CN102956801A - 波长转换结构及其制造方法，以及包含其的发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长转换结构及其制造方法，以及包含其的发光装置。该波长转换结构包含荧光粉层，所述的荧光粉层包括第一区域及第二区域，其中第二区域位于第一区域上，且第一区域与第二区域具有空隙。第一材料层形成于该荧光粉层的第一区域的空隙，以及第二材料层形成于荧光粉层的第二区域的空隙。

Description

波长转换结构及其制造方法,以及包含其的发光装置

技术领域

本发明涉及一种波长转换结构及其制造方法，特别是一种具有高光取出效率(Light Extraction Efficiency)的波长转换结构及其制造方法。

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(Light Emitting Diode，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(Yttrium Aluminum Garnet，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(Conformal Coating)及分离式荧光粉(Remote Phosphor)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芯片的上，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，而因封装树脂和荧光粉折射率的不同，容易造成全反射的效应，因此降低发光效率。

发明内容

根据本发明的一实施例，一种波长转换结构，包含荧光粉层，包括第一区域及第二区域，其中第二区域位于第一区域上，且第一区域与第二区域具有空隙。第一材料层形成于荧光粉层该第一区域的空隙；以及第二材料层形成于荧光粉层的第二区域的空隙。

根据本发明的一实施例，一种波长转换结构，包含第一材料层及第二材料层，其该第二材料层位于第一材料层之上；以及多个荧光粉颗粒，其中多个荧光粉颗粒散布于该第一材料层及该第二材料层内。

根据本发明的另一实施例，一种波长转换结构的制造方法包含：提供基板；形成荧光粉层于基板之上，荧光粉层包括第一区域及第二区域，其中第二区域位于第一区域上，且第一区域与第二区域具有空隙；形成第一材料层于第一区域的空隙；以及形成第二材料层于第二区域的空隙。

根据本发明的另一实施例，一种发光装置，包含载板，发光元件，设置于载板之上；第一导光层，包覆发光元件并设置于载板之上；一种波长转换结构，位于第一导光层上，其中波长转换结构，包含：导电基板；荧光粉层，包括第一区域及第二区域，其中第一区域位于第一导光层上，第二区域位于第一区域上，且第一区域与第二区域具有空隙；第一材料层形成于荧光粉层的第一区域的空隙；以及第二材料层形成于荧光粉层的第二区域的空隙。

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为波长转换结构的第一区域镀上第一材料层的示意图。

图3为填入第二区域的第二材料层上表面高于荧光粉层顶面的示意图。

图4为波长转换结构的荧光粉层的电子显微镜照片图。

图5为荧光粉层镀入第一材料层的电子显微镜照片图。

图6为第二材料层位于第一材料层上的电子显微镜照片图。

图7为本发明荧光粉封装结构的示意图。

附图标记说明

10  波长转换结构

101 导电基板

102 荧光粉层

103 第一材料层

104 第二材料层

105 第一区域

106 第二区域

110 发光二极管

111 封装基板

112 支架

113 导光层

20  发光装置

具体实施方式

以下，将搭配图示就本发明的优选实施例加以详细说明。所列出的实施例用以使本发明所属技术领域中普通技术人员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。在本说明书的图示中，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示中，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，当本说明书描述一元件或一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，若是本说明书描述一元件或一材料层系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示意图。波长转换结构10，包括导电基板101、荧光粉层102、第一材料层103和第二材料层104。荧光粉层102形成于导电基板101之上，由荧光粉颗粒所组成，荧光粉颗粒之间具有空隙。荧光粉层102包括有第一区域105和第二区域106，其中第一区域105位于导电基板101的上方，第二区域106位于第一区域105的上方，第一区域105和第二区域106的厚度和等于荧光粉层102的厚度。第一材料层105位于导电基板101上，所述的第一材料层105由无机化合物填入第一区域103的空隙中，形成厚度小于荧光粉层102厚度的薄层。第二材料层104位于第一材料层103的上方，由胶材填入荧光粉层第二区域106的空隙中所形成。

