CN106574764B - 磷光体板和包含所述磷光体板的照明装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施方式涉及一种磷光体板，所述磷光体板呈其中磷光体分散在玻璃基体内的板状光转换结构，并具有形成在所述板的两个表面中的至少一个表面上的包含至少一种图案的不平坦表面，其中所述图案占据所述一个表面的面积的70％～95％。

Description

磷光体板和包含所述磷光体板的照明装置
技术领域
本发明的示例性实施方式涉及照明装置和构成所述照明装置的磷光体板。
背景技术
白色发光二极管(LED)作为高效率和高可靠性的白色照明光源已经引起注意，由此一些白色LED已经被提供用作小型微功率光源。存在实现白色LED的多种方法。然而，最普通且目前使用的方法包括使用树脂作为基体与黄色磷光体一起成型蓝色LED元件。然而，由于蓝光具有强能量，所以树脂可能容易劣化。因此，由于当长时间使用白色LED时树脂变色，所以从具有这种结构的白色LED发射的光的色调改变。另外，由于元件由树脂成型，所以热量不容易从元件散发，温度容易升高。由于这种升高的温度而使得发射的光的颜色会向黄色移动。
为了解决这些问题，已经应用了其中将陶瓷烧结体用作磷光体的基体材料的磷光体板。然而，当使用陶瓷烧结体时，与常规树脂基体相比，陶瓷烧结体的透射率可能降低30％～40％。在这种情况下，由于陶瓷烧结体的透射率低，所以源自蓝色LED光源的大量光不入射，这使得不能充分地激发磷光体。此外，由于源自蓝色光源的光不能充分入射到磷光体板(即，光学波长转换部)，所以可能由于为了发射具有期望颜色坐标的光而添加的磷光体的浓度降低而引起光通量减少。
此外，对一体化形成的磷光体板进行表面抛光和处理，以便将其安装在光源元件上。在这种情况下，由于光在通过表面抛光获得的磷光体板的平坦表面上的反射率增加，所以光通量的提取可能劣化。
发明内容
技术问题
因此，为了解决现有技术的问题而设计了本发明的实施方式，并且本发明的目的是提供一种具有板状光转换结构的磷光体板，其中磷光体分散在玻璃基体内。此处，在磷光体板的两个表面中的至少一个表面上形成有具有一个或多个图案的不平坦表面，并且所述图案占据所述一个表面的70％～95％的面积。
技术方案
为了解决所述问题，根据本发明的一个方面，提供一种具有板状光转换结构的磷光体板，其中磷光体分散在玻璃基体内。此处，在所述磷光体板的两个表面中的至少一个表面上形成有具有一个或多个图案的不平坦表面，并且所述图案占据所述一个表面的70％～95％的面积。
根据本发明的另一方面，提供一种包含磷光体板和光源元件的照明装置。
有益效果
根据本发明的示例性实施方式，能够实现具有其中磷光体分散在玻璃基体内的板状光转换结构的磷光体板。此处，在磷光体板的两个表面中的至少一个表面上形成有具有一个或多个图案的不平坦表面，并且所述图案占据所述一个表面的70％～95％的面积。因此，磷光体板具有通过各种图案将折射率差异最小化以提高光源元件的亮度和光的均匀性而提高光效率的效果。
附图说明
图1是根据该示例性实施方式的照明装置中包含的光漫射单元的横断面视图。
图2是根据该示例性实施方式的照明装置中包含的光漫射单元的横断面视图。
图3是根据该示例性实施方式的照明装置中包含的光漫射单元的横断面视图。
图4是根据该示例性实施方式的适用于模拟的图案的透视图。
图5是显示根据该示例性实施方式的磷光体板的表面粗糙度的测量结果的图。
具体实施方式
下文中，将参考附图对本发明所属领域的普通技术人员可以易于实践的本发明的优选实施方式进行详细说明。
根据该示例性实施方式的磷光体板110、210和310具有形成在其至少一个表面上的不平坦表面。此处，所述不平坦表面具有一个或多个图案112、212和312，并且图案112、212和312占据所述一个表面的70％～95％的面积。
图1～图3是包含在根据该示例性实施方式的照明装置中的光漫射单元100、200和300的横断面视图。首先，将描述光漫射单元100、200和300中的磷光体板110、210和310，并且后面将描述其他部分120、130、220、230、320和330。
参考图1～图3，根据该示例性实施方式的磷光体板110、210和310具有其中磷光体分散在基体内的板状光转换结构。磷光体板110、210和310的基体可以由玻璃材料形成。通常，可以将颗粒形式的磷光体与玻璃粉(glass frit)混合，并且可以将制得的混合物烧结以得到磷光体板。可以将烧结后相对于厚度为190μm的玻璃的透射率为70％～80％且折射率为1.5～1.7的材料用作玻璃材料。当磷光体与玻璃粉混合并且混合物被烧结时，玻璃材料的透射率和折射率可以降低。因此，根据磷光体的类型，可以选择并使用具有适当透射率和折射率的玻璃材料。考虑到磷光体板的期望的光学特性和热处理特性以及要混合的磷光体的类型，可以使用不同组成的玻璃材料。
