层之上，包括多个第二荧光粉颗粒，其中第二荧光粉颗粒的平均粒径不相同于第一荧光粉颗粒的平均粒径。

根据本发明的实施例，一种发光装置，包含:载板；发光元件，设置于载板之上；波长转换结构,位于发光元件上，波长转换结构包含:第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；以及第二荧光粉层位于第一荧光粉层上，包括多个第二荧光粉颗粒，其中第二荧光粉颗粒的平均粒径不相同于第一荧光粉颗粒的平均粒径。

附图说明

图1为本发明第一实施例的波长转换结构示意图；

图2为波长转换结构的电子显微镜照片；

图3为本发明发光装置的示意图。

具体实施方式

以下，将搭配图式就本发明的优选实施例加以详细说明。所列出的实施例系用以使本发明所属技术领域中具有通常知识者得以明了本发明的精神。本发明并不限定于所列出的实施例，而亦可使用其他做法。在本说明书的图式中，宽度、长度、厚度及其他类似的尺寸会视需要加以放大，以方便说明。在本说明书的所有图式中，相同的元件符号系代表相同的元件。

此处特别需要加以说明的是，当本说明书描述元件或材料层设置于或连接于另一元件或另一材料层上时，其可以直接设置或连接于另一元件或另一材料层之上，或者间接地设置或连接于另一元件或另一材料层之上，也就是二者之间再夹杂其他元件或材料层。相反地，若是本说明书描述元件或材料层直接地设置或连接于另一元件或另一材料层之上时，即表示二者之间没有再设置其他元件或材料层。

图1所示为本发明优选实施例的波长转换结构的示意图。波长转换结构10，包括：导电基板101、第一荧光粉层102、第二荧光粉层103和胶材层104。第一荧光粉层102形成于导电基板101之上，由第一荧光粉颗粒所组成，且第一荧光粉颗粒之间具有空隙。第二荧光粉层103形成于第一荧光粉层102之上，由第二荧光粉颗粒所组成，第二荧光粉颗粒之间具有空隙。胶材层104由胶材填入第一荧光粉层102和第二荧光粉层103的荧光粉颗粒空隙中所形成。

导电基板101具有透明导电的性质，其材料可以包括但不限于透明导电金属氧化物（TCO）。第一荧光粉层102形成于导电基板101的上方，包括第一荧光粉颗粒，其组成材料可以包括但不限于黄光陶瓷荧光材料，且颗粒的粒径分布约为225-275nm，荧光粉颗粒间具有空隙。

第一荧光粉层102厚度约为第一荧光粉颗粒平均粒径的1.5-4倍，以第一荧光粉颗粒的平均粒径为225nm为例，第一荧光粉层102的厚度最小约为337nm。第二荧光粉层103形成于第一荧光粉层102的上方，组成材料可以包括但不限于黄色荧光粉，例如黄光陶瓷荧光材料。第二荧光粉层102由第二荧光粉颗粒所组成，第二荧光粉层102和第一荧光粉层102的平均粒径比约为3:1至5:1之间，以第一荧光粉颗粒的平均粒径为225nm为例，第二荧光粉颗粒的平均粒径约为675-1125nm，荧光粉颗粒间具有空隙。

胶材填入第一荧光粉层102和第二荧光粉层103空隙中，形成胶材层104。胶材层104的组成材料包括但不限于硅胶，硅胶的折射率约为1.45。本实施例的胶材为硅胶，但是在其他实施例中亦可使用其他材料。例如玻璃（折射率为1.5~1.9）、树脂（Resin，折射率为1.5~1.6）、二氧化钛（TitaniumOxide，TiO₂，折射率为2.2~2.4）、二氧化硅（SiliconOxide，SiO₂，折射率为1.5~1.7）或氟化镁（MagnesiumFluoride，MgF，折射率为1.38）等。

在一实施例中，胶材层104的厚度等于第一荧光粉层102加上第二荧光粉层103的厚度。在另一实施例中，胶材层104的厚度大于第一荧光粉层102加上第二荧光粉层103的厚度，胶材层104的顶面会高于第二荧光粉层103的顶面，可以使波长转换结构10的表面更平整。

胶材层104为具有高透光度的胶材，胶材的材料也可以选用透明的金属氧化物。在其他实施例中亦可使用其他材料。例如玻璃（折射率为1.5~1.9）、树脂（Resin，折射率为1.5~1.6）、二氧化钛（TitaniumOxide，TiO₂，折射率为2.2~2.4）、二氧化硅（SiliconOxide，SiO₂，折射率为1.5~1.7）或氟化镁（MagnesiumFluoride，MgF，折射率为1.38）等。胶材层104可以包含有机化合物或无机化合物，折射率约介于1.3至2.4。无机化合物，例如金属氧化物，可选用和荧光粉折射率相近似的金属氧化物，因为折射率的差异较小，可以有效减少光因全反射所造成的损失。金属氧化物和荧光粉颗粒的折射率相近似，也可以减少光在荧光粉颗粒间的散射。

