CN105226171A - 一种发光二极管模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种发光二极管模块，包括基板，还包括用于发出可见光且连接于基板上的独置发光二极管芯片和至少1颗连接于基板上的发光单元，或至少2颗连接于基板上的发光单元；所述发光单元包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层；所有的发光单元中至少有一颗的光转换层为红色转换层；该红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，发射光谱主波长为600-670nm。本发明解决RGB发光二极管混光的频谱窄、结构复杂性、控制系统成本与可靠性问题。同时能够形成的混合光之间的配比较为接近预先设定的配比，这样能提高发光模块的光效和显色指数。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，具体涉及一种发光二极管模块。
背景技术
在照明应用中我们需要混合不同波长可见光做成的白光，现有技术中，利用发光二极管类实现混合白光的主流方案有两种：
1)RGB发光二极管混光：通过不同材质的发光二极管发出不同波长的光，混合后形成白光，如附图1、2所示。这种方案有以下不足：要制造显色指数高的白光LED光源，我们需要添加能发出红光的元素，即利用红光芯片混光。
由于不同波段的发光二极管只能发出一种颜色的光，因而光谱独一而且频谱窄，RGB发光二极管所拼合的光谱是非连续性的，如附图4所示。光源虽然显色指数较高，但需要多种芯片去集成拼合，增加了结构的复杂性，造成封装工艺中的困难。另外由于不同波长的芯片材质不一，芯片的驱动电压也不一样，以数种芯片混光的方案需要数个电路，大大增加了控制系统的成本。芯片不一同时也带来可靠性的问题，发光二极管在应用过程中会老化，可是不同材质的发光二极管老化速度并不一致，光源的颜色会随时间漂移，变得不适合照明应用。
2)光转换层发光二极管混光：利用光转换材料把发出自发光二极管的转换成其他波长的光，光转换层是由高分子透明材料作为基材，荧光粉为光转换材料分布在基材里，光转换层覆盖会在发光二极管表面，如附图3所示。蓝光从芯片发出，激发光转换层里不同颜色的荧光粉，被转换形成的黄绿光和红光和部分没有被转换的蓝光一起混合形成白光。
为了达到较高的显色指数，光转换发光二极管会在光转换层混合红、黄绿色的荧光粉。红色荧光粉的激发波段为200-610nm，可以吸收包括除了红光外的其他可见光波长。在理想情况下，从发光二极管芯片发出的蓝光经过两种荧光粉后，被转换的光和部分没有被转换的光一起混合形成白光。但是，黄绿色荧光粉发射的黄绿光会有部分被红色荧光粉再次吸收并转换为红光，如图5所示，而且这个光吸收率在不同波长下是非线性的，使得这种包含多种荧光粉的混合调配要达成一些高显色指数的目标光谱非常困难，甚至不可能。再者，黄绿光被再吸收会导致能量损失，进一步降低光效。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在在问题，提供一种发光二极管模块，其使用带有红色转换层的红光单元代替红光芯片，以红光单元组成可以发出白光的发光二极管模块，其提高了发光模块的光效和显色指数。
为实现上述目的，本方案采用的技术方案有两种：
第一：一种发光二极管模块，包括基板，还包括用于发出可见光且连接于基板上的独置发光二极管芯片和至少1颗连接于基板上的发光单元；
所述发光单元包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层；
所有的发光单元中至少有一颗的光转换层为红色转换层；该红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，发射光谱主波长为600-670nm。
从内置发光二极管发出的光经过红色转换层，部分光转换为红光，与独置发光二极管芯片发出其他颜色的光混合成为白光。
第二：一种发光二极管模块，包括基板，还包括至少2颗连接于基板上的发光单元；
所述发光单元包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层；
所有的发光单元中至少有一颗的光转换层为红色转换层；该红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，发射光谱主波长为600-670nm。
从内置发光二极管发出的光经过红色转换层，部分光转换为红光，与其他发光单元发出的其他颜色的光混合成白光。
在上述两种方案下，其各自的优选方案还包括以下情形：