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无机化合物(TCO)。荧光粉层102形成于导电基板101的上方，其组成材料可以包括但不限于黄光陶瓷荧光材料。荧光粉层102的荧光粉颗粒的粒径分布约为225-825nm，荧光粉颗粒间具有空隙。荧光粉层102包括有第一区域105和第二区域106，所述的第一区域105的厚度小于荧光粉层102的厚度，第一区域105和荧光粉层102的厚度比值介于0.5至1.9之间。所述的第二区域106的度厚等于荧光粉层102的厚度减去第一区域105的厚度。

如图2所示，无机化合物填入第一区域105荧光粉颗粒间的空隙，形成所述的第一材料层103。无机化合物的材料例如为金属氧化物，包括但不限于氧化锌(ZnO)、氧化铝(Al₂O₃)、氧化铟锡(ITO)、氧化铝锌(AZO)或铟镓锌氧化物(InGaZnO，IGZO)。以荧光粉层102材料为黄光陶瓷荧光粉为例，其折射率约为2，无机化合物材料优选地选择为具有相近的折射率材料，例如选择氧化锌(ZnO)，其折射率约为1.8至2。第一材料层103和荧光粉层102的折射率相近，可有效减少材料间因折射率的不同，而导致发光效率的损失。在荧光粉颗粒间填入无机化合物材料，也可以当作粘结剂的作用以增加荧光粉层102的机械强度。

胶材填入荧光粉层102的第二区域106空隙中，形成第二材料层104，请参阅图1的波长转换结构10。第二材料层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(Titanium Oxide，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(Magnesium Fluoride，MgF，折射率为1.38)等。第二材料层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1.6。

第二区域106的厚度等于荧光粉层102的厚度减去第一区域105的厚度。在另一实施例中，第二材料层104的厚度大于第二区域106的厚度，第二材料层104的顶面124会高于荧光粉层102的顶面126，可以使波长转换结构10的表面更平整化，如图3所示。

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，所述的导电基板101可以如ITO玻璃。通过电泳技术沉积荧光粉颗粒于ITO玻璃的表面上以形成一荧光粉层102。如图4的SEM照片所示。本实施例的荧光粉层102为一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的技术不限定于电泳法，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。接着再以电镀的方式将透明的无机化合物(如ZnO)镀入荧光粉层102中第一区域105的空隙中，形成第一材料层103。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。所述的无机化合物可当作荧光粉颗粒的粘结剂以增加荧光粉层102的机械强度，如图5的SEM照片所示。第一材料层103沉积的厚度可依荧光粉的颗粒及/或空隙大小不同而调整。沉积第一材料层103的方法不限定于电镀，也可以包括其它可将无机化合物镀入荧光粉的空隙中的方法，例如CVD法、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)法。最后再以填胶的方式将荧光粉层102的第二区域106部分完全填满，如图6的SEM照片所示。填胶法的细节已为本发明所属技术领域中普通技术人员所习用，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。

如图7所示，为本发明优选实施例的发光装置示意图。发光装置20包括封装基板111、发光二极管110、支架、导光层以及波长转换结构10。所述的发光二极管110位于封装基板111上。导光层113覆盖所述的封装基板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，其中所述的波长转换结构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。

本实施例导光层113为光通过层，可以为具有增进光取出效率(Improved Light Extraction Efficiency)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(Gradient Refractive Index，GRIN)。在本实施例中，导光层113的多个材料层可以为由氮化硅(Silicon Nitride，Si₃N₄)，其折射率为n_a＝1.95、三氧化二铝(Aluminum Oxide，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(Diamond Like Carbon，DLC，折射率为2.0～2.4)、二氧化钛(Titanium Oxide，TiO₂，折射率为2.2～2.4)、二氧化硅(Silicon Oxide，SiO₂，折射率为1.5～1.7)或氟化镁(Magnesium Fluoride，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，是在导光层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，光入射到折射率较低的第二材料层104，之后再进入到荧光粉层102及和荧光粉折射率相近的第一材料层103中。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。无机化合物和荧光粉颗粒的折射率相近，也可以减少光在荧光粉颗粒间的散射。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，其是比较荧光粉层102空隙中只填入硅胶及荧光粉层102孔隙中填入无机化合物ITO、硅胶及ZnO材料的光学效率。于此测试可知，荧光粉层102孔隙未填入无机化合物，只喷涂硅胶时，其发光效率为32.15流明/瓦；荧光粉层102孔隙中填入ZnO、硅胶及ITO材料时，其发光效率为35.9-36.8流明/瓦，其中当电镀ZnO时间为45min时，发光效率为35.9流明/瓦，电镀ZnO时间为90min时发光效率为36.8流明/瓦。本实施例的无机化合物ZnO混合硅胶材料的波长转换结构10，比未混合无机化合物的出光强度高出约14％。电镀ZnO时间90分钟的发光效率较电镀ZnO时间45分钟高，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的发光装置的发光效率比较表