可以将包含选自如下中的两种以上磷光体的混合物用作所述磷光体：钇铝石榴石(YAG)基、镥铝石榴石(LuAG)基、氮化物基、硫化物基和硅酸盐基磷光体。可以选择具有530nm～600nm的波长范围(绿色至黄色)的磷光体作为所述磷光体。
可以使用颗粒或粉末形式的磷光体作为磷光体。在这种情况下，可以使用粒径为10μm～20μm的磷光体。在磷光体中，优选使用折射率为1.5～2.5的磷光体。磷光体相对于玻璃粉以10重量％～20重量％的含量混合。在这种情况下，混合的磷光体的量可以根据烧结后的透射率和色差而改变。此外，磷光体的含量可以根据厚度的变化而变化。在这种情况下，当增加厚度时，可以添加更少量的磷光体。
磷光体板110、120和130可以使用以下方法制造。将玻璃粉和磷光体的混合物放入不锈钢(SUS)模具中，并以具有板状或盘状的方式进行单轴压缩。模具的尺寸可以根据磷光体板的用途而变化。例如，圆盘形模具可以用于照明用筒灯产品，使得产品具有50～100mm的直径和200μm～600μm的厚度。此外，在户外照明的情况下，可以使用六面体模具，使得烧结后的磷光体板具有用于产品的1×1×0.16～1×1×0.2mm(W×D×H)的尺寸以用于尺寸为15×60×0.5mm(W×D×H)的汽车前照灯。
在这种情况下，在5吨～8吨的负荷下压缩5～10分钟。将压缩的磷光体/玻璃粉混合物放入烧结炉中以实施烧结过程。在这种情况下，可以根据磷光体和玻璃粉的玻璃化转变温度(Tg)来调节用于实施烧结处理所需的温度和时间。
在该示例性实施方式中，可以调整完全烧结的磷光体板110、210和310的厚度以满足期望的特性。可以进一步实施表面抛光以调节表面粗糙度。在这种情况下，陶瓷光转换构件被抛光以具有200μm～1000μm的厚度和0.1μm～0.3μm的表面粗糙度。
由此获得的磷光体板110、210和310可以经历常规的图案化工艺以分别形成图案112、212和312。在该示例性实施方式中，在LED工艺期间使用图案化的蓝宝石衬底(PSS)工艺以形成图案112、212和312。
将光致抗蚀剂(PR)施加到其表面被精细处理的磷光体板110、210和310的表面上，或者将干膜抗蚀剂(DFR)粘附到磷光体板110、210和310的表面。根据期望的特性，将磷光体板110、210和310通过图案化掩模曝光，显影，并然后实施湿法或干法蚀刻。在这种情况下，磷光体板110、210和310的图案112、212和312由矩形图案表示，如图1～3中所示，但本发明不限于此。例如，图案112、212和312可以形成为具有其他形状如圆顶(半球形)、圆锥形、金字塔形、圆柱形和六边形棱柱形状的图案。此外，图案112、212和312可以形成为凸起或凹入的图案或混合的凹入/凸起图案。图1显示了凸起的图案，图2显示了混合的凹入/凸起图案，且图3显示了凹入图案。混合的凹入/凸起图案具有其中凹入图案214进一步形成在凸起图案212内的结构。
图案112、212和312的尺寸A表示图案的下侧的尺寸，即当下侧为正方形时的一侧的尺寸，或当下侧为圆形时的直径。基于图案的中心点，图案112、212和312的尺寸A可以在5.0μm～8.0μm的范围内，并且图案112、212和312的距离B可以在7.0μm～10μm的范围内。可以调整图案的尺寸A和距离B以将面积占有率调整为在70％～95％的范围内。当占有率小于70％时，由于图案形状的占有率低而不可能获得足够的漫反射效果，导致与常规图案相比光通量的增加较差。另一方面，当占有率大于95％时，从光源元件发射的蓝光可能不容易穿透磷光体板，导致颜色坐标偏移。
图案112、212和312的高度C或深度C'可以在0.3μm～1.5μm的范围内。当图案是混合的凹入/凸起图案212和214(参见图2)时，高度C和深度C'之和应不大于2μm。在该示例性实施方式中，在磷光体板110、210和310上形成图案112、212和312的原因是为了防止从光源元件120、220和320辐射的光在磷光体板上反向散射。因此，可以通过各种图案使折射率的差异最小化。应通过光的漫反射尽可能实施光提取。此处，当图案112、212和312的高度C或深度C'小于0.3μm时，由于低漫反射而不可能提高光效率，并且光效率可能进一步劣化。
