CN117616592A - 光电照明装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电照明装置(1)，所述光电照明装置包括：至少一个在所述光电照明装置的运行中发光的表面(2)和布置在至少一个发光表面上的转换层(3)。转换层(3)包括具有第一折射率的基本上透明的基质材料(4)，在所述转换层中嵌入：大量用于将由所述发光表面(2)发射的第一波长的光转换成第二波长的光的光转换颗粒(5)；和大量由具有第二折射率的材料组成的均化颗粒(6)。在此，第一折射率和第二折射率至多相差值0.1。
Description
技术领域
本申请要求2021年7月9日的德国专利申请102021117858.4的优先权，所述德国专利申请的公开内容由此通过引用并入本申请中。
本发明涉及用于在诸如LED、尤其是具有非常小尺寸的LED(也称为μLED)的光电器件上制造转换层、尤其是非常薄的转换层的方法和技术。
背景技术
在目前的时间点，诸如LED的光电器件上的转换层大多借助于喷涂方法施加到光电器件的该发光表面/一个发光表面上。为此，将由例如硅树脂基质中的光转换颗粒组成的悬浮液(浆料)尽可能均匀地喷涂到发光表面上。
然而，诸如表面张力的效应导致光转换颗粒在发光表面上凝聚，即在器件表面的子区域上积聚成积聚物。凝聚物/积聚物导致在整个发光表面上出现色坐标(Farbort)的空间波动。这又导致由转换层转换的光的光密度的不均匀性。
在为了获得由转换层转换的光的期望的积分色坐标(光度球测量)而预先给定转换层中的光转换颗粒的浓度的情况下，虽然可以获得期望的色坐标，但是凝聚物/积聚物导致逐点不同的色坐标或更高或更低的色坐标。也就是说，由发光表面发射的光在凝聚物/积聚物的区域中被更强烈地转换，并且在积聚物之间的区域中不被转换或几乎不被转换。这种不期望的空间色坐标差异性也称为颜色空间行为(Color over Space,CoS)。
用于将转换层施加到光电器件上的其他可能性是颗粒的薄膜印刷、分发或电泳沉积，但是在此也出现上述效应，这导致不期望的空间色坐标差异性。
因此，存在以下需求：抵抗上述问题并且提供具有转换层的光电照明装置以及用于制造具有转换层的光电照明装置的方法，所述光电照明装置具有改善的颜色和光密度均匀性。
发明内容
通过具有权利要求1的特征的光电照明装置和具有权利要求13的特征的用于制造光电照明装置的方法来考虑这种需求和其他需求。本发明的实施方式和扩展在从属权利要求中加以描述。
根据本发明的光电照明装置包括至少一个在光电照明装置的运行中发光的表面和布置在至少一个发光表面上的转换层。在此，所述转换层包括具有第一折射率的基本上透明的基质材料。大量用于将由发光表面发射的第一波长的光转换成第二波长的光的光转换颗粒和大量由具有第二折射率的材料组成的均化颗粒嵌入到转换层中或基质材料中。在此，第一折射率和第二折射率基本上不相区别或至多相差值0.1。
本发明的核心是除了光转换颗粒之外还给转换层搀入均化颗粒或不包括光转换材料的异质颗粒。通过搀入的均化颗粒，使得转换层中的颗粒的凝聚物或积聚物不仅由光转换颗粒形成，而且由均化颗粒形成。由于较大的总数，在为了获得由光转换颗粒转换的光的期望的积分色坐标而预先给定转换层中的光转换颗粒的浓度的情况下实现了转换层中的光转换颗粒的更高空间均匀性。现有的光转换颗粒对应地更均匀地分布在发光表面上，并且得出由光电照明装置发射的光的改善的颜色和光密度均匀性。
