CN103329294A - 包括光散射层的led组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种LED组件，该LED组件包括被提供在LED的磷光体层和过滤器层之间的光散射层。

Description

包括光散射层的LED组件
技术领域
本发明涉及发光二极管(LED)组件的领域。本发明具体地涉及增强的均匀发射磷光体转换LED光组件(pcLED)。这种组件经常被采用以提供白光。
背景技术
白光发光LED通常包括与磷光体层组合的蓝光发光LED，该磷光体层被该LED的蓝光发射激励而发射黄/红光，黄/红光和蓝光发射的组合提供白光。对于发射角度为0°的垂直于LED管芯表面或垂直于磷光体层表面的法向方向，由蓝光发光LED发射的光线在磷光体层中的直接路径长度(不被散射)等于磷光体层的厚度。对于增大的发射角度，蓝光光线的直接路径长度增大。因此，对于发射角度为0°的光线，被磷光体层吸收的蓝光光线的份额低于具有增大的发射角度的光线。由于磷光体层发射的经转换光总是具有近似朗伯的随角度分布，LED发射的白光含有更多的由LED发射的蓝光，对于发射角度约为0-30°的法向发射附近的小发射角度，这导致更高的相关色温。通常，磷光体层为Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)。在这种YAG:Ce磷光体层的情况下，发射光随着发射角度增大而变为淡黄色，被感知为黄色环。为了解决黄色环问题，已知的是增大磷光体层的散射能力和/或在磷光体层顶上添加散射层。对于这两种情况，黄色环问题的减轻导致LED效率降低，因为散射伴有导致光损失的光反射。具体地，降频转换的磷光体发射的散射导致伴有反射损失的反射。
例如在欧洲专利申请09175903中引入了过滤器层，该过滤器层包括高折射率材料和较低折射率材料的交替层。
然而，仍然继续需要进一步改进LED组件，从而进一步克服上述缺点并且提供LED组件的更均匀发射强度(emittance)轮廓。
发明内容
本发明的目的是提供一种LED组件，其进一步改进LED的均匀发射强度轮廓。
此目的由根据本发明权利要求1的LED组件解决。因此，提供了一种LED组件，其包括LED管芯、磷光体层、过滤器层和光散射层，该光散射层被提供在由LED管芯发射的光的路径中位于该磷光体层和该过滤器层之间，其中
- 该光散射层和毗邻该光散射层的过滤器层的材料之间的折射率差异Δn为Δn≥0.2，优选地Δn≥0.3，以及；
- 在该LED的方向上该光散射层和毗邻该光散射层的层的材料之间的折射率差异Δn为Δn≥0.2，优选地Δn≥0.3，
- 以及该光散射层的厚度D和该光散射层的折射率n的乘积为1900nm≥n*D≥400nm。
根据本发明的LED管芯优选地为蓝色发光LED，不过这不是限制。
在本发明的一些应用中，在LED的方向上毗邻光散射层的层可以是磷光体层，然而在其它应用中，此层可以是例如被提供在磷光体层和光散射层之间提供的玻璃层。
根据本发明的磷光体层优选地包括一种或多种红光到绿光发光材料，所述材料吸收来自LED管芯的光。优选的磷光体层材料为例如Lu1.5Y1.5Al5O12:Ce3+(LuYAG:Ce)，不过这不是限制并且本领域技术人员知晓的任何合适材料可以被使用。
根据本发明的术语“过滤器层”优选地包括电介质过滤器层。优选地，该过滤器层按照这种方式发展，使得从LED管芯发射的波长为大约400nm至500nm，优选地大约420nm至490nm的光线取决于它们相对于法向的发射角度在过滤器层上至少部分地被反射。应指出，过滤器层可以包括若干子层(实际上这是本发明的一个优选实施例，如下文所更详细描述)，因而在此上下文中的术语“层”并不意图限制这样的意义，即，此层仅仅由一种材料构成。优选地，过滤器层选自通过引用结合于此的欧洲专利申请09175903中描述的层。特别地，优选的是，过滤器层包括交替的低和高折射率材料的电介质层涂层。
术语“光散射层”特别是指和/或包括能够散射入射光并且仍然具有良好透明度的层。优选地，光仅仅在散射层与邻近转换层和过滤器层的各界面处通过在所述界面的折射而被散射。
这种LED组件对于本发明中的宽范围应用已经表现出具有至少一个下述优点：
- 利用光散射层，针对期望的颜色随角度的均匀性的包装效率提高，
- 更宽范围的转换层或衬底层的表面粗糙度可以被使用，
- LED组件表现出改进的颜色瞄准能力。
根据本发明的优选实施例，光散射层的厚度D和光散射层的折射率n的乘积为1600nm≥n*D≥900nm，更优选地1400nm≥n*D≥1000nm，并且最优选地1200nm≥n*D≥1100nm。这已经在实践中表现出另外提高光散射层的能力。
然而，对于大多数应用(取决于被选择为光散射层的材料)会是优选的是，光散射层的厚度D为800nm≥D≥300nm(即，与折射率无关)。更大的厚度会导致光散射层的制造工艺中的问题，更小的厚度会导致性能急剧下降。更优选地，光散射层的厚度D为700nm≥D≥400nm，更优选地为600nm≥D≥500nm。
根据本发明的优选实施例，其中光散射层的材料基本上选自包括无机氧化物的群组，优选地选自包括ZrO2、Y2O3、Ta2O5、Nb2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2或其混合物的群组。由于这些材料的透明度以及期望的折射率的原因，这些材料已经在实践中证明自己。
术语“基本上”特别地指≥95%，优选地≥97%以及最优选≥99%重量百分比(wt-%)。然而，在一些应用中，在总成分中还可以存在痕量的添加剂。这些添加剂也包括过渡金属元素，该过渡金属元素可以被应用从而引入层的专用光吸收属性。
本发明另外涉及包括根据本发明的LED组件的系统，该系统在一种或多种下述应用中被使用：
办公室照明系统，
家庭应用系统，
商店照明系统，
家居照明系统，
重点照明系统，
聚光照明系统，
剧院照明系统，
光纤应用系统，
投影系统，
自点亮显示器系统，
像素化显示器系统，
分段显示器系统，
警告标志系统，
医疗照明应用系统，
指示标志系统，以及
装饰照明系统，
便携系统，
汽车应用，
温室照明系统。
前面提到的部件、以及要求保护的部件和根据本发明在所描述实施例中将使用的部件，就它们的尺寸、形状、材料选择和技术构思而言不存在任何特殊例外，使得相关领域中已知的选择标准可以不受限制地被应用。
附图说明
在从属权利要求、附图和对各附图及实例的以下描述中公开了本发明目的的附加细节、特征、特性和优点，其中各附图及实例以示例性方式示出根据本发明的发明LED组件的若干实施例和实例。
图1示出根据本发明一个实施例的LED组件的示意性截面视图。
