CN110630913B - 亮度色温可调光源及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明主要提供一种亮度色温可调光源及其用途，亮度色温可调光源仅由多个高色温的发光元件以及多个光转换单元所组成，其中，一部分的高色温的发光元件的发光面连接有一光转换单元。根据本发明之设计，部分的光转换单元仅包含一片光转换膜，且部分的光转换单元包含两片或两片以上相互堆叠的光转换膜。如此设计，该多个发光元件所发出的高色温的色光会由不同的光转换单元转换成具有不同色温与亮度(照度)的色光，藉此方式显示出色温与亮度皆可调的优势。

Description

亮度色温可调光源及其用途
技术领域
本发明是关于光源的技术领域，尤指一种亮度色温可调光源及其用途。
背景技术
随着光电产业的发展，照明装置的种类越来越多，其中，以LED元件为主要发光元件的照明装置现今已被广泛地应用。值得说明的是，若照明装置所具有的发光元件为高色温LED元件(6500K以上)，则其所发出的光称为“冷白光”；反之，若照明装置所具有的发光元件为低色温LED元件(约2500K以上)，则其所发出的光称为“暖白光”。
人对于冷光与暖光有着明显不同的感受，有鉴于此，照明装置的制造商推出一种色温可调照明装置及其用途。请参阅图1，显示现有的一种色温可调照明装置的架构图。如图1所示，该色温可调照明装置1’主要包括由多个第一发光二极管2’与多个第二发光二极管3’所交叉配置而成的数组，其中，该些第一发光二极管2’可发出色温范围2500K至4000K的一暖白光4’，而该些第二发光二极管3’则可发出色温范围6000K至10000K的一冷白光5’。并且，如图1所示，暖白光4’与冷白光5’会合光为一输出光6’，且该输出光6’的色温即取决于暖白光4’与冷白光5’的相对贡献比例。
虽然图1所示的色温可调照明装置1’的确提供了使用者自行决定或调整色温的功能，然而长期涉及照明装置的设计与开发的电子工程师现已通过终端使用者的反馈意见得知，该色温可调照明装置1’于实务应用中显示出以下缺点：
(1)所述色温可调照明装置1’的色温调变即由第一发光二极管2’与第二发光二极管3’的可调变色温范围所决定因而限制了所述色温可调照明装置1’的色温可调变化范围。除此之外，色温可调照明装置1’同时包括了不同色温的发光二极管也造成制造的困难与成本的提高。
(2)欲调变该色温可调照明装置1’的亮度或照度，必须调整第一发光二极管2’与第二发光二极管3’的驱动电压或电流；然而，在一般的情况下，发光元件的亮度会因为色温的增加而随之升高，导致所述色温可调照明装置1’无法分开调变亮度与色温。
由上述说明可知，如何设计出可分开调变色温与亮度(照度)的光源于是成为相当重要的课题。有鉴于此，本案的发明人极力加以研究创作，而终于研发完成本发明的一种亮度色温可调光源及其用途。
发明内容
现有技术主要是以多个高色温发光元件与多个低色温发光元件组成一个色温可调照明装置。然而，实务发现这样的色温可调照明装置因为具有多个不同色温的发光元件而造成其制造的困难与成本的提高。另一方面，现有的色温可调照明装置的色温调变范围即由多个不同色温的发光元件的可调变色温范围所决定，导致其色温可调变化范围因而受限。有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种亮度色温可调光源，其仅由多个高色温的发光元件以及多个光转换单元所组成，其中，一部分的高色温的发光元件的发光面连接有一光转换单元。根据本发明之设计，部分的光转换单元仅包含一片光转换膜，且部分的光转换单元包含两片或两片以上相互堆叠的光转换膜。如此设计，该多个发光元件所发出的高色温的色光会由不同的光转换单元转换成具有不同色温与亮度(照度)的色光，藉此方式显示出色温与亮度皆可调的优势。
为了达成上述本发明的主要目的，本案发明人提供所述亮度色温可调光源的一实施例，包括：
多个发光元件，其中每一个发光元件皆可发出一高色温色光；以及
多个光转换单元，设置于全部或部份的该发光元件的出光方向处，用以调降该高色温色光的色温；
其中，部分的该多个光转换单元包含一片或多片光转换膜。
于上述本发明的亮度色温可调光源的实施例中，更包括：
一基板，用以供该发光元件形成或设置于其上；
一驱动模块，具有多个电连接单元以电性连接至该多个发光元件；以及
一使用者控制界面，电性连接至该驱动模块。
于上述本发明的亮度色温可调光源的实施例中，其中，该光转换膜包括一聚合物基质(polymer matrix)以及掺杂或包覆于该聚合物基质之中的多个光转换粒子。