这尤其是在光电照明装置的以下应用的情况下是有利的，在这些应用中光电照明装置靠近其成像边界地被使用，例如在借助于光电照明装置将图像或图标投影到远离的面上时。在光电照明装置的发射面上的色坐标差异性(CoS)增加的情况下，例如在不搀入均化颗粒的情况下，将会增强地识别出例如彩色条纹和远距离的面上的投影的较低对比度。而通过搀入均化颗粒，可以实现由光电照明装置发射的光的改善的颜色和光密度均匀性并且因此可以实现远距离的面上的投影的高对比度和清晰边缘。
除此之外，均化颗粒在转换层内不具有光散射作用或仅具有非常小的光散射作用，因为其材料具有与包围颗粒的基质材料的折射率基本上相同的折射率。在均化颗粒和包围颗粒的基质材料之间对应地不存在折射率跃变或仅存在着非常小的折射率跃变，使得穿过转换层的光在均化颗粒处不被散射或几乎不被散射。
在一些实施方式中，光转换颗粒或发光物质颗粒的粒度分布或晶粒度分布基本上对应于均化颗粒的粒度分布或晶粒度分布。尤其是，发光物质颗粒的粒度或晶粒度的平均值基本上对应于均化颗粒的粒度或晶粒度的平均值。理想地，光转换颗粒具有与均化颗粒相同的大小分布。
在一些实施方式中，转换层具有小于或等于30μm的厚度并且尤其是具有小于或等于15μm的厚度。转换层对应地被构造得特别薄。如果将转换层施加到特别小的光电器件、即具有特别小的尺寸的光电器件上，则这尤其可以是必要的或有利的。尤其是，转换层的厚度不应当超过转换层所施加到的光电器件的尺寸。
此外可能有利的是，不仅光转换颗粒而且均化颗粒被构造为非常小。尤其是，光转换颗粒以及均化颗粒都可以具有几微米并且尤其是几亚微米的大小。例如，光转换颗粒以及均化颗粒都可以以纳米球或纳米颗粒的形式存在。这尤其是在转换层非常薄的情况下可以是有利的，因为更大数量的颗粒可以更均匀地并且以多个分层分布在转换层中。而在颗粒的晶粒度较大的情况下，少量颗粒就已经覆盖整个发光表面，并且将会难以实现颗粒的均匀分布。
在一些实施方式中，至少一个发光表面具有小于或等于40μm的边长，或者具有小于或等于100μm2的面积。这尤其是可以通过以下方式引起：发光表面是特别小的光电器件、即具有特别小的尺寸的光电器件的组成部分。
在一些实施方式中，附加地将由具有第三折射率的材料制成的光散射颗粒嵌入到所述转换层中。在此，第三折射率不同于第一折射率和第二折射率。尤其是，在光散射颗粒与包围这些颗粒的基质材料或均化颗粒之间存在着足够大的折射率跃变，使得穿过转换层的光在光散射颗粒处被散射。
在一些实施方式中，光散射颗粒的粒度分布或晶粒度分布基本上对应于均化颗粒和/或光转换颗粒的粒度分布或晶粒度分布。尤其是，光散射颗粒的粒度或晶粒度的平均值基本上对应于均化颗粒和/或光转换颗粒的粒度或晶粒度的平均值。理想地，光散射颗粒具有与均化颗粒和/或与光转换颗粒相同的大小分布。
在一些实施方式中，光电照明装置包括至少一个LED或至少一个像素化LED芯片。在此，至少一个发光表面由LED或像素化LED芯片的光出射面构成。LED或像素化LED芯片尤其是还可以称为微型LED(也称为μLED)，或者称为μLED芯片，尤其是对于其发光表面具有在100μm至10μm的范围中的边长或者甚至明显更小的边长的情况。
在一些实施方式中，LED或像素化LED芯片可以是未封装半导体芯片。未封装(ungehaust)意味着芯片不具有围绕其半导体层的外壳，例如“芯片裸片(chip die)”。在一些实施方式中，未封装可以意味着芯片无任何有机材料。因此，未封装器件不包含含有共价键碳的有机化合物。
在一些实施方式中，光电照明装置包括晶片结构，所述晶片结构具有生长在晶片上的大量发光器件。在此，至少一个发光表面通过生长在所述晶片上的发光器件的光出射面构成。在此，发光器件可以以未封装半导体芯片的形式存在于晶片上。未封装意味着芯片不具有围绕其半导体层的外壳，例如“芯片裸片”。在一些实施方式中，未封装可以意味着芯片无任何有机材料。因此，未封装器件不包含含有共价键碳的有机化合物。