以下，将说明本实施例的波长转换结构10的制作方法。首先，将导电基板101置入电泳装置内，导电基板101可以如ITO玻璃。通过电泳技术进行荧光粉颗粒的镀层沉积于ITO的表面上以形成第一荧光粉层102及第二荧光粉层103。本实施例的荧光粉层102、103为具有将入射光线的波长加以转换的材料，例如是荧光材料（Phosphor）。沉积荧光粉层102、103不限定于电泳法，也可以包括其它可将荧光材料沉积的方法，例如重力沉积法。本实施例中胶材的材料可以为硅胶，其折射率约为1.45。在另一实施例中，可以以电镀的方式将透明的胶材镀入荧光粉层102、103的孔隙中，胶材可以选用金属氧化物（如ZnO），ZnO的折射率约为2。通过填入与荧光粉折射率相近的透明氧化物，可以减少光的散射（scattering）损失，增加白光的出光效率。再者，以电镀方式填入金属氧化物可当作荧光粉颗粒的粘结剂亦可增加荧光粉层的机械强度，如图2的SEM照片所示。沉积金属氧化物层不限定于电镀，也可以包括其它可将金属氧化物镀入荧光粉的孔隙中的方法，例如CVD法、溶胶-凝胶法（Sol-Gel）法。溶胶-凝胶法的细节已为本发明所属技术领域中具有通常知识者所习用，此处不再加以赘述。波长转换结构10大致上具有均一或不均一的厚度。

图3所示为本发明优选实施例的发光装置的示意图。发光装置20包括封装基板111及发光二极管110，发光二极管110位于封装基板111上。导光层113覆盖封装基板111及发光二极管110。发光装置20包括如上述实施例的波长转换结构10，其中波长转换结构10和发光二极管110间利用支架112分开，荧光粉不直接和发光二极管110接触，可以尽量避免荧光粉层所发出的光直接被发光二极管110芯片吸收。也由于荧光粉系以远离发光二极管110芯片的方式设置，荧光粉层中的荧光粉较不易因发光二极管110芯片操作时的高温而退化。

本实施例的导光层113为光通过层，可以为具有增进光取出效率（ImprovedLightExtractionEfficiency）的材料层。在本实施例中，导光层113具有多个材料层，并具有渐变折射率（GradientRefractiveIndex，GRIN）。在本实施例中，导光层113的复数材料层可以为由氮化硅（SiliconNitride，Si₃N₄），其折射率为n_a=1.95、三氧化二铝（AluminumOxide，Al₂O₃），其折射率为n_b=1.7、以及硅胶（Silicone），其折射率为n_c=1.45所构成的堆叠。但在其他实施例中亦可使用其他材料的组合。利用层和层间的折射率差异小，远离发光二极管110的折射率逐渐变小所形成的渐变折射率层，可以有效地降低光线的全反射现象，所用的材料可以为：玻璃（折射率为1.5~1.9）、树脂（Resin，折射率为1.5~1.6）、类钻碳膜（DiamondLikeCarbon，DLC，折射率为2.0~2.4）、二氧化钛（TitaniumOxide，TiO₂，折射率为2.2~2.4）、二氧化硅（SiliconOxide，SiO₂，折射率为1.5~1.7）或氟化镁（MagnesiumFluoride，MgF，折射率为1.38）等组合。在本实施例中，发光二极管110可选用GaN蓝光LED芯片，其折射率为2.4。因此，通过堆叠的渐变折射率使层和层间的折射率差异较小，可以有效地降低光线的全反射现象。

本实施例的发光装置20，在导光层113上设置如上述实施例所述的波长转换结构10，光从发光二极管110发出后，经过导光层113后进入波长转换结构10，通过导光层113具有的多个材料层，材料层间的折射率的差异较小，可以有效减少光因全反射所造成的损失。当光通过导光层113入射到波长转换结构10时，其中第二荧光粉层103较靠近发光二极管110，发光二极管110所产生的光以第二荧光粉层103为入光面，第一荧光粉层102为出光面。发光二极管110所产生的光激发第二荧光粉层103的第二荧光粉颗粒，产生激发光线，该激发光线会再入射到第一荧光粉层102，第一荧光粉颗粒相对于第二荧光粉颗粒有较大的比表面积，以及第二荧光粉颗粒的体密度堆积相对于第一荧光粉颗粒体密度堆积来得致密。当激发光线入射到第一荧光粉层102时，会造成散射现象破坏导电基板和第一荧光粉层102间的全反射。当至少部分的第一荧光粉颗粒接触导电基板101时，如同将波长转换结构形成介面粗化效果，所造成的散射现象会减少导电基板101和第一荧光粉层102介面的反射而增加出光效率。

本实施例所示的发光装置20为平板状的封装结构，在其它的实施例中，波长转换结构10的导电基板101不限于平板，也可以为凸透镜、凹透镜或三角锥等形状，亦即导电基板101的表面为平面、曲面、或曲折面。

