CN1542991A - 具有荧光多层结构的发光二极管装置 - Google Patents

具有荧光多层结构的发光二极管装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种具有荧光多层结构的发光二极管(LED)装置。该LED装置包括LED片，其发射激发光；荧光多层结构，其由当被激发光激发时发射彼此不同颜色的多个荧光层组成。靠近LED片的荧光多层结构的部分发射较长波长的光，而远离LED片的荧光多层结构的部分发射较短波长的光。因此，可以增加LED装置的整个光转换效率以及LED装置输出的光的数量。

Description

具有荧光多层结构的发光二极管装置
技术领域
本发明涉及发光二极管装置，更具体地涉及具有荧光多层结构的发光二极管装置，其可以提供高的光转换效率。
背景技术
通过将发光二极管(LED)片发射的紫外(UV)线或蓝光转换成具有更长波长的光，发光二极管装置发射白光或者各种颜色的可见光。例如，从发射白光的LED装置中的LED片发射的紫外线激发荧光材料，并且因此，由被激发的荧光材料发射三原色(即，红色(R)、绿色(G)、蓝色(B))的可见光线。依据荧光材料的成分，荧光材料可以发射不同颜色的可见光线。可见光线的叠加可以对人眼显现出白光。
已开发了从灯式到片式LED装置。片式LED装置可以容易地以高的集成密度安装在大尺寸的衬底上。因此，这种LED装置已经广泛地被用于许多不同领域，如背光装置、例如荧光灯的电照明装置或者其它信号装置，并且预计它们的应用范围将变得更为广阔。
图1至3为三种不同的传统LED装置的剖视图。图1和2分别示出了传统灯式LED装置10和传统片式LED装置20，它们已在美国专利第6,069,440号中公开。图3示出了US 5,813,753中公开的一种传统LED装置30。
请参照图1，传统灯式LED装置10包括安装导向柱(lead)11、内部导向柱12以及LED片13。LED片13安装在形成在安装导向柱11上的杯状物11a内。LED片13的N型电极和P型电极通过引线14分别与安装导向柱11和内部导向柱12电连接。LED片13被荧光层15覆盖，荧光层15由涂层树脂和荧光材料的混合物形成。安装导向柱11的一部分、内部导向柱12的一部分、杯状物11a、LED片13、引线14以及荧光层15被透明树脂16包围。
请参照图2，在传统的片式LED装置20中，LED片23被安装在套管(casing)21的凹槽内。形成荧光层25以通过使用涂层树脂和荧光材料的混合物填充该凹槽来覆盖LED片23。LED片23的N型电极和P型电极通过引线24连接到金属导线22。
请参照图3，在传统的LED装置30中，LED片31被安装在具有杯状的管座(header)32中，而安装在管座32的内壁处的镜子33反射LED片31发射的光线。管座32填充有其中分散有荧光材料的透明材料，使得LED片31被该透明材料包围。置于管座32上的平板玻璃36防止尚未被吸收到荧光材料34中的光被发射到空气中。形成在LED片31上的短波通过(SWP)滤波器37相对较长波长而言更有效地传输具有短波长的光。
在这种传统LED装置中，紫外线或蓝光激发荧光层中的荧光材料，并且随后被激发的荧光层发射较长波长的可见光线。例如，在使用紫外LED片的发射白光的LED装置中，当被紫外线激发时分别发射红光、绿光和蓝光的荧光层中的三种不同类型的荧光材料被混合，或者当被紫外线激发时分别发射黄光和蓝光的荧光层中的两种不同类型的荧光材料被混合。另一方面，在使用蓝色LED片发射白光的LED装置中，当被紫外线激发时分别发射红光和绿光的两种不同类型的荧光材料被混合。
图4为示出当被20mA的紫外线激发时三种不同的传统荧光材料A、B和C的光转换效率的曲线图。请参照图4，当发射具有大约450nm波长的蓝光时荧光材料A、B和C具有大约60％的高的光转换效率。当发射具有大约520nm波长的绿光时荧光材料A、B和C具有大约40％的相对高的光转换效率。但是，当发射具有大约620nm波长的红光时荧光材料A、B和C具有大约15％或更低的低的光转换效率。
当发射红光时荧光材料A、B和C的这种低的光转换效率严重影响LED装置的整个的光转换效率，使得目前正在艰苦地努力来开发具有更高的光转换效率的LED装置。
发明内容
本发明提供具有荧光多层结构的发光二极管(LED)装置，其可以提供高的光转换效率。
根据本发明的一个方面，提供一种发光二极管(LED)装置。该LED装置包括发射激发光的LED片以及荧光多层结构，该荧光多层结构由多个被激发光激发时发射彼此不同颜色的光的荧光层组成。较长波长的光由更靠近LED片的荧光多层结构的部分发射，而较短波长的光由远离LED片的荧光多层结构的部分发射。
LED片发射的激发光可以为紫外线。
所述荧光多层结构可以包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光；以及第三荧光层，其沉积在第二荧光层上并发射蓝光。
