CN1617361A - 白光发光装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种白光发光装置，其利用一可发出波长范围为450至500nm的蓝或蓝绿光发光二极管激发二种荧光体，使其分别发出主波长范围为520至580nm的黄色荧光及580至640nm的红色荧光。经调配荧光体与封装材料的混合比例进行封装后，即可获得一发光特性佳的白光发光装置。本发明白光发光装置中使用的荧光粉体所需搭配的蓝光可调整至较长波长，并且，以较长波长的蓝或蓝绿光激发，发光效率可高于波长较短的蓝光。

Description

白光发光装置

技术领域

本发明涉及一种高亮度白光半导体发光装置，特别涉及一种利用蓝光或蓝绿光发光二极管配合二种分别可发出黄色荧光及红色荧光的荧光粉，以制作高亮度白光发光装置的技术。

背景技术

白光为多种颜色的混合光，可被人眼感觉为白光，至少包括二种以上波长的混合光。例如，当人眼同时受红、蓝、绿光的刺激时、或同时受到蓝光与黄光的刺激时，均可感受为白光。因此，可依照此种原理，来制作一可发出白光的半导体发光装置。公知的白光半导体发光装置的制造方式主要有五种，分述如下。

第一种方式是使用以磷化铝镓铟(AlInGaP)、氮化镓铟(InGaN)与磷化镓(GaP)为材质的三颗发光二极管，控制通过各发光二极管的电流，而使其分别发出红、绿及蓝光。将此三颗发光二极管晶粒配置于同一个灯泡(lamp)中，并利用透镜将三种颜色的光加以混合而产生白光。

第二种方式是使用InGaN与AlInGaP或GaP为材质的二颗发光二极管，控制通过各发光二极管的电流，使其分别发出蓝及黄绿光，然后加以混合以产生白光。以目前的技术水准而言，上述二种方式的发光效率可达到约20lm/W。

第三种方式为1996年日本日亚化学(Nichia Chemical)公司所发展出的技术，其是以氮化铟镓蓝光发光二极管配合受激发可发出黄光的钇铝石榴石型荧光粉，来制成一白光光源。目前，此种技术的发光效率以可达到20lm/W以上。再者，由于此种方式仅须使用一组发光二极管芯片，可大幅地降低制造成本。现今其所搭配的荧光粉调制技术已臻成熟，故已有商品呈现。

第四种方式为日本住友电工(Sumitomo Electric Industries，Ltd.)于1991年1月所研发出的一种使用硒化锌(ZnSe)材料的白光发光二极管。此种技术是先在ZnSe单晶基板上形成一CdZnSe薄膜，通电后薄膜会发出蓝光，同时部分的蓝光照射在基板上而发出黄光，使蓝、黄光互补色混合而形成白光。此种法亦仅需使用单颗发光二极管晶粒，其操作电压仅2.7V，比GaN的发光二极管的3.5V要低，并且不需使用荧光物质即可得到白光。

第五种方式是目前仍在开发中的紫外光白光发光二极管技术。此种技术的原理是利用紫外光发光二极管激发三种或三种以上的荧光粉发出不同颜色的荧光，经混色后产生白光。

前述第一与第二种方式的共同缺点在于，当不同光色发光二极管其中的一发生故障时，将无法得到正常的白光。此外，由于各发光二极管的正向偏压均不相同，故须设置多组控制电路，致使成本较高，此皆为实际应用上的不利因素。

第二与第三种方式皆利用互补色原理以产生白光，其光谱波长分布的连续性不如真实的太阳光，因此色光混合后会在可见光光谱范围(400nm～700nm)出现色彩的不均匀，导致色彩饱合度较低。虽然人类的眼睛可忽略此现象而只看见白色光，但在一些精密度较高的光学检测器的感测下，例如摄影机或相机等，其演色性在实质上仍偏低，亦即，物体色彩在还原时会产生误差。所以，这些方式所产生的白光光源只适合作为简单的照明用途。

至于第四种方式的缺点，则在于其发光效率仅8lm/W，使用寿命也只有8000小时，在实用层面的考虑上，仍须更进一步地突破。

最后，第五种方式是采取三波段可见光组成白光光源，以提高其演色性，因此须使用三种或三种以上的荧光粉方可达成。欲同时利用多种荧光粉体使其发出不同波长的荧光，先决条件之一是所选用的激发光必须恰可被这些荧光粉所吸收，并且，各荧光粉体对此波长的光的吸收系数不可相差太多，此外，光能转换的量子效率亦需尽可能接近为佳。这些因素大幅限制适用的荧光材料种类，造成选用荧光材料的困难。

发明内容

本发明的目的是针对公知技术的缺点，突破上述公知技术的限制，以降低制作的难度，提供一种白光发光装置，只利用二种荧光粉体搭配一发光二极管做为激发光源。

为达到上述目的，本发明提供了一种白光发光装置，包含：一可发出蓝光或蓝绿光的发光组件；一荧光体层，以含荧光粉体的涂覆材料覆盖该发光组件模制而形成，该荧光粉体还包括一第一荧光体，其可受该发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为520至580nm的黄色荧光；以及一第二荧光体，其可受该发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为580至640nm的红色荧光，该发光二极管所发出的光可与该黄色荧光及该红色荧光混合而产生白光。