在一些实施方式中，基质材料包括以下材料中的至少一种：
硅树脂；
环氧树脂；
聚硅氧烷；
多晶硅；
玻璃状材料；和
基于玻璃的材料。
在一些实施方式中，基质材料包括基本上透明的材料。就此而论，基本上透明的意味着该材料对于由发光表面发射的光和由光转换颗粒转换的光至少是透明的。换句话说，由发光表面发射的光以及由光转换颗粒转换的光几乎不被基质材料吸收或不被基质材料吸收。
在一些实施方式中，光转换颗粒例如包括用于将由发光表面发射的第一波长的光转换成不同于第一波长的第二波长的光的磷光体。
尤其是，光转换颗粒被构造用于将第一波长的光转换成与第一波长不同的第二波长的光。例如，光转换颗粒可以被构造用于将蓝光转换成黄光，以便通过混合蓝光和黄光来获得白光。
在一些实施方式中，均化颗粒包括以下材料中的至少一种：
玻璃/SiO2；
高折射聚合物；
PP；
PE；和
蓝宝石玻璃/Al2O3。
在一些实施方式中，可以通过搀入均化颗粒来有针对性地影响转换层的机械特性。一方面，这可以受搀入到转换层中的均化颗粒的浓度影响和/或受均化颗粒的材料选择和形状影响。
在一些实施方式中，位于所述转换层中的所有颗粒中的均化颗粒的数量至多为50％。尤其是，位于转换层中的所有颗粒中的所有均化颗粒和可选的光散射颗粒的数量至多为50％。换句话说，位于转换层中的所有颗粒中的光转换颗粒的数量大于或等于50％。由此保证足够的光转换。
在一些实施方式中，嵌入在转换层中的颗粒具有尽可能均匀的分布。尤其是，光转换颗粒在转换层中具有尽可能均匀的分布。
在一些实施方式中，在转换层中由嵌入转换层中的颗粒构造凝聚物/积聚物。在此，凝聚物分别包括光转换颗粒的子集和均化颗粒的子集。与上述实施方式相反，颗粒可以对应地具有“不均匀”分布，因为颗粒可以以积聚物的形式布置并且不完全均匀地布置在发光表面上。然而，应当说明的是，因为光转换颗粒分布到多个凝聚物上，所以通过搀入均化颗粒，与不给转换层搀入均化颗粒的情况相比存在着尤其是光转换颗粒的更均匀的分布。对应地，这方面可以谈及颗粒的均匀分布，尤其是光转换颗粒的均匀分布。
根据本发明的用于制造光电照明装置的方法包括以下步骤：
提供至少一个在光电照明装置的运行中发光的表面；和
将转换层施加到至少一个发光表面上。
在此，转换层包括具有第一折射率的基本上透明的基质材料并且大量用于将由发光表面发射的第一波长的光转换成第二波长的光的光转换颗粒和大量由具有第二折射率的材料制成的均化颗粒嵌入到转换层或基质材料中。在此，第一折射率和所述第二折射率基本上不相区别或至多相差值0.1，可能也至多相差0.05。
在一些实施方式中，施加转换层的步骤包括喷涂工艺。为此，可以尤其是有利的是，光转换颗粒的粒度分布或晶粒度分布基本上对应于均化颗粒的粒度分布或晶粒度分布以及可选地嵌入到转换层中的光散射颗粒的粒度分布或晶粒度分布。对应地，例如有可能的是，在不改变工艺的情况下继续使用已经存在的喷涂工艺来施加无均化颗粒的转换层。
在一些实施方式中，将转换层施加在发光表面上的步骤包括对光转换颗粒和/或均化颗粒和/或可选地嵌入到转换层中的光散射颗粒进行电泳沉积(EPD)。随后可以借助于喷涂工艺、借助于分发或借助于层压将基质材料施加到颗粒上。
在一些实施方式中，转换层在施加的时间点以悬浮液(浆料)的形式存在，所述悬浮液包括基质材料、光转换颗粒、均化颗粒和可选地光散射颗粒。在将悬浮液施加在发光表面上之后，尤其是借助于喷涂工艺，所述悬浮液硬化并且形成转换层。
在一些实施方式中，施加转换层的步骤包括层压或粘合步骤。尤其是当转换层已经作为包括基质材料、光转换颗粒、均化颗粒和可选地光散射颗粒的薄膜存在并且被层压或粘合到发光表面上时，可以是这种情况。