第一荧光层可以包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，第二荧光层可以包括发射具有500nm～550nm波长的绿光的荧光材料，而第三荧光层可以包括发射具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
所述荧光多层结构可以包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光和蓝光。
第一荧光层可以包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，第二荧光层可以包括发射具有500nm～550nm波长的绿光和具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
所述荧光多层结构可以包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射黄光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射蓝光。
第一荧光层可以包括发射具有560nm～580nm波长的黄光的荧光材料，第二荧光层可以包括发射具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
LED片发射的激发光可以为蓝光。
所述荧光多层结构可以包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光。
第一荧光层可以包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，第二荧光层可以包括发射具有500nm～550nm波长的绿光的荧光材料。
所述荧光多层结构可以包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射黄光。
第一荧光层可以包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，第二荧光层可以包括发射具有560nm～580nm波长的黄光的荧光材料。
如上所述，根据本发明，由于发射具有最长波长的光的荧光层的光转换效率的增加，LED装置的整个光转换效率增加，因此，光输出的数量增加。
附图说明
通过参考附图详细描述本发明的示例性实施例，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加明显，其中：
图1至3为三种不同的传统发光二极管(LED)装置的剖视图；
图4为示出发射红光、绿光和蓝光的三种不同的传统荧光材料的光转换效率的曲线图；
图5A和5B分别为根据本发明第一实施例的灯式LED装置和根据本发明第二实施例的片式LED装置的剖视图；
图6为根据本发明第三实施例的LED装置的剖视图；
图7为根据本发明第四实施例的LED装置的剖视图；
图8为根据本发明第五实施例的LED装置的剖视图；
图9为比较根据本发明第三实施例的LED装置与传统LED装置的光转换效率的示意图；以及
图10为比较根据本发明第四实施例的LED装置与传统LED装置的光转换效率的示意图。
具体实施方式
以下，将参照示出本发明的示例性实施例的附图更全面地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，并且不应该被认为局限于这里给出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开是彻底而完整的，并将本发明的概念传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚起见，层和区域的厚度被夸大。在不同的附图中，相同的附图标记表示相同的元件。
图5A和5B分别为根据本发明第一实施例的灯式LED装置和根据本发明第二实施例的片式LED装置的剖视图。
请参照图5A，灯式LED装置100包括安装导向柱101、内部导向柱102和LED片110，LED片110位于形成在安装导向柱101上的杯状物101a内并产生具有大约410nm或更短的波长的紫外线。在本实施例中，紫外线被用来激发包含在荧光多层结构120中的荧光材料。LED片110的N型电极和P型电极提供引线103分别电连接到安装导向柱101和内部导向柱102。LED片110被荧光多层结构120覆盖，并且荧光多层结构120由利用三种不同荧光材料形成的三个荧光层121至123组成。安装导向柱101、内部导向柱102、引线103、杯状物101a以及LED片110被透明树脂104包围。
请参照图5B，在传统的片式LED装置200中，发射紫外线的LED片110被安装在形成在衬底105上的套管106内。在套管106的凹槽中，分别由三种不同荧光材料形成的三个荧光层，即第一、第二和第三荧光层，被形成。第一至第三荧光层121至123构成荧光多层结构120。LED片110的N型电极和P型电极通过引线103电连接到形成在衬底105上的金属线。
