CN106098900A - 高密度led光源结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高密度LED光源结构及其制备方法，所述光源结构包括固态荧光转化材料基体和至少一个电路基板，所述固态荧光转化材料基体的至少一个端面为出光面，所述固态荧光转化材料基体上镀有与出光波长匹配的反射膜，且所述出光面上未镀有反射膜，所述电路基板设于所述固态荧光转化材料基体的至少一侧面上，所述电路基板上设有LED芯片阵列，所述LED芯片阵列与固态荧光转化材料基体的入光面的外形相匹配，并与其耦合连接。本发明中的高密度LED光源结构采用独特的空间立体范围进行光转换，在一个小面输出，单位面积出光量达2051流明/mm2，突破了单片LED的光密度限制，出光密度提高一个数量级。
Description
技术领域
本发明涉及一种光源结构及其制备方法，具体涉及一种高密度LED光源结构及其制备方法。
背景技术
目前LED照明行业发展迅速，大功率LED具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能环保等优点，已陆续得到应用。由于受光学设计的限制，除了器件的总光通量，很多应用领域对器件单位面积光通量(光密度)在不断提高。
提高LED的单位面积光通量主要有两个途径，增加芯片内部电光转化的光子总数和提高已产生光子的出光效率：一.增加芯片内部电光转化的光子总数一方面可通过改进芯片外延层的质量，提高电光转化效率实现；另一方面可通过增加使用时的功率即电流密度实现。受半导体中载流子密度的限制，LED的单位面积电功率不可能无限增加，因此LED单位面积的出光量也存在最大极限。专利“超大功率垂直芯片的集成封装”(公开号CN105261693A)中公布的电流密度范围为0.35～3.5A/mm2，但其上限已很难达到，当前高性能芯片实际稳态工作时能达到的最大电流密度约为1.5A/mm2。而且随着器件功率的增加，单位面积和单位功率的出光效率均会明显下降；二.提高已产生光子的出光效率主要指改变LED出光面的表面结构以增加取光效率，把芯片内部的发光尽可能得输出，如安装具有各种表面结构的透镜，镀增透膜等。通过改进芯片外延层的发光结构也可以适当提高光效，如欧司朗公司2016年5月最新推出的3D纳米白光LED技术的芯片，通过增加蓝光出光层的表面积，可以把单位面积的出光效率提高20％左右。总之，单纯通过提高芯片本身质量以增加出光密度的方式存在物理极限，将无法满足长远需求。
由于存在光学扩展量的限制，一个高效的高密度光源肯定无法通过单纯扩大LED出光面积然后聚光的方式实现，因此出光面越小，光密度越高，对后续的光学设计越有利。如大屏幕高亮度投影显示领域对出光源光面的尺寸有严格要求(通常不大于2.6*3.2mm2)，尺寸过大无法实现有效成像；一些军事领域的高亮度窄扩散角照明器件必须把光源的总发光面积限制在很小范围(如5*5mm2，光密度要求160流明/mm2)；微创手术照明对光源面积通常限制在10～12mm2，光密度要求250流明/mm2。显然普通LED光学结构将很难胜任今后高密度发光领域的发展趋势，而其他高密度光源如激光则存在结构复杂，成本高，效率低，受法规限制等各种不利因素，因此寻找一种合理的高密度光源解决方案将具有非常巨大的价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高密度LED光源结构及其制备方法，从而在荧光材料棒的端面输出高密度光，其出光密度可比目前市场最高端的大功率LED提高一个数量级。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一方面，本发明提供一种高密度LED光源结构，包括固态荧光转化材料基体和至少一个电路基板，所述固态荧光转化材料基体的至少一端面为出光面，所述固态荧光转化材料基体上镀有与出光波长匹配的反射膜，且所述出光端面上未镀有反射膜，所述电路基板设于所述固态荧光转化材料基体的至少一侧面上，所述电路基板上设有LED芯片阵列，所述LED芯片阵列与固态荧光转化材料基体的入光面的外形相匹配，并与其耦合连接。
