CN1805158A - 一种具准全方位反射器的发光二极管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具准全方位反射器的发光二极管，于发光二极管芯片的外围涂布有荧光胶，荧光胶上方设置有准全方位反射器，此准全方位反射器是利用光学镀膜方式制作而成的广角度截止滤光片配合全反射特性而成，根据光学镀膜的特性，发光二极管芯片所发射小于全反射角入射的光线得以反射，使具有发光二极管波长的光线被局限于荧光胶中，让光线尽量激发出荧光粉，以提高激发光的转换效能，当此发光二极管芯片搭配不同颜色的荧光胶时，可激发出不同颜色的光线。

Description

一种具准全方位反射器的发光二极管

技术领域

本发明涉及一种发光二极管，特别是涉及一种具准全方位反射器的发光二极管。

背景技术

所谓白光通常指一种多颜色的混合光，以人眼所见的白色光至少包括二种以上波长的色光所形成，例如：蓝色光加黄色光可得到二波长的白光，蓝色光、绿色光、红色光混合后可得到三波长的白光。

白光发光二极管可依照其内部所填充的物质而分为：有机发光二极管与无机发光二极管。目前市场主要半导体白光光源主要有以下三种方式：一、为以红蓝率三色发光二极管晶粒组成白光发光模块，具有高发光效率、高演色性优点，但同时也因不同颜色晶粒特性使得成本偏高、控制线路复杂且混光不易。二、为以紫外光发光二极管激发透明胶体且均匀混有蓝色、绿色、红色荧光粉，激发后可得到三波长的白光。三、波长白光发光二极管具有高演色性优点，但却有发光效率不足缺点。最后是日亚化学提出以蓝光发光二极管以激发黄色荧光粉产生白光发光二极管为目前市场主流方式。

日本日亚化学所研发出的无机发光二极管，其结构示意图请参考图1所示，在蓝光发光二极管芯片10的外围填充有黄光荧光粉20，此蓝光发光二极管芯片10所发出蓝光的波长约为400-530nm，利用蓝光发光二极管芯片10所发出的光线激发黄光荧光粉20产生黄色光，同时也会有部份的蓝色光发射出来，此蓝色光配合上黄色光即形成蓝黄混合的二波长的白光。

然而，利用蓝光发光二极管芯片10与黄光荧光粉20组合而成的发光二极管，由于蓝光占发光光谱的大部份，因此，其色温偏高，且光源色控制不易，因此，必须提高蓝光与黄光荧光粉20作用的机会，以降低蓝光强度或是提高黄光的强度。

为改善上述的缺点，在美国专利第5,962,971号所提供的发光二极管，如图2所示，便使用紫外光滤波器(UV filter)30作为发光二极管荧光粉层40光出射面的封装。此方式除可增加荧光粉层40的发光均匀度外，并可吸收阻绝发光二极管芯片50所发出的紫外光对人眼的伤害，因此会形成紫外光的耗损，而降低发光二极管的发光效率。

另外在美国专利第5,813,753号所提供的发光二极管，是在紫外光/蓝光发光二极管芯片的发光面上镀上一层短波穿透滤波器(short wave pass filter)，以增加发光芯片的紫外光/蓝光出射量与发光二极管发光面的可见光(荧光)反射量；另一方面，在发光二极管的前端出射面以可见光穿透滤波器(long wave passfilter)作封装，以增加可见光的穿透率。

而在台湾第569479号专利中所提供的发光二极管，则是使用全方位反射片形成一共振腔结构，将紫外光限制在荧光粉层中，以提高发光二极管的发光效率。此全方位反射片的功能为针对某一波长范围的光线在0～90度入射角范围内，产生高反射能力。

上述的全方位反射片的制作方法有两种，其中一种方法是利用一维光子晶体方式设计制作而成，而另一种方法则是利用周期性薄膜堆栈而成，例如：以二种或是二种以上的材质交替堆栈，以周期性堆栈成干涉式光学薄膜反射镜。

然而，此种利用周期性薄膜堆栈制作全方位反射器的结构，虽然有助于对紫外光产生高反射的效果，但是由于其为周期性堆栈的型式，因此，对于可见光的部份并无进行任何特殊的处理。

发明内容

鉴于以上现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种具准全方位反射器的发光二极管，利用光学镀膜的方式制作一广角度截止滤光片，并将其置于荧光粉层上，根据此广角度截止滤光片并配合光学中全反射的现象，以达到现有全方位反射片的紫外光反射效果。

其特点在于：此广角度截止滤光片仅全方位反射具有特定波长的光线(例如：紫外光发光二极管芯片所发出波长范围为360-400nm的紫外光)，并不会反射荧光的可见光源。因此，会使紫外光波长的光线被局限于荧光胶中，让紫外光尽量激发出荧光粉，以提高白光的转换效能。而荧光粉层被激发后所发出的可见光仍可穿透出广角度截止滤光片，通过增加可见光的穿透能力，以实际提升发光二极管的照明效率。

本发明的发光二极管包含有：一基板、一个以上的发光二极管芯片、一荧光胶与一广角度截止滤光片。发光二极管芯片设置于基板上，并由其出射面发射出一光线，且为紫外光发光二极管芯片。荧光胶由一荧光粉与一树脂混合而成，并涂布于紫外光发光二极管芯片的外围，当紫外光发光二极管芯片发出的紫外光穿过此荧光胶时，紫外光会激发荧光粉产生二次可见光源，即发出荧光。

广角度截止滤光片以光学镀膜的方式制作，且设置于荧光胶上对应于发光二极管芯片的出射面的一侧。由于此广角度截止滤光片利用光学镀膜的方式进行制作，因此，在另一基板进行光学镀膜之前，即可依据所需的光学反射效果，而设计此广角度截止滤光片，使其仅反射特定紫外光发光二极管芯片的波长，并不会反射荧光的可见光源。