如图5A和5B所示，分别根据本发明第一和第二实施例的LED装置100和200都包括形成在LED片110上的荧光多层结构120。荧光多层结构120由第一至第三荧光层121至123组成，而第一至第三荧光层121至123包括当被紫外线激发时发射不同颜色的光的不同荧光材料。
更具体地，第一荧光层121由环氧树脂、硅树脂和在紫外LED片110上发射红光R的荧光材料的混合物形成。第一荧光层121可以由当被紫外线激发时发射具有580nm～700nm波长更具体为600nm～650nm波长的光的荧光材料形成。例如，可以使用SrS:Eu2+、Y2O2S:Eu、YVO:Eu或者M(WO):Eu、SM(M；Li、Na、K、Ba、Ca或Mg)作为荧光材料。
第二荧光层122沉积在第一荧光层121上并且由环氧树脂、硅树脂和发射绿光(G)的荧光材料的混合物形成。第二荧光层122可以由当被紫外线激发时发射具有500nm～550nm波长的光的荧光材料形成。例如，可以使用TG(SrGa2S4:Eu2+)或者(BaSr)SiO:EuM(M；Ho、Er、Ce或Y)作为荧光材料。
第三荧光层123沉积在第二荧光层122上并且由环氧树脂、硅树脂和发射蓝光(B)的荧光材料的混合物形成。第三荧光层123可以由当被紫外线激发时发射具有420nm～480nm波长的光的荧光材料形成。例如，可以使用Ca10(PO4)6Cl2:Eu2+或者Sr5(PO4)3Cl:Eu作为荧光材料。
在分别根据本发明第一和第二实施例的LED装置100和200中，LED片110发射的紫外线激发包含在第一至第三荧光层121至123中的三种不同的荧光材料。因此，第一、第二和第三荧光层121、122和123分别发射红光、绿光和蓝光。第一、第二和第三荧光层121、122和123分别发射的红光、绿光和蓝光的叠加可以被人眼视作白光(W)。
在本发明的第一和第二实施例中，荧光多层结构120由多个层即三层形成。更具体地，发射红光的第一荧光层121沉积在LED片110上，而分别发射绿光和蓝光的第二和第三荧光层122和123依序沉积在第一荧光层121上。提供将获得最低的光转换效率的发射红光的第一荧光层121设置在最靠近LED片110的位置，第一荧光层121的光转换效率可以变得相对较高，因而整个LED装置100或200的光转换效率可以被提高。
如果第三、第二和第一荧光层123、122和121被依序沉积在LED片110上，使得发射具有最短波长的蓝光的第三荧光层123可以被设置在最靠近LED片110的位置处，而第一荧光层121可以被设置在远离LED片110的位置处，LED片110发射的紫外线在抵达第一荧光层121之前被吸收到第三和第二荧光层123和122中。因而，第一荧光层121的光转换效率变得非常低。
因此，在本发明中，第一、第二和第三荧光层121、122和123依序沉积在LED片110上，使得第一荧光层121可以被置于最靠近LED片110的位置处，第三荧光层123可以被置于最远离LED片110的位置处，而第二荧光层122可以被置于第一和第三荧光层121和123之间。
图6至8为根据本发明第三至第五实施例的LED装置的剖视图。图6至8仅示出了分别根据本发明第三、第四和第五实施例的LED装置300、400和500与分别在图5A和5B中显示的分别根据本发明第一和第二实施例的LED装置100和200的区别特征。换言之，LED装置300、400和500可以作为灯式或片式LED装置来实现。
请参照图6，LED装置300包括LED片310，其发射具有410nm或更短波长的作为激发光的紫外线；以及荧光多层结构320，其被形成用来覆盖LED片310。在本实施例中，荧光多层结构320由利用第一和第二荧光层321和322组成的两层形成。
更具体地，第一荧光层321由环氧树脂、硅树脂以及在LED片310上发射红光(R)的荧光材料的混合物形成。以上已经描述了荧光材料的示例和荧光材料发射的红光的波长范围，因而这里不再加以解释。
沉积在第一荧光层321上的第二荧光层322由环氧树脂、硅树脂以及分别发射绿光(G)和蓝光(B)的两种不同荧光材料的混合物形成。以上已经描述了分别发射绿光(G)和蓝光(B)的荧光材料的示例和荧光材料分别发射的光的波长范围，因而这里不再加以解释。
在LED装置300中，LED片310发射的紫外线激发第一荧光层321的荧光材料和第二荧光层322的荧光材料。结果，第一荧光层321发射红光(R)，而第二荧光层322发射绿光(G)和蓝光(B)。荧光多层结构320发射的红光、绿光和蓝光(R)、(G)和(B)的叠加对人眼而言被视作白光(W)。