本发明的高密度LED光源结构，通过在多面镀反射膜的固态荧光转化材料基体的侧面设置LED芯片阵列，在固态荧光转化材料基体的侧面注入某种波长的光(通常由LED芯片产生)，由于荧光材料中存在大量发光中心，这些发光中心通过受激和发射过程会将该波长的光高效得转化成另一波长的光，新产生的光在荧光材料棒内部经过一系列反射过程，最终在荧光材料棒的顶端输出高密度光；采用独特的空间立体范围进行光转换并在一个小面输出的方式，黄绿光的单位面积出光量可达2051流明/mm2，突破了单片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市场最高端的大功率LED提高一个数量级。
作为优选的方案，所述出光面上还设有与出光波长相匹配的增透膜。
采用上述优选的方案，在提高光密度的同时，提高出光效率。
作为优选的方案，还包括散热系统，所述散热系统包括第一散热基板和第二散热基板，所述第一散热基板设在所述电路基板上与LED芯片阵列相对的一面，所述第二散热基板设在所述反射膜外，所述散热系统与所述固态荧光转化材料基体的外形相适配。
采用上述优选的方案，在提高光密度的同时，提高散热效果。
作为优选的方案，所述LED芯片阵列中的芯片为倒装芯片、正装芯片或垂直芯片中。
作为优选的方案，所述LED芯片阵列中的芯片根据激发波长需要可为紫外光芯片、蓝光芯片或绿光芯片。
作为优选的方案，所述固态荧光转化材料基体的纵截面为矩形或梯形，所述固态荧光转化材料基体的横截面为圆形或方形。
采用上述优选的方案，梯形的截面方便取光。
作为优选的方案，所述反射膜包括介质膜，所述介质膜外设有金属膜，所述介质膜为20～90层的多层膜，每层厚度为对应反射波长的一半，所述金属膜的厚度为0.2～2微米。
采用上述优选的方案，介质膜反射带宽60～250纳米，反射角小于85°时反射率99.5％，反射角大于85°时反射率45％；铝膜全角度的反射率均为92％，可增加整体反射效果。
作为优选的方案，所述固态荧光转化材料基体由选自黄绿光荧光材料、蓝光荧光材和红光荧光材料中的至少一种构成。
采用上述优选的方案，除了传统的白光，还可以产生不同波长的高密度光源，可以实现红绿蓝(RGB)三种颜色的高密度光源，波长可选择，对于大屏幕高亮度投影等现代显示技术有极大帮助。
作为优选的方案，所述黄绿光荧光材料选自Ce离子掺杂的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶体、透明陶瓷和玻璃中的至少一种，所述蓝光荧光材选自BGO、PWO或Ce离子掺杂的YSO、LSO、GSO中的至少一种，所述红光荧光材料选自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等离子掺杂的铝酸盐、硅酸盐或者氟化物晶体、陶瓷、玻璃材料，或掺杂氮化物红光荧光粉的透明玻璃中的至少一种。
另一方面，本发明还提供一种上述高密度LED光源结构的制备方法，包括如下步骤：
1)处理固态荧光转化材料，得到固态荧光转化材料基体；
2)再将相应的增透膜镀在固态荧光转化材料基体的至少一个侧面上，然后在所述固态荧光转化材料基体的剩余的其他侧面镀反射膜，得到镀膜后的固态荧光转化材料基体；
3)制作带LED芯片阵列的电路基板，然后将电路基板带LED阵列的一侧与所述镀膜后的固态荧光转化材料基体的入光面通过导光胶耦合；再将所述电路基板的另一侧与第一散热基板连接；
4)再将所述镀膜后的固态荧光转化材料基体的未耦合电路基板的反射面上贴覆第二散热基板，即得。
作为优选的方案，在步骤2)中，先在所述固态荧光转化材料基体的剩余的其他侧面镀多层的介质膜，然后在介质膜上镀金属膜，所述介质膜于200～400℃镀膜，所述金属膜于150～200℃镀膜。
附图说明
图1为本发明的高密度LED光源结构的结构示意图；
其中：
1.固态荧光转化材料基体，2.出光面，3.反射膜，4.LED芯片阵列，5.第一散热基板，6.电路基板。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