表1显示本发明实施例所披露的发光装置20具有波长转换结构10的测试出光强度比较表，比较波长转换结构10具（一）将第一荧光粉颗粒和第二荧光粉颗粒混合后沉积于导电基板101上的堆叠结构、（二）第二荧光粉层103/第一荧光粉层102/导电基板101的堆叠结构、（三）第二荧光粉颗粒/导电基板101的堆叠结构、以及（四）第一荧光粉层102/第二荧光粉层103/导电基板101的堆叠结构的光学效率比较表。其中（二）第二荧光粉层103/第一荧光粉层102/导电基板101的堆叠结构，其光通量为173流明，相较于其它的堆叠结构，其光通量约增加3-4%，其结果如表1所示。

表1传统分离式荧光粉封装结构出光效率与利用波长转换结构10的荧光粉封装结构的发光效率比较表

本发明的发光装置的优选实施例已说明如前，但并不限于上述的方法，本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神与范围内，所完成的等效改变或修饰，均包含在本发明的申请专利范围内。

Claims

1.一种波长转换结构，包含:

第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；

第二荧光粉层位于该第一荧光粉层上，包括多个第二荧光粉颗粒，其中该第二荧光粉颗粒的平均粒径大于该第一荧光粉颗粒的平均粒径；以及

胶材层，包含填充在该第一荧光粉层的该第一荧光粉颗粒和该第二荧光粉层的该第二荧光粉颗粒空隙中的胶材，其中该胶材层的厚度大于该第一荧光粉层加上该第二荧光粉层的厚度，

其中，该波长转换结构具有均一的厚度。

2.如权利要求1所述的波长转换结构，还包含导电基板于该第一荧光粉层的一侧。

3.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该第二荧光粉颗粒的平均粒径和该第一荧光粉颗粒的平均粒径比为3:1至5:1之间，其中该第一荧光粉颗粒的粒径分布范围介于225-275纳米，及/或其中该第二荧光粉颗粒的粒径分布范围介于740-910纳米。

4.如权利要求1-3中任一项所述的波长转换结构，其中，该第一荧光粉层和该第二荧光粉层包含黄色荧光粉。

5.如权利要求4所述的波长转换结构，该胶材层包括有机化合物或无机化合物，其中该有机化合物及无机化合物的折射率介于1.45至2。

6.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该第一荧光粉层的厚度为该第一荧光粉颗粒的平均粒径的1.5至4倍。

7.一种波长转换结构的制造方法，包含:

形成第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；

提供基板于该第一荧光粉层的一侧；

形成第二荧光粉层于该第一荧光粉层之上，包括多个第二荧光粉颗粒，其中该第二荧光粉颗粒的平均粒径大于该第一荧光粉颗粒的平均粒径，并且该第一及/或该第二荧光粉层可利用电泳法或重力沉积法形成于该基板之上；

填入胶材至该第一荧光粉层的该第一荧光粉颗粒和该第二荧光粉层的该第二荧光粉颗粒空隙中形成胶材层，其中该胶材层的厚度大于该第一荧光粉层加上该第二荧光粉层的厚度。

8.如权利要求7所述的波长转换结构的制造方法，该胶材层包括有机化合物或无机化合物。

9.如权利要求8所述的波长转换结构的制造方法，其中该有机化合物包含硅胶，其中该硅胶系利用填胶法形成。

10.一种发光装置，包含:

载板；

发光元件，设置于该载板之上；

波长转换结构，位于该发光元件上，该波长转换结构包含:

第一荧光粉层，包括多个第一荧光粉颗粒；

第二荧光粉层，包括多个第二荧光粉颗粒，其中该第二荧光粉颗粒的平均粒径大于该第一荧光粉颗粒的平均粒径；以及

其中，该第一荧光粉层位于该第二荧光粉层上，该第二荧光粉颗粒的平均粒径不相同于该第一荧光粉颗粒的平均粒径；

其中，该波长转换结构具有均一的厚度。

11.如权利要求10所述的发光装置，还包含导电基板于该第一荧光粉层的一侧。

12.如权利要求10所述的发光装置，其中该第二荧光粉颗粒的平均粒径和该第一荧光粉颗粒的平均粒径比为3:1至5:1之间，其中该第一荧光粉颗粒的粒径分布范围介于225-275纳米，及/或该第二荧光粉颗粒的粒径分布范围介于740-910纳米。

13.如权利要求10-12中任一项所述的发光装置，其中该第一荧光粉层和该第二荧光粉层包含黄色荧光粉。

14.如权利要求13所述的发光装置，该胶材层包括有机化合物或无机化合物，其中该有机化合物或无机化合物的折射率介于1.45至2。

15.如权利要求14所述的发光装置，其中该有机化合物包含硅胶，其折射率为1.45。

16.如权利要求12所述的发光装置，其中该第一荧光粉层的厚度为该第一荧光粉颗粒平均粒径的1.5至4倍。