根据该示例性实施方式的另一方面的照明装置包含分别由上述磷光体板110、210和310以及光源元件120、220和320构成的光漫射单元100、200和300。参考图1～3，图案化的磷光体板110、210和310可以分别通过包含至少一种胶粘剂的胶粘剂层130、230和330堆叠在光源元件120、220和320上。
光源元件120、220和320是发光的元件。利用一个实例，可以应用固体发光元件。可以使用发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管(LD)、激光器、或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)作为固体发光元件。在本领域中使用的元件的类型可以用作所述光源元件120、220和320。特别地，在该示例性实施方式中，可以使用发射蓝色光的元件。
光源元件120、220和320涂布有胶粘剂层130、230和330从而被粘附到磷光体板110、210和310。胶粘剂层130、230和330可以通过用至少一种胶粘剂进行涂布来形成。在固化之后，胶粘剂层130、230和330可以具有2μm～5μm的厚度。当厚度小于2μm时，光源元件120、220和320可能由于不足的粘合强度而剥离，并且可能由于从光源元件120、220和320产生的热而变形。另一方面，当厚度大于5μm时，光漫射单元100、200和300的折射率和透射率可能严重劣化，导致光效率降低。可以使用多种类型的胶粘剂而没有特别限制，只要它们在固化后不会由于从光源元件120、220和320产生的热而变形即可。
此外，尽管在图1～3中未示出，但光源元件120、220和320的周边可以用白色成型材料(即，涂料)涂布和成型，以防止光源元件120、220和320的光泄漏。白色成型材料优选为反射率为99.8％以上的完全反射材料。根据需要，可以将白色成型材料和具有高反射率的球形颗粒的混合物用于涂布。
在下文中，将参考本发明的示例性实施方式进一步详细描述本发明。然而，应当理解，提供如下示例性实施方式仅仅是为了帮助理解本发明，而不旨在限制本发明的范围。
[图案模拟]
在下表1中列出的条件下模拟图案的图案形状、位置、凸起/凹入形状、布置等，以确定光效率特性。
(未考虑颜色坐标和发光强度分布)
将图案的形状示于图4中。
[表1]
(在表1中，“Hexa”表示其中图案的一个单元与图案的六个其它单元相邻的结构，即，蜂窝结构)
根据模拟结果可表明，与当没有图案时相比，当将金字塔形、球形和圆锥形凸起/凹入图案应用于磷光体板的顶表面时，效率提高约110％以上。然而，显示当将所述图案应用到磷光体板的底表面时，效率稍微改善或降低。
在特定形状的情况下，即，在其中光效率被最大化的图案的圆锥形和金字塔形状的情况下，可以优化倾斜面的角度等。从模拟结果还可以看出，图案之间的距离越密，则对提高光效率越有利。
[实施例]
制备磷光体板
将具有如下特性的玻璃和磷光体混合以制备160μm厚度的磷光体板。
1)玻璃材料
-透射率：75％(仅基于190μm厚度的玻璃的透射率)
-折射率：1.613
2)磷光体
-波长为550nm、粒径为15μm、含量为15重量％且折射率为1.8的LuAG磷光体
-波长为595nm、粒径为15μm、含量为2重量％且折射率为2.0的氮化物磷光体
实施例1和2：磷光体板的图案化
将由此制备的磷光体板的一个表面进行表面抛光以使表面平坦。其后，根据图案化的蓝宝石衬底(PSS)工艺，用光致抗蚀剂涂布磷光体板的表面，根据图案进行曝光，并然后蚀刻以在磷光体板的表面上形成图案(表2)。
[表2]
[比较例]
比较例
将由此制备的磷光体板进行表面抛光而不实施图案化工艺。
[评价]
1.一体化型的光学特性评价
利用硅胶粘剂树脂(Dow KER-2300，折射率为1.42)将满足下表3中列出的要求的各个光源元件涂布至3μm的厚度。其后，将实施例1和2的图案化的磷光体板和比较例的未图案化的磷光体板中的各种磷光体板粘附到光源元件，并测量光学特性。将结果列于下表4中。
[表3]
[表4]
项目 Cx Cy lm 相对比较
实施例1 0.3247 0.3273 1905.0 94％
实施例2 0.3299 0.3434 2092.4 103％
比较例 0.325 0.3358 2027.0 100％
2.远程类型的光学特性的评估