图2示出根据示例I和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图3示出根据示例I的LED组件对于不同角度的若干透射谱。
图4示出根据示例II的LED组件对于不同角度的若干透射谱。
图5示出根据示例II和比较示例的组件的描述色点变化与发射角度的函数的图示。
图6示出根据示例III和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图7示出根据示例IV和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图8示出根据示例V和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图9示出根据示例VI和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图10示出根据示例VII和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图11示出根据示例VIII和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
图12示出根据示例IX和一个比较示例的LED组件的在0°的透射与波长的函数。
具体实施方式
图1示出根据本发明一个实施例的LED组件1的示意性截面视图。它含有LED管芯10(优选地蓝光LED)，其中磷光体层12、光散射层16和过滤器层14被提供在LED管芯10顶部上。
示例I
本发明将通过下述示例I而进一步被理解，该示例I纯粹用于说明并且不具有约束力。根据示例I，光散射层以及过滤器层(含有若干子层)根据表I被提供在磷光体层上。
作为比较示例，使用了不具有该光散射层的类似组件。图2示出根据示例I(直线)和比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出某些“轻移(nudge)”和“边缘(edge)”，这表现出改进的散射特征。图3示出根据示例I的LED组件对于不同角度的若干透射谱。此处也可以清楚地看到本发明组件的改进的属性。
示例II
第二发明组件按照与示例I类似的方式，利用表II中定义的设置来制作。
图4示出根据示例II的LED组件对于不同角度的若干透射谱，清楚地(如在图3中)描述了改进的发射强度轮廓。图5示出根据示例II和不具有光散射层的比较示例的组件的描述色点变化(CIE 1796)与发射角度的函数的图示(暖白色LED，CCT=2700K)。可以清楚地看出，本发明示例的变化小得多。
示例III
第三发明组件按照与示例I和II类似的方式，利用表III中定义的设置来制作。
图6示出根据示例III(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例IV
第四发明组件利用下述设置制作：170μm的玻璃衬底在一个侧面被喷砂以产生Ra=190nm的表面。磷光体粉末层在玻璃衬底上沉积在硅树脂基体中，并且散射层与过滤器层一起被沉积在玻璃衬底的相对侧面上。示例IV的设置的细节见表IV。
图7示出根据示例IV(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例V
第五发明组件按照与示例I至IV类似的方式，利用表V中定义的设置来制作。
图8示出根据示例V(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例VI
第六发明组件按照与示例I至V类似的方式，利用表VI中定义的设置来制作。
图9示出根据示例VI(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例VII
第七发明组件按照与示例I至VI类似的方式，利用表VII中定义的设置来制作。
图10示出根据示例VII(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例VIII
第八发明组件按照与示例I至VII类似的方式，利用表VIII中定义的设置来制作。
图11示出根据示例VIII(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
示例IX
第九发明组件按照与示例II类似的方式，利用表IX中定义的设置来制作。
图12示出根据示例IX(直线)和不具有光散射层的比较示例(虚线)的组件的在0°的透射与波长的关系。可以清楚地看出，本发明组件表现出一些“轻移”和“边缘”，这表现出改进的散射特征。
在上文详述实施例中的要素和特征的特定组合仅为示例性的；这些教导与本申请和以引用方式结合的专利/申请中的其它教导的互换和替代也被清楚地考虑到。如本领域技术人员将理解，本领域普通技术人员可以想到此处所描述内容的变型、修改和其它实施方式，而不背离所要求保护的发明的精神和范围。因此，前述描述仅仅是通过实例的方式，而非意图是限制性的。在权利要求中，措词“包括”不排除存在其它要素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在互不相同的从属权利要求中列举了某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。本发明的范围在下述权利要求及其等同物中限定。此外，说明书和权利要求中使用的附图标记不限制所要求保护的发明的范围。
表I：示例I的设置
层 材料 厚度(nm)
衬底 (Lu,Y)AG_Lumiramic  
光散射层 Nb2O5 500.0
过滤器层：    
1 SiO2 49.81
2 Nb2O5 15.22
3 SiO2 89.2
4 Nb2O5 16.32
5 SiO2 79.14
6 Nb2O5 20.78
7 SiO2 66.61
8 Nb2O5 22.55
9 SiO2 65.03
10 Nb2O5 23.32
11 SiO2 65.69
12 Nb2O5 18.9
13 SiO2 81.22
14 Nb2O5 13.95
15 SiO2 105.62
16 Nb2O5 13.56
17 SiO2 92.85
18 Nb2O5 24.83
19 SiO2 73.59
20 Nb2O5 36.14
21 SiO2 62.09
22 Nb2O5 35.67
23 SiO2 90.29
24 Nb2O5 16.05
25 SiO2 161.65
26 Nb2O5 19.28
27 SiO2 65.59
28 Nb2O5 162.24
29 SiO2 72.25
30 Nb2O5 15.19
     