上述方案优选的，所述光转换层的基体材料的光折射率可以为1.35-1.60。
上述方案优选的，光转换层的基体材料贴合在所述内置发光二极管芯片的表面。
上述方案优选的，所述独置发光二极管芯片或内置发光二极管发出主波长为440-470nm的蓝光，并且其中一个发光单元的光转换层为黄绿色转换层，所述黄绿色转换层吸收部分蓝光并激发出黄绿光。
上述方案优选的，所述黄绿色转换层包括黄绿色荧光粉，所述黄绿色荧光粉的成分为石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体中的一种或多种。
上述方案优选的，所述光转换层的基体材料为透明树脂，透明树脂的成分为有机硅树脂、环氧树脂和丙烯酸类树脂中的一种或多种。
上述方案优选的，所述红色转换层包括红色荧光粉，所述红色荧光粉的成分为氮化物荧光体和/或硫化物荧光体。通过改变荧光粉和基体材料的重量比，从而达到改变本发光二极管模块的色温的目的。红色荧光粉和红色转换层的基体材料的重量比为5-70:30-95。
上述方案优选的，所述红色转换层的激发波长范围为200-610nm，发射光谱主波长为600-670nm，所述黄绿色转换层的激发波长范围为200-490nm，发射光谱主波长为520-575nm。
上述方案优选的，红色转换层的发射波长大于其他光转换层的发射波长。
与现有技术相比，本发明使用带有红色转换层的红光单元代替红光芯片，以红光单元组成可以发出白光的发光二极管模块。这方案解决RGB发光二极管混光的频谱窄、结构复杂性、控制系统成本与可靠性问题。同时由于黄绿发光单元与红光单元没有直接接触，这减少从黄绿发光单元出来的黄绿光再次被红光转换层二次激发的机会，从而使最终形成的混合光之间的配比较为接近预先设定的配比，这样能提高发光模块的光效和显色指数。
附图说明
图1、2为现有技术中RGB发光二极管混光的结构示意图；
图3为现有技术中光转换层发光二极管混光的结构示意图；
图4为图1、图2出光光谱的曲线图；
图5为图3出光光谱的曲线图；
图6为一种实施例的结构示意图；
图7为另一种实施例的结构示意图；
图8为另一种实施例的结构示意图；
图9为另一种实施例的结构示意图；
图10为另一种实施例的结构示意图；
图11为在2700K色温下，本发明所能达成的出光光谱的曲线图；
图12为在5000K色温下，本发明所能达成的出光光谱的曲线图；
图13为现有技术和本发明能达成的出光光谱的曲线对比图。
图中标号为：1、基板；2、发光单元；2-1、内置发光二极管芯片；2-2、光转换层；2-3、红光单元；2-4、黄绿光单元；2-5、蓝光单元；2-6、白光单元；3、独置发光二极管芯片。
具体实施方式
本发明为一种发光二极管模块，包括至少2颗发光单元2，所述发光单元2包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片2-1和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层2-2；所有的发光单元2中至少有一颗的光转换层2-2为红色转换层，其光转换层2-2为红色转换层的发光单元2，我们称之为红光单元2-3，发光单元2的发转换层为其他颜色的转换层的，如黄绿光转换层的，我们称之为黄绿光发光单元2。所述红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，红色转换层吸收内置发光二极管所发出的可见光，部分转化成波长为600-670nm的红光；其他的发光单元2，主要由其内置发光二极管芯片2-1与可被该内置发光二极管芯片2-1激发的光转换层2-2组成；红色转换层的发射波长大于其他光转换层2-2的发射波长。本发明利用红光单元2-3与其他发光单元2，所发出来的可见光组合，最终合成显色指数高的白光源。
另外，红色转换层和其他光转换层2-2均包括有荧光粉和基体材料。荧光粉用于吸收并激发经过其的光。基体材料为透明的，其用于决定光转换层2-2的光折射率。光转换层2-2的基体材料的光折射率优选为1.35-1.60。
光转换层2-2的基体材料的成分可以均优先选用有机硅树脂、环氧树脂和丙烯酸类树脂中的一种或多种。有机硅树脂的热氧性较为稳定，而且透明度较好。环氧树脂的耐热性好，而且成本较低。丙烯酸类树脂的耐光性及抗老化性能较好。再者，这些树脂材料无需使用高温固化，不会对填充的荧光粉造成损害。
在一个实施例中，如图6所示，发光二极管模块包括两个发光单元2组成。其中一个为红光单元2-3，其包括内置发光二极管芯片2-1，用于发出蓝光；在发光二极管芯片的发光面覆盖着红色转换层。另一个为黄绿光单元2-4，其包括内置发光二极管，用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着黄绿色转换层。