为了达到本发明的目的，如图1所示，本发明的高密度LED光源结构，包括固态荧光转化材料基体1和至少一个电路基板6，固态荧光转化材料基体1的至少一端面为出光面2，固态荧光转化材料基体1上镀有反射层3，且出光端面2上未镀有反射膜层3，电路基板6设于固态荧光转化材料基体1的至少一侧面上，电路基板6上设有LED芯片4阵列，LED芯片阵列4与固态荧光转化材料基体1的入光面的外形相匹配，并与其耦合连接。
本发明实施例的高密度LED光源结构，通过在多面镀反射膜的固态荧光转化材料基体的侧面设置LED芯片阵列，在固态荧光转化材料基体的侧面注入某种波长的光(通常由LED芯片产生)，由于荧光材料中存在大量发光中心，这些发光中心通过受激和发射过程会将该波长的光高效得转化成另一波长的光，新产生的光在荧光材料棒内部经过一系列反射过程，最终在荧光材料棒的顶端输出高密度光；采用独特的空间立体范围进行光转换并在一个小面输出的方式，单位面积出光量可达2051流明/mm2，突破了单片LED的光密度限制。其出光密度可比目前市场最高端的大功率LED提高一个数量级。
为了进一步地优化本发明的实施效果，出光面2上还设有增透膜。在提高光密度的同时，提高出光效率。
为了进一步地优化本发明的实施效果，还包括散热系统，散热系统包括第一散热基板5和第二散热基板，第一散热基板5设在电路基板6上与LED芯片阵列4相对的一面，第二散热基板设在反射膜3外，散热系统与固态荧光转化材料基体1的外形相适配。在提高光密度的同时，提高散热效果。
为了进一步地优化本发明的实施效果，LED芯片阵列4中的芯片选自倒装芯片、正装芯片和垂直芯片中的至少一种。
为了进一步地优化本发明的实施效果，LED芯片阵列4中的芯片根据激发波长需要可为紫外光芯片、蓝光芯片或绿光芯片。
为了进一步地优化本发明的实施效果，固态荧光转化材料基体1的纵截面为矩形或梯形，固态荧光转化材料基体的横截面为圆形或方形。梯形的截面方便取光。
为了进一步地优化本发明的实施效果，反射面膜3包括介质膜，介质膜外设有金属膜，介质膜为20～90层的多层膜，金属膜的厚度为0.2～2微米。从而使反射带宽60～250纳米，反射角小于85°时反射率99.5％，反射角大于85°时反射率45％；通过金属膜使反射率提高至92％。具体实施时，介质膜可由氧化钛层、氧化硅层和氧化锆层组合而成，金属膜为铝膜。
为了进一步地优化本发明的实施效果，固态荧光转化材料基体1由选自黄绿光荧光材料、蓝光荧光材和红光荧光材料中的至少一种构成。除了传统的白光，还可以产生不同波长的的高密度光源，可以实现红绿蓝(RGB)三种颜色的高密度光源，波长可选择，对于大屏幕高亮度投影等现代显示技术有极大帮助。
为了进一步地优化本发明的实施效果，黄绿光荧光材料选自Ce离子掺杂的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶体、透明陶瓷和玻璃中的至少一种，蓝光荧光材选自BGO、PWO或Ce离子掺杂的YSO、LSO、GSO中的至少一种，红光荧光材料选自Cr、Ce、Eu、Bi、Si等离子掺杂的铝酸盐或者硅酸盐晶体、陶瓷、玻璃材料，或掺杂氮化物红光荧光粉的透明玻璃中的至少一种。
以下以具体实施例的方式，来对本发明进行进一步说明。
除非特别指明，以下实施例中所用的试剂和药品，均可从正规渠道商购获得。
实施例1
1)切割研磨抛光长宽高分别为40*1.5*2.6mm3规格的Ce：YAG透明晶体荧光棒(固态荧光转化材料基体)。注入蓝光，出射黄绿光。
2)在Ce：YAG透明晶体荧光棒的4个侧面、1个端面镀氧化钛和氧化硅基质的黄绿光反射膜，并在注入蓝光的侧面加镀蓝光增透膜，其中反射面中的介质膜的层数为40层，反射带宽为120纳米，即位于520-640纳米之间，金属膜为铝膜，膜厚0.2微米。
3)制作倒装蓝光LED芯片阵列，使用24颗功率为3瓦的蓝光芯片，芯片发光波段为455纳米左右，通过金锡共晶焊的方式固定在散热基片上。采用单面入光的方式，将LED芯片发光的一侧与Ce：YAG透明晶体荧光棒镀蓝光增透膜的侧面紧密贴合。使芯片发光能有效进入晶体内部。
4)制作与透明荧光棒外形配套的散热装置，并与透明荧光棒的两侧面紧密贴合，使荧光棒得到有效散热。