出射介质 硅树脂  
     
总厚度   2174.6
表II：示例II的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE002
表III：示例III的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE004
表IV：示例IV的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE006
表V：示例V的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE008
表VI：示例VI的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE010
表VII：示例VII的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE012
表VIII：示例VIII的设置
表IX：示例IX的设置
Figure 2012800073016100002DEST_PATH_IMAGE016

Claims (6)

1.一种发光二极管(LED)组件，包括：
LED管芯(10)、磷光体层(12)、过滤器层(14)和光散射层(16)，该光散射层被提供在由LED管芯(10)发射的光的路径中位于该磷光体层和该过滤器层之间，其中
- 该光散射层(16)和毗邻该光散射层(16)的该过滤器层(14)的材料之间的折射率差异Δn为Δn≥0.2，以及；
- 在该LED的方向上该光散射层和毗邻该光散射层的层(12)的材料之间的折射率差异Δn为Δn≥0.2；
- 以及该光散射层(16)的厚度D和该光散射层的折射率n的乘积为1900nm≥n*D≥400nm。
2.根据权利要求1的材料，其中1400nm≥n*D≥1000nm，优选地1200nm≥n*D≥1100nm。
3.根据权利要求1或2的材料，其中该光散射层(16)的材料基本上选自包括无机氧化物的群组，优选地选自包括ZrO2、Y2O3、Ta2O5、Nb2O5、SiO2、TiO2、Al2O3、HfO2或其混合物的群组。
4.根据权利要求1-3中任意一项的LED组件，其中该光散射层(16)的厚度D为800nm≥D≥300nm。
5.根据权利要求1-4中任意一项的LED组件，其中所述过滤器层(14)包括交替的低和高折射率材料的电介质层涂层。
6.一种系统，其包括根据权利要求1-4中任意一项的材料和/或根据权利要求4-7中任意一项制造的材料和/或根据权利要求8的结构，该系统在一种或多种下述应用中被使用：
办公室照明系统，
家庭应用系统，
商店照明系统，
家居照明系统，
重点照明系统，
聚光照明系统，
剧院照明系统，
光纤应用系统，
投影系统，
自点亮显示器系统，
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