附图说明
下面参考所附附图更详细地解释本发明的实施例。分别示意性地，
图1A至图1C示出用于制造光电照明装置的步骤以及光电照明装置的转换层的俯视图的显微记录；
图2A和图2B示出根据所提出的原理的一些方面的用于制造光电照明装置的步骤以及光电照明装置；和
图3A和图3B分别示出根据所提出的原理的一些方面的光电照明装置的两个实施方式的剖视图。
具体实施方式
以下实施方式和示例示出根据所提出的原理的不同方面及其组合。实施方式和示例并不总是按正确比例绘制的。各种元素同样可以放大或缩小地示出，以便突出各个方面。不言而喻，在绘图中所示的实施方式和示例的各个方面和特征可以容易地相互组合，而不由此影响根据本发明的原理。一些方面具有规则的结构或形状。应当注意的是，实际上可能出现与理想形式的轻微偏差，但是并不与发明思想相矛盾。
此外，各个图、特征和方面不一定以正确的大小示出，并且各个元素之间的比例原则上不必是正确的。一些方面和特征被突出，其方式是所述方面和特征被放大地表示。然而，诸如“上部”、“上方”、“下部”、“下方”、“较大”、“较小”等的术语相对于图中的元素被正确地表示。因此可能的是，基于绘图导出元素之间的这种关系。
图1A和1B分别示出用于制造光电照明装置的步骤或在制造光电照明装置期间出现的效应的高度简化的图解。尤其是，这些图示出将转换层3施加到光电照明装置的发光表面2上的步骤或在该步骤期间出现的效应。
如图1A中所示，借助于喷涂工艺将包括基质材料4和大量光转换颗粒5的悬浮液(浆料)施加到发光表面2上。这在图1A中通过垂直箭头示意性地示出。通过喷涂工艺，光转换颗粒5被基质材料4包封并且以这种形式入射到发光表面2上或入射到已经位于发光表面2上的光转换颗粒5上。
只要基质材料4尚未硬化，并排和/或相叠地布置的光转换颗粒5就由于例如表面张力而在发光表面2上形成凝聚物7或积聚物。对应地，光转换颗粒5并不是均匀地分布在发光表面2上，而是在发光表面2的子区域中一起“生长”成凝聚物7。这种效应示范性地针对两个光转换颗粒5逐步地在图1B的上半部中示出，使得在发光表面2上形成在图1B的下半部中示出的分别具有大量光转换颗粒5的子集的凝聚物7。
分别具有大量光转换颗粒5的子集的凝聚物7导致在转换层3的对应区域中的逐点较高的色坐标。也就是说，由发光表面2发射的光在凝聚物7的区域中被更强烈地转换，并且在积聚物之间的区域中不被转换或仅几乎不被转换。这导致不期望的空间色坐标差异性(CoS)。
图1C示出光电照明装置的这样制造的转换层3的俯视图的显微记录。在此可以明显地看出转换层3内的空间不均匀性，因为光转换颗粒5显然不是均匀地分布在基质材料内，而是形成凝聚物7。
图2A和2B分别示出根据所提出的原理的一些方面的光电照明装置1的改善的制造工艺的步骤的大大简化的图解或者在此期间出现的效应。尤其是，这些图示出根据所提出的原理的一些方面将转换层3施加到光电照明装置1的发光表面2上的改善的步骤。
与图1A中所示的喷涂工艺相比，如图2A中所示，施加到发光表面2上的悬浮液(浆料)包括基质材料4、大量光转换颗粒5和大量均化颗粒6。该悬浮液如上面描述的那样被施加到发光表面2上，这在图2A中通过竖直箭头示意性地示出。由于喷涂工艺，光转换颗粒5和均化颗粒6分别由基质材料4包封并且以这种形式入射到发光表面2上或入射到已经位于发光表面2上的光转换颗粒5和/或均化颗粒6上。