如上所述，在本发明的第三实施例中，荧光层320由两层形成以便将紫外线转换成可见光，使得发射最长波长的光(即红光(R))的第一荧光层321沉积在LED片310上，而发射较短波长的光(即绿光(G)和蓝光(B))的第二荧光层322沉积在第一荧光层321上。因此，在本实施例中，与前述的实施例相似，可以提高光转换效率，这一点通过分析图9将变得更加明显。
请参照图7，LED装置400包括LED片410，其发射具有410nm或更短波长的作为激发光的紫外线；以及荧光多层结构420，其被形成用来覆盖LED片410。在本实施例的第四实施例中，与本发明的第三实施例相似，荧光多层结构420由利用第一和第二荧光层421和422组成的两层形成。
更具体地，第一荧光层421由位于LED片410上的发射黄光(Y)的荧光材料、环氧树脂以及硅树脂混合物形成。当被紫外线激发时，所述荧光材料发射具有560nm～580nm波长的光。例如，钇铝石榴石(YAG)可以被用作荧光材料。
第二荧光层422在第一荧光层421上由环氧树脂、硅树脂以及发射蓝光(B)的荧光材料的混合物形成。在前述实施例中已经描述了荧光材料的示例和荧光材料发射的蓝光(B)的波长范围，因而这里不再加以解释。
在LED装置400中，LED片410发射的紫外线激发第一荧光层421的荧光材料和第二荧光层422的荧光材料。结果，第一荧光层421发射黄光(Y)，而第二荧光层422发射蓝光(B)。荧光多层结构420发射的黄光和蓝光(Y)和(B)的叠加对人眼而言被视作白光(W)。
如上所述，在本发明的第四实施例中，荧光层420由两层形成以便将紫外线转换成可见光，使得发射最长波长的光(即黄光(Y))的第一荧光层421沉积在LED片410上，而发射较短波长的光(即蓝光(B))的第二荧光层422沉积在第一荧光层421上。因此，在本实施例中，与前述的实施例相似，可以提高光转换效率。
请参照图8，LED装置500包括LED片510，其发射具有420nm～480nm波长的作为激发光的蓝光(B)；以及荧光多层结构520，其由利用第一和第二荧光层521和522组成的两层形成以覆盖LED片510。
更具体地，第一荧光层521由5发射红光(R)的荧光材料、环氧树脂以及硅树脂的混合物形成。在前述实施例中已经描述了发射红光(R)的荧光材料的示例和荧光材料发射的光的波长范围，因而这里不再重复描述。
沉积在第一荧光层521上的第二荧光层522由环氧树脂、硅树脂以及发射绿光(G)或黄光(Y)的荧光材料的混合物形成。在前述实施例中已经描述了发射绿光(G)或黄光(Y)的荧光材料的示例和该荧光材料发射的光的波长范围，因而这里不再重复描述。
在LED装置500中，LED片510发射的蓝光(B)激发第一荧光层521的荧光材料，使得第一荧光层521发射红光(R)。此外，蓝光(B)激发第二荧光层522的荧光材料，使得第二荧光层522发射绿光(G)或黄光(Y)。荧光多层结构520发射的红光(R)和绿光(G)(或者黄光(Y))与LED片510发射的蓝光(B)的叠加对人眼而言被视作白光(W)。
如上所述，在本发明的第五实施例中，荧光层多层结构520由两层形成以便将紫外线转换成可见光，使得发射最长波长的光(即红光(R))的第一荧光层521沉积在LED片510上，而发射较短波长的光(即绿光(G)或黄光(Y))的第二荧光层沉积在第一荧光层521上。因此，在本实施例中，与前述的实施例相似，可以提高光转换效率。
现在将给出显示分别根据本发明第三和第四实施例的LED装置300和400的性能的实验结果。
图9为比较图6的LED装置300和传统LED装置的光转换效率的示意图，而图10为比较图76的LED装置400和传统LED装置的光转换效率的示意图。
在第一实验中，包括发射红光(R)并沉积在发射紫外线的LED片上的第一荧光层和发射绿光(G)和蓝光(B)并沉积在第一荧光层上的第二荧光层的与图6的LED装置300相似的LED装置以及包括由使用分别发射红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)的荧光材料的混合物的单层形成的荧光层的LED装置被分别用作本发明和现有技术的示例。此外，在本发明的LED装置中使用发射大约5mW的紫外线的LED片，而传统LED装置中使用发射大约8mW的紫外线的LED片。
第一实验的结果示出在图9中。请参照图9，本发明的LED装置对于大约5mW的紫外线输出具有平均0.68lm(2.3mW)的白光，而传统LED装置对于大约8mW的紫外线输出具有平均0.53lm(2.1mW)的白光。因此，大约为46％的根据本发明第三实施例的LED装置300的光转换效率比大约为26％的传统LED装置的光转换效率高。
在第二实验中，包括发射黄光(Y)并沉积在发射紫外线的LED片上的第一荧光层和发射蓝光(B)并沉积在第一荧光层上的第二荧光层的与图7的LED装置400相似的LED装置以及包括由使用分别发射黄光(Y)和蓝光(B)的荧光材料的混合物的单层形成的荧光层的LED装置被分别用作本发明和现有技术的示例。此外，在本发明的LED装置和传统LED装置中使用发射大约5mW的紫外线的LED片。