将满足表1中列出的要求的各个光源元件安装在积分球上以确定光学特性。其后，将实施例1的图案化的磷光体板和比较例的未图案化的磷光体板中的各种磷光体板安装在积分球上以测量颜色坐标(CIE)、光通量、光效率和表面粗糙度。将结果列于下表5中并示于图5中。
[表5]
参考表5，能够看出，在图案化之前的光通量与图案化之后的光通量之间存在变化。此外表明，当与光源元件接触的光源元件的一部分被图案化时，光通量不存在差异，或者反之亦然。
(在图5中，Ra表示整体区间的平均值，Rq表示Ra(平均值)的RMS值，Rt表示通过基于整体测量区间的中心线将上下最大值相加而获得的值，Rz(DIN)表示通过将整体测量区间划分为五个子区间，确定各个子区间的最大值，并将最大值的和除以5而获得的值，且附图右侧上的颜色条表示图案的深度)
本文中提出的说明仅仅是用于描述本发明范围的示例性和说明性的示例性实施方式，并且对于本发明所属领域的技术人员来说显而易见的是，能够在不背离本发明范围的条件下完成各种修改和改变。因此，应当理解，本文中提出的示例性实施方式只是仅用于说明目的的示例性实施方式，且不意在限制本发明的范围。因此，应当理解，本发明的范围由附属权利要求限定，并且本发明的范围由附属权利要求来限定且其等价物旨在覆盖本发明的范围。

Claims (16)

1.一种磷光体板，包含：
基体，所述基体具有一个表面和与所述一个表面相反的另一个表面；
磷光体，所述磷光体分散在所述基体内；和
不平坦表面，所述不平坦表面设置在所述一个表面和所述另一个表面中的至少一个表面上并具有一种或多种图案，
其中所述图案占据所述一个表面或所述另一个表面的总表面积的70％～95％，
其中所述不平坦表面包含具有5.0μm～8.0μm的尺寸(A)的图案，且
其中所述图案具有0.3μm～1.5μm的高度(C)或深度(C')。
2.根据权利要求1所述的磷光体板，其中基于图案的一个单元的中心点，所述图案具有7.0μm～10μm的距离(B)。
3.根据权利要求1所述的磷光体板，其中所述不平坦表面具有：单一布局的结构，所述单一布局的结构包含形成在所述基体表面上的凹入图案或凸起图案；或混合图案结构，其中所述凹入图案和所述凸起图案混合。
4.根据权利要求3所述的磷光体板，其中当形成在所述不平坦表面上的所述图案是混合的凹入/凸起图案时，所述图案的每个单元的高度(C)和深度(C')之和小于或等于2μm。
5.根据权利要求2所述的磷光体板，其中所述基体具有包含玻璃材料的板状结构。
6.根据权利要求2所述的磷光体板，其中所述磷光体具有1.5～2.5的折射率。
7.根据权利要求2所述的磷光体板，其中所述磷光体包含选自如下中的两种以上磷光体：钇铝石榴石(YAG)基磷光体、镥铝石榴石(LuAG)基磷光体、氮化物基磷光体、硫化物基磷光体和硅酸盐基磷光体。
8.根据权利要求7所述的磷光体板，其中所述磷光体具有530nm～600nm的波长范围。
9.一种照明装置，包含：
光源元件；和
设置在所述光源元件下方的磷光体板，
其中所述磷光体板包含：基体，所述基体具有一个表面和与所述一个表面相反的另一个表面；磷光体，所述磷光体分散在所述基体内；和不平坦表面，所述不平坦表面设置在所述一个表面或所述另一个表面上并具有一种或多种图案，且
所述图案占据所述一个表面或所述另一个表面的总表面积的70％～95％，
其中所述不平坦表面包含具有5.0μm～8.0μm的尺寸(A)的图案，且
其中所述图案具有0.3μm～1.5μm的高度(C)或深度(C')。
10.根据权利要求9所述的照明装置，其中所述磷光体板构造成使得光源元件的光出射表面和与在其上形成有所述不平坦表面的表面相反的表面彼此相邻地设置。
11.根据权利要求9所述的照明装置，其中所述照明装置还包含设置在所述光源元件与所述磷光体板之间的胶粘剂层。
12.根据权利要求11所述的照明装置，其中所述胶粘剂层具有2μm～5μm的厚度。
13.根据权利要求9所述的照明装置，其中所述光源元件是选自如下中的至少一种元件：发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、激光二极管(LD)、激光器和垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
14.根据权利要求13所述的照明装置，其中所述光源元件是蓝色光源元件。
15.根据权利要求9所述的照明装置，其中所述光源元件的至少一个表面涂布有成型材料。
16.根据权利要求15所述的照明装置，其中所述成型材料具有99.8％以上的反射率。
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