并排和/或相叠地布置的光转换颗粒5和/或均化颗粒6——只要基质材料4尚未硬化——就由于例如表面张力而在发光表面2上形成凝聚物7或积聚物。然而，由于搀入的均化颗粒6，凝聚物7不仅仅包括光转换颗粒5，而且还包括均化颗粒6。因此，与不搀入均化颗粒6的情况相比，由于在凝聚物内均化颗粒6位于光转换颗粒5之间，所以相同数量的光转换颗粒5以更大面积并且更均匀的方式分布到发光表面2上。这种效应示例性地针对光转换颗粒5和均化颗粒6逐步地在图2B的上半部中示出，使得在发光表面2上形成在图2B的下半部中示出的分别具有大量光转换颗粒5的子集和大量均化颗粒6的子集的凝聚物7。
由于与图1B中所示的转换层相比，凝聚物7分别包括大量光转换颗粒5的子集和大量均化颗粒6的子集，因此与凝聚物仅仅包括光转换颗粒5的情况相比，光转换颗粒5更远地彼此间隔。由此，现有的光转换颗粒5对应地更均匀地分布在发光表面2上，并且得出由光电照明装置1发射的光的改善的颜色和光密度均匀性。
除此之外，均化颗粒6在转换层3内不具有光散射作用或仅具有非常小的光散射作用，因为其材料具有与包围颗粒5、6的基质材料4基本上相同的折射率。对应地，在均化颗粒6和包围颗粒5、6的基质材料4之间不存在折射率跃变或仅存在非常小的折射率跃变，使得穿过转换层3的光在均化颗粒6处不被散射或几乎不被散射。
图3A示出借助于前述方法步骤制造的光电照明装置1的剖视图。该照明装置包括具有发光表面2的半导体本体8，在所述发光表面2上布置有转换层3。转换层3包括具有第一折射率的基质材料4，其中大量光转换颗粒5和大量均化颗粒6嵌入所述转换层中。颗粒5、6在转换层3内形成凝聚物7或积聚物，所述凝聚物7或积聚物在转换层3的制造步骤期间出现。光转换颗粒5在此被构造用于将第一波长的由发光表面2发射的光转换成第二波长的光。均化颗粒6由具有第二折射率的材料组成，其中第一折射率和第二折射率至多相差值0.1。
图3B示出根据所提出的原理的一些方面的另一光电照明装置1的剖视图。照明装置1包括晶片结构10，其具有生长在载体衬底9上的大量发光器件8。发光器件8分别具有光出射面，所述光出射面构成发光表面2。在这些发光表面2上分别布置有转换层3。转换层3包括具有第一折射率的基质材料4，其中大量光转换颗粒5和大量均化颗粒6嵌入所述转换层中。颗粒5、6在转换层3内形成凝聚物7或积聚物，所述凝聚物7或积聚物在转换层3的制造步骤期间出现。光转换颗粒5在此被构造用于将第一波长的由发光表面2发射的光转换成第二波长的光。均化颗粒6由具有第二折射率的材料组成，其中第一折射率和第二折射率至多相差值0.1。
附图标记列表
1光电照明装置
2发光表面
3转换层
4基质材料
5光转换颗粒
6均化颗粒
7凝聚物
8光电器件
9载体衬底
10晶片。
Claims (16)
1.一种光电照明装置(1)，所述光电照明装置包括：
至少一个在所述光电照明装置的运行中发光的表面(2)；和
布置在至少一个发光表面上的转换层(3)；
其中所述转换层(3)包括具有第一折射率的基本上透明的基质材料(4)，其中在所述转换层中嵌入：
大量用于将由所述发光表面(2)发射的第一波长的光转换成第二波长的光的光转换颗粒(5)；和
大量由具有第二折射率的材料组成的均化颗粒(6)；
其中所述第一折射率和所述第二折射率至多相差值0.1；以及
其中所述转换层(3)具有小于或等于30μm的厚度并且尤其是具有小于或等于15μm的厚度。
2.根据权利要求1所述的光电照明装置，其中所述光转换颗粒(5)的粒度分布基本上对应于所述均化颗粒(6)的粒度分布。
3.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中所述至少一个发光表面(2)具有小于或等于40μm的边长，或者具有小于或等于100μm2的面积。