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普通技术人员，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 (20)

1.一种波长转换结构，包含：

荧光粉层，包括第一区域及第二区域，其中该第二区域位于该第一区域上，且该第一区域与该第二区域具有空隙；

第一材料层，形成于该荧光粉层的该第一区域的空隙；以及

第二材料层，形成于该荧光粉层的该第二区域的空隙。

2.一种波长转换结构，包含：

第一材料层及第二材料层，其中该第二材料层位于该第一材料层之上；以及

多个荧光粉颗粒，其中该多个荧光粉颗粒散布于该第一材料层及该第二材料层内。

3.如权利要求1或2所述的波长转换结构，还包含导电基板，于该第一材料层的一侧。

4.如权利要求1或2所述的波长转换结构，其中该第一材料层包含无机化合物，及/或该第二材料层包含有机化合物或无机化合物。

5.如权利要求4所述的波长转换结构，其中该无机化合物为金属氧化物，包含选自于氧化锌、氧化铝、氧化铟锡、氧化铝锌、及铟镓锌氧化物所组成的组的至少一种材料，及/或该第二材料层包含硅胶或玻璃。

6.如权利要求1或2所述的波长转换结构，其中该第一材料层的折射率约介于1.8至2，及/或该第二材料层的折射率约介于1.3至1.6。

7.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该荧光粉层包含黄色荧光粉。

8.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该第一区域的厚度为该荧光粉层厚度的0.5至0.9倍。

9.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该第二材料层的上表面高于该荧光粉层的顶面。

10.如权利要求3的波长转换结构，其中该基板的表面为平面、曲面、或曲折面，及/或该基板的折射率为1.7至2.0。

11.如权利要求1所述的波长转换结构，其中该荧光粉层的折射率与该第一材料层的折射率差异小于0.3。

12.如权利要求3所述的波长转换结构，其中该基板的折射率小于该荧光粉层的折射率。

13.一种波长转换结构的制造方法，包含：

提供基板；

形成荧光粉层于该基板之上，该荧光粉层包括第一区域及第二区域，其中该第二区域位于该第一区域上，且该第一区域与该第二区域具有空隙；

形成第一材料层于该第一区域的空隙；以及

形成第二材料层于该第二区域的空隙。

14.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中，该荧光粉层可利用电泳法或重力沉积法形成于该基板之上。

15.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中，该第一材料层是利用电镀法、化学汽相沉积法、或溶胶-凝胶法将第一材料形成于该荧光粉层的空隙，及/或该第二材料层是利用填胶法形成。

16.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中该第一材料层的厚度为该荧光粉层厚度的0.5至0.9倍。

17.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中该第二材料层的上表面高于该荧光粉层的顶面。

18.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中该基板的折射率小于该荧光粉层的折射率。

19.如权利要求13所述的波长转换结构的制造方法，其中该荧光粉层的折射率与该第一材料层的折射率差异小于0.3。

20.一种发光装置，包含：

载板；

发光元件，设置于该载板之上；

第一导光层，包覆该发光元件并设置于该载板之上；以及

一种波长转换结构，邻近该第一导光层上，其中该波长转换结构，包含：

荧光粉层，包括第一区域及第二区域，其中该第一区域位于该第一导光层上，该第二区域位于该第一区域上，且该第一区域与该第二区域具有空隙；

第一材料层形成于该荧光粉层的该第一区域的空隙；以及

第二材料层形成于该荧光粉层的该第二区域的空隙。

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