也就是说，根据本发明的白光发光装置是包含：一可发出蓝光或蓝绿光的发光二极管；一第一荧光体，其可受发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为520至580nm的黄色荧光；及一第二荧光体，其可受发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为580至640nm的红色荧光。如前所述，白光乃为多种色光的混合后所形成者，故依此光学混色的原理，发光二极管所发出的蓝光或蓝绿光可与黄色荧光及红色荧光混合，刺激人眼产生白光的视觉。

该发光二极管的发光波长范围为450至500nm，其中较佳为470至500nm。

上述第一荧光体的化学式较佳为(Y_xM_yCez)Al₅O₁₂，其中x+y＝3，且x、y≠0，0.5＞z＞0，M是选自铽(Tb)、镏(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的群组，其中(Y_xM_y)Al₅O₁₂为其主体结构，Ce为发光中心。

又，上述第二荧光体的化学式较佳为(M’_aEu_b)S，其中a+b＝1～1.2，且a、b≠0，M’是选自钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)等金属元素所组成的群组，其中M’S为其主体结构，Eu为发光中心。

本发明的白光发光装置中，蓝光或蓝绿光光源是由具省电特性的发光二极管所产生，配合二种以适当比例调配的荧光材料，经封装后施以极低的电流即可获得一发光特性佳的高亮度白光发光二极管。

本发明的白光发光装置中所使用的荧光粉体，具有借由改变主体晶格组成即可调整其发光波长的特性，因此可利于搭配各种适当波长的蓝或蓝绿光发光二极管混合形成白光。此外，所使用的荧光粉体是利用简单的固态反应法即可合成，适于大量生产，极具产业应用价值。

与公知的白光发光装置中所使用的多种荧光材料相较，本发明又具有下列几项优点：

一、目前发光二极管制备上，短波长的高亮度蓝光制造较为困难，然而，本发明白光发光装置中使用的荧光粉体所需搭配的蓝光可调整至较长波长。其另一好处在于，以较长波长的蓝或蓝绿光激发，发光效率可高于波长较短的蓝光(470nm以下)。

二、本发明白光装置中使用的荧光粉体的调整光色方法，为改变其主体晶格。相较于公知的改变异质离子的添加量的方式，由于后者所需添加的异质离子较低，极易因原料的称取误差产生光色的改变。本发明所使用的荧光粉体则无此项缺点，于制备上有较佳的稳定性。

附图说明

图1为本发明白光发光装置的实施例的发射光谱图；

图2为图1的实施例的CIE色度坐标图；

图3为本发明实施例的剖视图。

其中，附图标记说明如下：

40-发光组件；41-发光组件支架；42-碗部；43-荧光体层。

具体实施方式

本发明的白光发光装置是以一发光二极管做为激发光源，并包含二种可受此激发光源激发而分别产生不同光色的荧光体，借由三种色光的混合以产生高亮度白色光源。做为激发光源的发光二极管为一蓝光或蓝绿光发光二极管，其发光波长较佳为450至500nm的范围，更佳为470至500nm。二种荧光体分别为一黄色荧光体与一红色荧光体，其受到激发光源激发时，可分别发出主波长范围为520至580nm的黄色荧光与主波长范围为580至640nm的红色荧光。黄色荧光体与红色荧光体可与一封装材料依不同比例混合或组合，配合可发出蓝光或蓝绿光的发光二极管，而获得不同色温、辉度或演色性等发光特性的白光发光装置。

黄色荧光体的化学式较佳为(Y_xM_yCe_z)Al₅O₁₂，其中x+y＝3，且x、y≠0，0.5＞z＞0，M是选自铽(Tb)、镏(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的群组，其中(Y_xM_y)Al₅O₁₂为其主体结构，Ce为发光中心。红色荧光体的化学式较佳为(M’_aEu_b)S，其中a+b＝1～1.2，且a、b≠0，M’是选自钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)等金属元素所组成的群组，其中M’S为其主体结构，Eu为发光中心。上述二荧光体均利用异质离子掺杂于其主体结构中，以做为可受外部光源激发而发出荧光的发光中心。此外，其亦皆具一特点，即，这些荧光体所呈现的光色乃利用微调荧光体主体结构的元素组成，以调变化合物的晶格场(crystal field)强度，进而改变发光中心的电子能态分布，导致其受特定波段的光激发时，由激发态跃迁回基态的能阶差高低的不同，而发生发光波长的改变。

关于本发明白光发光装置的制作方法，包括所选择的荧光粉与其调配及封装的技术，以下例举一具体实施例的制作步骤进行说明：

一、合成一化学式为(Y_xM_yCe_z)Al₅O₁₂的黄色荧光体，其中x+y＝3，且x、y≠0，0.5＞z＞0，M是选自铽(Tb)、镏(Lu)及镱(Yb)等金属元素所组成的群组。其合成方法可利用化学合成法、固体反应法与有机金属热分解法等。本实施例中，所合成的黄色荧光体为(Y_0.8Tb_2.2Ce_0.05)Al₅O₁₂。