4.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中附加地将由具有第三折射率的材料制成的光散射颗粒嵌入到所述转换层(3)中，其中所述第三折射率不同于所述第一折射率和所述第二折射率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，所述光电照明装置包括LED(8)或像素化LED芯片，其中所述至少一个发光表面(3)由所述LED或所述像素化LED芯片的光出射面构成。
6.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，所述光电照明装置包括晶片结构(10)，所述晶片结构具有生长在晶片上的大量发光器件(8)，其中所述至少一个发光表面(3)通过生长在所述晶片上的发光器件(8)的光出射面构成。
7.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中所述基质材料(4)包括以下材料中的至少一种：
硅树脂；
环氧树脂；和
基于玻璃的材料。
8.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中所述均化颗粒(6)包括以下材料中的至少一种：
SiO2；
高折射聚合物；
PP；
PE；和
Al2O3。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中位于所述转换层中的所有颗粒(5、6)中的均化颗粒(6)的数量至多涉及50％。
10.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中嵌入所述转换层(3)中的颗粒(5、6)具有不均匀的分布。
11.根据前述权利要求中任一项所述的光电照明装置，其中在所述转换层(3)中由嵌入所述转换层(3)中的颗粒(5、6)构造凝聚物(7)，并且所述凝聚物(7)分别包括光转换颗粒(5)的子集和均化颗粒(6)的子集。
12.一种用于制造光电照明装置(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
提供至少一个在所述光电照明装置的运行中发光的表面(2)；和
将转换层(3)施加到至少一个发光表面(2)上；
其中所述转换层(3)包括具有第一折射率的基本上透明的基质材料(4)，其中在所述转换层中嵌入：
大量用于将由所述发光表面(2)发射的第一波长的光转换成第二波长的光的光转换颗粒(5)；和
大量由具有第二折射率的材料组成的均化颗粒(6)；
其中所述第一折射率和所述第二折射率至多相差值0.1；以及
其中所述转换层(3)具有小于或等于30μm的厚度并且尤其是具有小于或等于15μm的厚度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中施加所述转换层(3)的步骤包括喷涂工艺。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中施加所述转换层(3)的步骤包括电泳沉积(EPD)。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中所述转换层(3)的材料在施加的时间点以悬浮液的形式存在，所述悬浮液包括所述基质材料(4)、光转换颗粒(5)和均化颗粒(6)，并且在施加之后所述悬浮液硬化。
16.根据权利要求12所述的方法，其中施加所述转换层(3)的步骤包括层压步骤。
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