在另一个实施例中，如图9所示，发光二极管模块主要由四个发光单元2组成，可分别发出红光、蓝光、绿光和白光，为红光单元2-3、蓝光单元2-5、黄绿光单元2-4和白光单元2-6。其中红光单元2-3，用于发出红光，其包括内置发光二极管芯片2-1，内置发光二极管芯片2-1用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着红色转换层。黄绿光单元2-4，用于发出黄绿光，其包括内置发光二极管芯片2-1，内置发光二极管芯片2-1用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着黄绿转换层；所述黄绿色转换层包括黄绿色荧光粉，所述黄绿色荧光粉的成分包括下述中的至少一种：石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体；所述黄绿色转换层的激发波长范围为200-490nm，发射光谱主波长为520-575nm。白光单元2-6，用于发出白光，其包括内置发光二极管芯片2-1，内置发光二极管芯片2-1用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着白光转换层；白光转换层可由多于一种荧光粉组成，发射光谱的波长范围为300-670nm，所述白色转换层的荧光粉成分包括下述中的至少一种：石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体。蓝光单元2-5用于发出蓝光，其包括内置发光二极管芯片2-1和透明层。
本发明还公开了一种发光二极管模块，包括基板1、用于发出可见光且连接于基板1上的独置发光二极管芯片3和至少1颗连接于基板1上的发光单元2；所述发光单元2包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片2-1和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层2-2；所有的发光单元2中至少有一颗的光转换层2-2为红色转换层；该红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，发射光谱主波长为600-670nm。
在另一个实施例中，如图7所示，发光二极管模块主要由一个发光单元2和一个独置发光二极管芯片3组成。其中发光单元2为红光单元2-3，其包括内置发光二极管芯片2-1，用于发出蓝光；在内置发光二极管的发光面覆盖着红色转换层。独置发光二极管芯片3为黄绿光芯片，用于发出黄绿光，发射波长为520-575nm。
在另一个实施例中，如图8所示，发光二极管模块主要由两个发光单元2和一个独置发光二极管芯片3组成。两个发光单元2为红光单元2-3和黄绿光单元2-4，其中红光单元2-3用于发出红光，其包括内置发光二极管芯片2-1，内置发光二极管芯片2-1用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着红色转换层。黄绿光单元2-4用于发出黄绿光，其包括内置发光二极管芯片2-1，内置发光二极管芯片2-1用于发出蓝光；在内置发光二极管芯片2-1的发光面覆盖着黄绿转换层。所述黄绿色转换层包括黄绿色荧光粉，所述黄绿色荧光粉的成分包括下述中的至少一种：石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体。所述黄绿色转换层的激发波长范围为200-490nm，发射光谱主波长为520-575nm。
此外，如图10所示，发光二极管模块可以为本领域技术人员所熟知的正装、倒装或其他结构(例如垂直结构)等。另外，倒装的内置发光二极管芯片2-1或独置发光二极管芯片3封装时可以选用发光二极管倒装无金线芯片级封装。
对于各光转换层2-2的厚度及其荧光粉与基体材料的重量比的选择，主要取决于所述发光二极管模块的色温及尺寸要求而作出不同的配搭。容许的组合没有特别限制。
当发光二极管模块发出2700色温的白光时，发光二极管模块的发光单元2数目可为3个，红光单元2-3与黄绿光单元2-4的数量比例可为2：1。红光单元2-3的光转换层2-2的厚度可以为0.5mm，红色荧光粉与红色转换层的基体材料的重量比为5-70:30-95。黄绿光单元2-4的光转换层2-2的厚度可以为0.5mm，黄绿色转换层的厚度可以为0.5mm，黄绿色荧光粉与黄绿色转换层的基体材料的重量比为1∶2。