附图说明
图1为现有的一种色温可调照明装置的架构图；
图2为显示本发明的一种亮度色温可调光源的架构图；
图3为显示基板、发光元件、与光转换单元的侧面剖视图；
图4为显示发光元件与光转换膜的侧面剖视图；
图5为显示本发明的亮度色温可调光源的应用例的立体图；
图6为显示本发明的亮度色温可调光源的应用例的立体图；以及
图7为显示本发明的亮度色温可调光源的应用例的立体图。
其中，附图标记为：
<本发明>
1 亮度色温可调光源
11 发光元件
12 光转换单元
13 驱动模块
14 使用者控制界面
10 基板
120 光转换膜
131 电连接单元
121 聚合物基质
122 光转换粒子
123 水气阻障层
<现有>
1’ 色温可调照明装置
2’ 第一发光二极管
3’ 第二发光二极管
4’ 暖白光
5’ 冷白光
6’ 输出光
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种亮度色温可调光源及其用途，以下将配合图式，详尽说明本发明的较佳实施例。
请参阅图2，为显示本发明的一种亮度色温可调光源的架构图。如图2所示，本发明的亮度色温可调光源1主要包括：多个发光元件11、多个光转换单元12、一驱动模块13、以及一使用者控制界面14；其中，该多个发光元件11形成或设置于一基板10之上。继续地参阅图2，并请同时参阅图3所显示的基板、发光元件、与光转换单元的侧面剖视图。由图2与图3可以得知，该多个光转换单元12设置于全部或部份的该发光元件11的出光方向处。根据本发明的设计，部分的该多个光转换单元12包含一片光转换膜120，且部分的该多个光转换单元12包含多片相互堆栈的光转换膜120片。
继续地参阅图2与图3。该驱动模块13通过其多个电连接单元131电性连接至该多个发光元件11，用以驱动该些发光元件11发出高色温色光；其中，所述电连接单元131可以是导线、排线、电连接器、或上述元件的组合。并且，为了利于驱动模块13对于该多个发光元件11的电性驱动，可于所述基板10上形成一线路布局，并使该线路布局电性连接于该多个电连接单元131与该多个发光元件11之间。特别地，本案发明人发现单一片光转换膜120可以将所述高色温色光的波长进行转换。有趣的是，在改变高色温色光的波长的同时，单一光转换膜120也调降所述高色温色光的色温与亮度。除此之外，本案发明人进一步发现，相较于单一片光转换膜120，两片以上的光转换膜120对于高色温色光的色温与亮度的调降有明显的加强效果。光转换膜120的堆栈数量对于高色温色光的色温与亮度的调降效果的有关实验数据整理于下表(1)之中。
表(1)
Figure BDA0001679203010000041
Figure BDA0001679203010000051
必须特别解释的是，虽然表(1)之中所载“4920K”仅属于中色温的范围，但表(1)的实验数据仍足以支持“两片以上的光转换膜120对于高色温色光的色温与亮度的调降有明显加强效果”这一物理现象发现。因此，对于本发明的亮度色温可调光源1的使用者而言，其只需通过电性连接至该驱动模块13的使用者控制界面14便可以控制驱动模块13驱动多个发光元件11发光，以令所述亮度色温可调光源1提供具指定色温与照度的色光。举例而言，以色温5219K的OLED作为所述发光元件11，则吾人可利用电压或电流驱动的方式，使其亮度范围调变在212cd/m2至13,570cd/m2之间。此时，于此OLED的发光面上贴附二片光转换膜120之后，则OLED的色温即被调降至3549K，且其亮度范围可被调变在108cd/m2至6,817cd/m2之间。进一步地，若于此OLED的发光面上贴附五片光转换膜120之后，则OLED的色温即被调降至1852K，且其亮度范围可被调变在42cd/m2至2,724cd/m2之间。
然而，必须特别强调的是，虽然实验数据证实两片以上的光转换膜120对于高色温色光的色温与亮度的调降有明显加强效果，但并非以此限定光转换单元12的组成方式。例如，所述光转换单元12可以仅包含一片高转换效率的光转换膜120。于本发明中，用以构成光转换单元12的光转换膜120主要包括一聚合物基质(polymer matrix)121以及掺杂或包覆于该聚合物基质121之中的多个光转换粒子122；其中，该聚合物基质121可为下列任一者：聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methylmethacrylate),PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene,PS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)、聚碳酸酯(Polycarbonate,PC)、环烯烃共聚物(Cyclo olefin copolymer,COC)、环嵌段共聚物(cyclic block copolymer,CBC)、聚乳酸(Polylacticacid,PLA)、聚酰亚胺(Polyimide,PI)、前述任两者的组合、或前述任两者以上的组合。