二、合成一化学式为(M’_aEu_b)S的红色荧光体，其中a+b＝1～1.2，且a、b≠0，M’是选自钙(Ca)、锶(Sr)及钡(Ba)等金属元素所组成的群组。其合成方法可利用化学合成法、固体反应法与有机金属热分解法等。本实施例中，所合成的红色荧光体为(Sr_0.9Eu_0.1)S。

三、将上述二种荧光粉与环氧树脂混合，再搭配主波长为480nm的蓝绿光发光二极管做为激发光源，并进行封装而获得一白光发光装置。

图1显示上述实施例的光谱图，其中，光谱A为测量上述实施例的白光发光装置所获得的发射光谱。所得的白光发光装置光谱亦可利用计算机程序将各发光源(发光二极管与荧光体)的单独光谱组成实际光谱的配适情形计算出，如图1中，光谱B为发光二极管的光谱，光谱C为黄色荧光体受激发所产生的光谱，而光谱D为红色荧光体受激发所产生的光谱。

如图2所示，于CIE色度坐标图中标示此白光发光装置混合色光的坐标A点，可发现其颜色确实座落于图中的白色区域。

关于本发明白光发光装置的构成，包括所选择的荧光粉与其调配及封装的技术，以下例举一具体实施例说明：

请参阅图3，是本发明实施例的剖视图。其发光组件40是设在发光组件支架41的碗部42内，含荧光粉体的涂覆材料充填在碗部42内而覆盖发光组件40后予以模制形成一荧光体层43，发光组件40的n侧电极与p侧电极分别使用电线与发光组件支架41相连接。

其中，该荧光粉体含有一第一荧光体，其可受该发光组件40所发出的光激发，而产生主波长范围为520至580nm的黄色荧光，以及一第二荧光体，其可受该发光组件40所发出的光激发，而产生主波长范围为580至640nm的红色荧光，藉以发光组件40发出的光可与该黄色荧光及该红色荧光混合而产生白光。

该第一荧光体与该第二荧光体可与一封装材料依不同比例混合或组合，配合该可发出蓝光或蓝绿光的发光组件40，以使该白光发光装置获得不同色温、辉度或演色性等发光特性。该封装材料的材质可为环氧树脂(epoxyresin)、酚醛树脂(phenolicresin)、聚胺酯树脂(polyurethane resin)、胺基树脂(amino resins)或聚酯树脂(polyester resin)。

前述的第一荧光体重量百分比为x，第二荧光体重量百分比为y，封装材料重量百分比为z，三者重量比例范围为x+y+z＝1，x＞0，y＞0，z＞0。

虽然本发明已参照实施例及附图说明如上，但其应被视为举例性而非限制性。本发明的范围为由随附的权利要求书所限定而非由上述说明所限制。所有根据本发明的精神所做成的修改与变化，均应包含于本发明的范围中。

Claims (8)

1.一种白光发光装置，包括：

一可发出蓝光或蓝绿光的发光组件；

一荧光体层，以含荧光粉体的涂覆材料覆盖该发光组件模制而形成，该荧光粉体还包括一第一荧光体，其可受该发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为520至580nm的黄色荧光；以及一第二荧光体，其可受该发光二极管所发出的光激发，而产生主波长范围为580至640nm的红色荧光，该发光二极管所发出的光可与该黄色荧光及该红色荧光混合而产生白光。

2.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征是该发光组件的发光波长范围为450nm至500nm。

3、如权利要求2所述的白光发光装置，其特征是该发光二极管的发光波长范围为470至500nm。

4.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征是该第一荧光体的化学式为(Y_xM_yCe_z)Al₅O₁₂，其中x+y＝3，且x、y≠0，0.5＞z＞0，M是选自铽、镏及镱金属元素所组成的群组之一，其中(Y_xM_y)Al₅O₁₂为其主体结构，Ce为发光中心。

5.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征是该第二荧光体的化学式为(M’_aEu_b)S，其中a+b＝1～1.2，且a、b≠0，M’是选自钙、锶及钡等金属元素所组成的群组之一，其中M’S为其主体结构，Eu为发光中心。

6.如权利要求1所述的白光发光装置，其特征是该第一荧光体与该第二荧光体可与一封装材料混合或组合，配合该可发出蓝光或蓝绿光的发光组件，以使该白光发光装置获得不同色温、辉度或演色性等发光特性。

7.如权利要求6所述的白光发光装置，其特征是该封装材料的材质可为环氧树脂、酚醛树脂、聚胺酯树脂、胺基树脂或聚酯树脂。

8.如权利要求6所述的白光发光装置，其特征是第一荧光体重量百分比为x，第二荧光体重量百分比为y，封装材料重量百分比为z，三者重量比例范围为x+y+z＝1，x＞0，y＞0，z＞0。