当发光二极管器件发出5000K色温，发光二极管模块的发光单元2数目可为5个，红光单元2-3与黄绿光单元2-4的数量比例可为2：3。红光单元2-3的转换层12的厚度可以为0.5mm，红色荧光粉与红色转换层的基体材料的重量比为5-70:30-95。黄绿光单元2-4的转换层的厚度可以为0.5mm，黄绿色转换层的厚度可以为0.5mm，黄绿色荧光粉与黄绿色转换层的基体材料的重量比为2∶3。
通过上述方式设置的发光二极管模块，从图11、12、13中可以看出，本发明的发光二极管模块所能达到的辐射通量分布与现有技术中的发光二极管模块所达到的辐射通量分布相差明显。本发明的发光二极管模块最终形成的白光的显色指数可以达到90以上。
此外，红色荧光粉的成分包括下述中的至少一种：氮化物荧光体或硫化物荧光体。氮化物荧光体和硫化物荧光体的商业产品在市场上比较普遍，对来源及质量较有保证。具体地，可以为CaSi2O2N2：Eu、SrSi2O2N2：Eu、BaSi2O2N2：Eu、Ca-α-SiAlON、ZnS：Cu，Al、CaS：Eu、CaGa2S4：Eu和SrGa2S4：Eu中的一种或多种。
黄绿色荧光粉的成分包括下述中的至少一种：石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体。石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体的商业产品在市场上非常普遍，而且成本较低，从而可以进一步降低发光二极管器件的成本。具体地，可以为Y3Al5O12：Ce、(Y，Gd)3Al5O12：Ce、Tb3Al3O12：Ce、Ca3Sc2Si3O12：Ce、Lu2CaMg2(Si，Ge)3O12：Ce、CaSi2O2N2：Eu、SrSi2O2N2：Eu、BaSi2O2N2：Eu、Ca-α-SiAlON、CaAl12O19：Mn、SrAl2O4：Eu、(Sr，Ba)2SiO4：Eu、Ca3SiO4Cl2：Eu、Sr3SiO5：Eu、Li2SrSiO4：Eu和Ca3Si2O7：Eu中的一种或多种。
Claims (10)
1.一种发光二极管模块，包括基板(1)，其特征在于：还包括用于发出可见光且连接于基板(1)上的独置发光二极管芯片(3)和至少1颗连接于基板(1)上的发光单元(2)，或至少2颗连接于基板(1)上的发光单元(2)；
所述发光单元(2)包括用于发出可见光的内置发光二极管芯片(2-1)和一层能够被所述发光二极管芯片发出的可见光激发的光转换层(2-2)；
所有的发光单元(2)中至少有一颗的光转换层(2-2)为红色转换层；该红色转换层被发光二极管芯片发出的可见光激发后，发射光谱主波长为600-670nm。
2.根据权利要求1所述的发光二极管模块，其特征在于：所述光转换层(2-2)的基体材料的光折射率为1.35-1.60。
3.根据权利要求1所述的发光二极管模块，其特征在于：所述光转换层(2-2)的基体材料贴合在所述内置发光二极管芯片(2-1)的表面。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的发光二极管模块，其特征在于：所述独置发光二极管芯片(3)或内置发光二极管发出主波长为440-470nm的蓝光，并且其中一个发光单元(2)的光转换层(2-2)为黄绿色转换层，所述黄绿色转换层吸收部分蓝光并激发出黄绿光。
5.根据权利要求4所述的发光二极管模块，其特征在于：所述黄绿色转换层包括黄绿色荧光粉，所述黄绿色荧光粉的成分为石榴石型荧光体、氮氧化物荧光体或铝酸盐荧光体中的一种或多种。
6.根据权利要求4所述的发光二极管模块，其特征在于：所述光转换层(2-2)的基体材料为透明树脂，透明树脂的成分为有机硅树脂、环氧树脂和丙烯酸类树脂中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的发光二极管模块，其特征在于：所述红色转换层包括红色荧光粉，所述红色荧光粉的成分为氮化物荧光体和/或硫化物荧光体。
8.根据权利要求7所述的发光二极管模块，其特征在于：红色荧光粉和红色转换层的基体材料的重量比为5-70:30-95。
9.根据权利要求1所述的发光二极管模块，其特征在于：所述红色转换层的激发波长范围为200-610nm，发射光谱主波长为600-670nm，所述黄绿色转换层的激发波长范围为200-490nm，发射光谱主波长为520-575nm。
10.根据权利要求1所述的发光二极管模块，其特征在于：红色转换层的发射波长大于其他光转换层(2-2)的发射波长。
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