另一方面，所述多个光转换粒子122可以是量子点或荧光粉，主要用以将发光元件11所发出的高色温色光进行转换，以改变该高色温色光的波长、色温及亮度(或照度)。其中，量子点的尺寸大小与其光激荧光的光色的关系可参考下表(2)的有关整理。
表(2)
光激荧光的光色 尺寸大小的范围
蓝绿光 2-7nm
绿光 3-10nm
黄光 4-12nm
橘光 4-14nm
红光 5-20nm
值得说明的是，所述量子点可为下列任一者：II-VI族复合物的量子点、III-V族复合物的量子点、具有壳-核结构的II-VI族复合物的量子点、具有壳-核结构的III-V族复合物的量子点、具有合金结构的非球形II-VI复合物的量子点、上述任两者的组合、或上述任两者以上的组合。并且，所述荧光粉可为下列任一者：硅酸盐类荧光粉、铝酸盐类荧光粉、磷酸盐类荧光粉、硫化物荧光粉、氮化物荧光粉、氮氧化物荧光粉、上述任两者的组合、或上述任两者以上的组合。
由前述说明可知量子点与荧光粉的种类繁多，下表(3)与表(4)示范性地列出常用的几种材料。
表(3)
Figure BDA0001679203010000061
Figure BDA0001679203010000071
表(4)
Figure BDA0001679203010000072
上表(3)与(4)仅列出光转换粒子122的示范性材料，但须注意本发明的技术特征并非在于限制光转换粒子122的特定材料的应用。举例而言，所述光转换粒子122也可以是荧光粉粒子与量子点的组合。请再重复地参阅图2与图3，并请同时参阅图4所显示的发光元件与光转换膜的侧面剖视图。值得注意的是，若以量子点作为光转换粒子122的主要材料，则实现或制造光转换膜120之时可于聚合物基质121表面进一步地覆上一层水气阻障层123，防止湿气或氧气浸侵入聚合物基质121内部而损坏光转换粒子122。所述水气阻障层123的制造材料可为下列任一者：聚对苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate,PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(Polyethylene naphthalate,PEN)、聚甲基丙烯酸甲酯(Poly(methyl methacrylate),PMMA)、氧化硅、氧化钛、氧化铝、上述任两者的组合、或上述任两者以上的组合。
必须补充说明的是，为了利于光转换膜120被应用至其他发光元件11之上，实务上也可以一透光基板以及多层光转换镀膜构成所述光转换膜120。再者，图5、图6与图7显示本发明的亮度色温可调光源的应用例的立体图。必须特别说明的是，本发明并不限定此亮度色温可调光源1的实施或应用型态。例如，本发明的亮度色温可调光源1可应用为如图5所示的球泡灯(球状光源)、如图6所示的管灯(管状光源)、或如图7所示的平面灯(平面光源)。简单地说，本发明的亮度色温可调光源1可被应用在现有的任何一种市售灯具之中。此外，基于不同种类的灯具可能采用不同的发光元件11，本发明也不限定发光元件11的种类，其可以是发光二极管(Light-emitting diode,LED)、量子点发光二极管(Quantum dots lightemitting diode,QLED)、有机发光二极管(Organic light-emitting diode,OLED)、上述任两者的组合、或上述任三者的组合。
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的一种亮度色温可调光源1的结构组成；并且，经由上述可知本发明具有下列的优点：