第二实验的结果示出在图10中。请参照图10，本发明的LED装置对于大约5mW的紫外线输出具有平均0.884lm(3.15mW)的白光，而传统LED装置对于大约5mW的紫外线输出具有平均0.649lm(2.16mW)的白光。因此，大约为63％的根据本发明第四实施例的LED装置400的光转换效率比大约为43％的传统LED装置的光转换效率高。
上述实验结果表明通过形成发射红光(R)的第一荧光层可以提高LED装置的整个光转换效率，并且由于LED片发射的大多数紫外线被吸收到第一荧光层中，故而在LED片上具有最低的光转换效率，因此通过第一荧光层的光转换效率。简而言之，根据本发明的LED装置可以提供比传统LED装置更高的光转换效率。
如上所述，在本发明中，在LED片上荧光层由发射最长波长的光的第一荧光层形成，并且发射较短波长的光的荧光层沉积在第一荧光层上。由此，第一荧光层的光转换效率增加。如此，可以增加LED装置的整个光转换效率以及LED装置输出的光的数量。
虽然通过参照本发明的示例性实施例已具体地显示和描述了本发明，本领域的普通技术人员可以的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节上的变化。例如，如上所述根据本发明的LED装置发射白光。然而，本发明并不局限于发射白光的LED装置。相反，根据本发明的LED装置可以根据它的荧光层的成分而发射各种颜色的可见光。本发明最有意义的特征之一是荧光层，因而，本公开的大部分用于描述通过沉积不同荧光材料来形成荧光层的方法以及沉积荧光材料的顺序。因此，本发明可以应用于任何类型的LED装置。

Claims (13)

1.一种发光二极管(LED)装置，包括：
LED片，其发射激发光；以及
荧光多层结构，其由当被激发光激发时发射彼此不同颜色的多个荧光层组成，
其中靠近LED片的荧光多层结构的部分发射较长波长的光，而远离LED片的荧光多层结构的部分发射较短波长的光。
2.如权利要求1所述的LED装置，其中LED片发射的激发光为紫外线。
3.如权利要求2所述的LED装置，其中荧光多层结构包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光；以及第三荧光层，其沉积在第二荧光层上并发射蓝光。
4.如权利要求3所述的LED装置，其中第一荧光层包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，第二荧光层包括发射具有500nm～550nm波长的绿光的荧光材料，而第三荧光层包括发射具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
5.如权利要求2所述的LED装置，其中荧光多层结构包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光和蓝光。
6.如权利要求5所述的LED装置，其中第一荧光层包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，而第二荧光层包括发射具有500nm～550nm波长的绿光和具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
7.如权利要求2所述的LED装置，其中荧光多层结构包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射黄光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射蓝光。
8.如权利要求7所述的LED装置，其中第一荧光层包括发射具有560nm～580nm波长的黄光的荧光材料，而第二荧光层包括发射具有420nm～480nm波长的蓝光的荧光材料。
9.如权利要求1所述的LED装置，其中LED片发射的激发光为蓝光。
10.如权利要求9所述的LED装置，其中荧光多层结构包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射绿光。
11.如权利要求10所述的LED装置，其中第一荧光层包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，而第二荧光层包括发射具有500nm～550nm波长的绿光的荧光材料。
12.如权利要求9所述的LED装置，其中荧光多层结构包括第一荧光层，其形成在LED片上并发射红光；以及第二荧光层，其沉积在第一荧光层上并发射黄光。
13.如权利要求12所述的LED装置，其中第一荧光层包括发射具有580nm～700nm波长的红光的荧光材料，而第二荧光层包括发射具有560nm～580nm波长的黄光的荧光材料。
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