使用远方PMS-80积分球测试系统，测定上述方法制得的高密度LED光源结构的光通量为8000流明，黄绿光的单位面积出光量可达2051流明/mm2。
实施例2
1)切割研磨抛光长宽高分别为40*2.6*3.2mm3规格的Ce：LuAG透明晶体荧光棒(固态荧光转化材料基体)。注入蓝光，出射绿光。
2)在Ce：LuAG透明晶体荧光棒注入蓝光的两个侧面镀氧化钛和氧化硅基质的黄绿光反射膜和蓝光增透膜，在出光面镀蓝光增透膜，其余3个面镀金属反射膜，其中反射面中的介质膜的层数为90层，反射带宽为250纳米，金属膜为铝膜，膜厚0.8微米。
3)制作倒装蓝光LED芯片阵列，使用24颗功率为3瓦的蓝光芯片，芯片发光波段为445纳米左右，通过金锡共晶焊的方式固定在散热基片上。采用双面入光的方式，将LED芯片发光的一侧与Ce：LuAG透明晶体荧光棒的侧面紧密贴合。使芯片发光能有效进入晶体内部。
4)制作与透明荧光棒外形配套的散热装置，并与透明荧光棒的两侧面紧密贴合，使荧光棒得到有效散热。
使用远方PMS-80积分球测试系统，测定上述方法制得的高密度LED光源结构的光通量为17990流明，黄绿光的单位面积出光量可达2162流明/mm2。
实施例3
1)切割研磨抛光长宽高分别为40*2.6*3.2mm3规格的Cr：YAG透明晶体红光荧光棒(固态荧光转化材料基体)。注入黄绿光，出射红光。
2)在Cr：YAG透明晶体红光荧光棒的4个侧面、1个端面镀氧化钛、氧化锆和氧化硅的红光反射膜，其中两个宽度为2.6毫米对称的侧面加镀黄绿光增透膜，其中反射面中的介质膜的层数为40层，反射带宽为120纳米，即位于580-700纳米之间，金属膜为铝膜，膜厚1.5微米。
3)制作绿光LED芯片阵列，使用20颗功率为1.5瓦的绿光芯片，芯片发光波段为560纳米左右，通过镀银胶的方式固定在散热基片上。采用双面入光的方式，将两片LED芯片发光的面与Cr：YAG透明晶体荧光棒的两侧面紧密贴合。使芯片发光能有效进入晶体内部。
4)制作与透明荧光棒外形配套的散热装置，并与透明荧光棒的两侧面紧密贴合，使荧光棒得到有效散热。
使用远方PMS-80积分球测试系统，测定上述方法制得的高密度LED光源结构的红光光通量为720流明，红光的单位面积出光量为87流明/mm2。
实施例4
1)切割研磨抛光长宽高分别为25*1.5*2.6mm3规格的小功率Ce：YAG透明陶瓷荧光棒(固态荧光转化材料基体)。注入蓝光，出射黄绿光。
2)在Ce：YAG透明陶瓷荧光棒入蓝光的侧面镀氧化钛和氧化硅基质的黄绿光反射膜和蓝光增透膜，在出光面镀蓝光增透膜，其余4个面镀金属反射膜，其中反射面中的介质膜为60层，反射带宽为180纳米，金属膜为铝膜，膜厚1微米。
3)制作倒装蓝光LED芯片阵列，使用15颗功率为3瓦的蓝光芯片，芯片发光波段为450纳米左右，通过金锡共晶焊的方式固定在散热基片上。采用单面入光的方式，将LED芯片发光的一侧与Ce：YAG透明陶瓷荧光棒的侧面紧密贴合。使芯片发光能有效进入晶体内部。
4)制作与透明荧光棒外形配套的散热装置，并与透明荧光棒的两侧面紧密贴合，使荧光棒得到有效散热。
使用远方PMS-80积分球测试系统，测定上述方法制得的高密度LED光源结构的光通量为4998流明，黄绿光的单位面积出光量为600流明/mm2。
实施例5
1)切割研磨抛光长宽高分别为20*1.5*2.6mm3规格的Ce：GSO蓝光荧光晶体棒。
2)在Ce：GSO蓝光荧光晶体棒的3个侧面、1个端面镀氧化钛和氧化硅的蓝光反射膜，其中两个宽度为2.6毫米对称的侧面加镀紫光增透膜，其中反射面中的多层介质膜为20层，反射带宽为60纳米，金属膜为铝膜，膜厚2微米。
3)制作紫光LED芯片阵列，使用15颗功率为1.5瓦的紫光芯片，芯片发光波段为360纳米左右，通过镀银胶的方式固定在散热基片上。采用双面入光的方式，将两片LED芯片发光的面与Ce：GSO荧光晶体棒的两侧面紧密贴合。使芯片发光能有效进入玻璃内部。
4)制作与Ce：GSO荧光晶体棒外形配套的散热装置，并与荧光棒的两侧面紧密贴合，使荧光棒得到有效散热。
使用远方PMS-80积分球测试系统，测定上述方法制得的高密度LED光源结构的蓝光光功率光通量为300流明，蓝光的单位面积出光量为77流明/mm2。