现有技术主要是以多个高色温发光元件与多个低色温发光元件组成一个色温可调照明装置。然而，实务中发现，这样的色温可调照明装置通常无法分开调变亮度与色温；更重要的是，现有的色温可调照明装置的输出光的色温无法被大范围的调变。不同地，本发明是以多个高色温的发光元件11以及多个光转换单元12组成所谓的亮度色温可调光源1。特别地，该多个光转换单元12设置于全部或部份的该发光元件11的出光方向处；并且，部分的光转换单元12仅包含一片或多片光转换膜120，且部分的光转换单元12包含一片或多片光转换膜120。如此设计，该多个发光元件11所发出的高色温的色光会由不同的光转换单元12转换成具有不同色温与亮度(照度)的色光，藉此方式显示出色温与亮度皆可调的优势。
必须加以强调的是，上述的详细说明针对本发明可行实施例的具体说明，惟该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所为的等效实施或变更，均应包含于本发明所附权利要求的保护范围中。

Claims (12)

1.一种亮度色温可调光源，其特征在于，包括：
多个发光元件，用以发出多个白光，其中该多个白光的色温皆为4920K光；以及
多个光转换单元，设置于部分的该多个发光元件的出光方向处，用以对该多个白光进行色温调降；
其中，各个所述光转换单元包含至少一片光转换膜；
其中，包含一片所述光转换膜的该光转换单元用以将所述白光的色温调降至3537K，包含相互堆叠的二片所述光转换膜的该光转换单元用以将所述白光的色温调降至2788K，包含相互堆叠的三片所述光转换膜的该光转换单元用以将所述白光的色温调降至2403K，包含相互堆叠的四片所述光转换膜的该光转换单元用以将所述白光的色温调降至2138K，且包含相互堆叠的五片所述光转换膜的该光转换单元用以将所述白光的色温调降至1852K。
2.如权利要求1所述的亮度色温可调光源，其特征在于，更包括：
一驱动模块，具有多个电连接单元以电性连接至该多个发光元件；以及
一使用者控制界面，电性连接至该驱动模块。
3.如权利要求2所述的亮度色温可调光源，其特征在于，更包括：
一基板，用以供该发光元件形成或设置于其上。
4.如权利要求1所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该发光元件可为下列任一者：荧光灯、发光二极管、量子点发光二极管、或有机发光二极管。
5.如权利要求1所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该光转换膜包括一聚合物基质以及包覆于该聚合物基质之中的多个光转换粒子。
6.如权利要求3所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该基板上形成有一线路布局，其电性连接于该多个电连接单元与该多个发光元件之间。
7.如权利要求5所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该聚合物基质可为下列任一者：聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、环烯烃共聚物、环嵌段共聚物、聚乳酸、聚酰亚胺。
8.如权利要求5所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该光转换粒子为尺寸大小介于4.5nm至6.5nm之间的量子点，用以将所述白光的一波长进行转换；其中，所述量子点可为下列任一者：II-VI族复合物的量子点、III-V族复合物的量子点、具有壳-核结构的II-VI族复合物的量子点、具有壳-核结构的III-V族复合物的量子点、具有合金结构的非球形II-VI复合物的量子点。
9.如权利要求5所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该光转换粒子为荧光粉的粒子，用以将所述白光的一波长进行转换；其中，所述荧光粉可为下列任一者：硅酸盐类荧光粉、铝酸盐类荧光粉、磷酸盐类荧光粉、硫化物荧光粉、氮化物荧光粉、氮氧化物荧光粉。
10.如权利要求5所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该光转换膜更包括覆于该聚合物基质之上的一水气阻障层，且所述水气阻障层的制造材料可为下列任一者：聚对苯二甲酸乙二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、氧化硅、氧化钛、或氧化铝。
11.如权利要求1所述的亮度色温可调光源，其特征在于，该光转换膜包括一透光基板以及多层光转换镀膜。
12.一种如权利要求1所述的亮度色温可调光源的用途，其特征在于，其应用为一管状光源、一平面光源、或一球状光源。
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