具体实验实施例
将当前国际顶级商用大功率LED(白光)的出光密度，使用远方PMS-80积分球测试系统测定比较，结果如下述表1所示：
表1
从上述表1可看出，本发明的高密度LED光源结构，光密度远远大于现有技术中的LED的光密度，在典型的1.5*2.6mm2的截面积可以出光大于8000流明，单位面积出光量可达2051流明/mm2，突破了单片LED的光密度限制。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高密度LED光源结构，其特征在于，包括固态荧光转化材料基体和至少一个电路基板，所述固态荧光转化材料基体的至少一端面为出光面，所述固态荧光转化材料基体上镀有与出光波长匹配的反射膜，且所述出光面上未镀有反射膜，所述电路基板设于所述固态荧光转化材料基体的至少一侧面上，所述电路基板上设有LED芯片阵列，所述LED芯片阵列与固态荧光转化材料基体的入光面的外形相匹配，并与其耦合连接。
2.根据权利要求1所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述出光面上还设有与出光波长相匹配的增透膜。
3.根据权利要求2所述的高密度LED光源结构，其特征在于，还包括散热系统，所述散热系统包括第一散热基板和第二散热基板，所述第一散热基板设在所述电路基板上与所述LED芯片阵列相对的一面，所述第二散热基板设在所述反射膜外，所述散热系统与所述固态荧光转化材料基体的外形相适配。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述LED芯片阵列中的芯片为倒装芯片、正装芯片或垂直芯片，或：
所述LED芯片阵列中的芯片为紫外光芯片、蓝光芯片或绿光芯片。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述固态荧光转化材料基体的纵截面为矩形或梯形，所述固态荧光转化材料基体的横截面为圆形或方形。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述反射膜包括介质膜，所述介质膜外设有金属膜，所述介质膜为20～90层的多层膜，所述金属膜的厚度为0.2～2微米。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述固态荧光转化材料基体由选自黄绿光荧光材料、蓝光荧光材和红光荧光材料中的至少一种构成。
8.根据权利要求7所述的高密度LED光源结构，其特征在于，所述黄绿光荧光材料选自Ce离子掺杂的YAG，LuAG，LuYAG，YAGG晶体、透明陶瓷和玻璃中的至少一种，所述蓝光荧光材选自BGO、PWO或Ce离子掺杂的YSO、LSO、GSO中的至少一种，所述红光荧光材料选自Cr、Ce、Eu、Bi、Si离子掺杂的铝酸盐、硅酸盐或者氟化物晶体、陶瓷、玻璃材料，或掺杂氮化物红光荧光粉的透明玻璃中的至少一种。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的高密度LED光源结构的制备方法，包括如下步骤：
1)处理固态荧光转化材料，得到固态荧光转化材料基体；
2)再将相应的增透膜镀在固态荧光转化材料基体的出光面上，然后在所述固态荧光转化材料基体的剩余的其他侧面镀反射膜，得到镀膜后的固态荧光转化材料基体；
3)制作带LED芯片阵列的电路基板，然后将电路基板带LED芯片阵列的一侧与所述镀膜后的固态荧光转化材料基体的入光面耦合；再将所述电路基板的另一侧与第一散热基板连接；
4)再将所述固态荧光转化材料基体的未耦合电路基板的反射面上贴覆散第二热基板，即得。
10.根据权利要求9所述的高密度LED光源结构的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，先在所述固态荧光转化材料基体的剩余的其他侧面镀多层的介质膜，然后在介质膜上镀金属膜，所述介质膜于200～400℃镀膜，所述金属膜于150～200℃镀膜。
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