当光线入射于此广角度截止滤光片的入射角小于一特定角度范围时，此广角度截止滤光片的光学镀膜设计即会使此光线产生全反射；反之，当光线的入射角大于上述的特定角度范围时，由于荧光胶与空气二者间折射率的差异，此光线同样会产生全反射，使紫外光波长的光线被局限于荧光胶中，以尽量激发出荧光粉，进而提高白光的转换效能。而此特定角度即为紫外光的全反射角。

由于广角度截止滤光片并不会反射荧光胶所产生荧光的可见光源，因此，荧光的可见光源可穿透广角度截止滤光片而发射出来。且某些特定荧光的可见光波长在经过设计之后，可控制其透出广角度截止滤光片的光量，而达到控制发光二极管所发出光线的色温与亮度的目的。

当然，本发明并不限于白光发光二极管，其也可依据使用者不同的需求，而将紫外光发光二极管搭配上不同颜色的荧光粉，以发出红光、黄光、绿光等不同颜色的光线，以产生更多不同的应用。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有的无机发光二极管的结构示意图；

图2为现有的以紫外光滤波器作为发光二极管荧光粉层光出射面封装的结构示意图；

图3为本发明的第一实施例的结构示意图；

图4为本发明的第二实施例的结构示意图；

图5为本发明的第三实施例的结构示意图；

图6为本发明的第四实施例的结构示意图；

图7为本发明的第五实施例的结构示意图；及

图8、9为验证本发明的广角度截止滤光片对应不同颜色发光二极管的光谱功率强度图。

其中，附图标记：

10    蓝光发光二极管芯片

20    黄光荧光粉

30    紫外光滤波器

40    荧光粉层

50    发光二极管芯片

60    基板

61    反射片

70    发光二极管芯片

71    出射面

72    短波穿透滤波器

80    荧光胶

90    广角度截止滤光片

100   侧反射板

110   碗杯

120   接脚

具体实施方式

根据本发明所提供的具准全方位反射器的发光二极管，其第一实施例请参考图3所示，此发光二极管包括有：一基板60、一个以上的发光二极管芯片70、一荧光胶80、一广角度截止滤光片90及侧反射板100。

发光二极管芯片70设置于具可制作电路功能的基板60之上，通过外加电流而驱动此发光二极管芯片70发出光线，此光线由发光二极管芯片70的出射面71发射出来，用以提供激发荧光胶80所需的光源。

在此图示中，此发光二极管中包含有五个发光二极管芯片70。然而，在实际应用时，使用者可依不同的亮度需求，而置入单个或是多个发光二极管芯片70，以产生所需的亮度。当置入多个发光二极管芯片70时，此发光二极管芯片70可依数组型式排列。

发光二极管芯片70采用紫外光发光二极管芯片，而其设置方式在基板60上制作形成电路，再将发光二极管芯片70固定于制作好的电路上即可。

在发光二极管芯片70的外围，涂布有用以产生荧光的荧光胶80，此荧光胶80是由荧光粉与树脂混合而成，当发光二极管芯片70发出的光线穿过此荧光胶80时，此光线会激发荧光粉产生二次可见光源，即发出荧光。

而发光二极管所使用的荧光粉的发光可见光光谱，需针对发光二极管芯片70所发出的光的波长而设计；当使用不同的发光二极管芯片70时，也需使用相对应其光波长的荧光粉，才会产生荧光。

广角度截止滤光片90利用光学镀膜的方式进行制作，且设置于荧光胶80上对应于发光二极管芯片70的出射面71的一侧，而此光学镀膜可朝向空气或是荧光胶80。

由于此广角度截止滤光片利用光学镀膜的方式进行制作，因此，在一基板上进行光学镀膜以形成广角度截止滤光片90之前，即可依据所需的光学反射效果控制镀膜的材料及厚度，使其仅反射特定发光二极管芯片70的波长，并不会反射荧光的可见光源。此外，此广角度截止滤光片90可设计为针对特定的发光二极管的光束出射角，与不同的电场极性(polarizations)皆有高的反射率。

此广角度截止滤光片90的制作利用光学镀膜的方式，例如：溅镀(sputtering)、电子枪(E-gun)、化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition；CVD)等方式，于一基板表面上连续沉积一种以上的高折射率材质及一种以上的低折射率材质，使广角度截止滤光片90全方位反射特定波长的紫外光，并使荧光的可见光源可穿透广角度截止滤光片90发射出来。

此高折射率材质可采用二氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化铈(CeO2)及硫化锌(ZnS)中任一种或是两种以上的材质进行薄膜沉积。而此低折射率材质选自由氧化硅(SiO2)及氟化镁(MgF2)二者中任一种或是两种材质进行薄膜沉积。

当光线入射于此广角度截止滤光片90的入射角小于一特定角度范围时，此广角度截止滤光片90的光学镀膜设计即会使此光线产生全反射；反之，当光线的入射角大于此特定角度范围时，由于荧光胶80与空气二者间折射率的差异，此光线同样会产生全反射，使紫外光波长的光线被局限于荧光胶80中，以尽量激发出荧光粉，进而提高白光的转换效能。而此特定角度即为紫外光的全反射角。

此侧反射板100设置于荧光胶80的周围，以将入射于侧反射板100的光线反射回去。

当发光二极管芯片70发出的紫外光穿过荧光胶80时，此紫外光会激发荧光胶80中的荧光粉产生二次可见光源，即发出荧光。

然而，因为荧光胶80外围的广角度截止滤光片90与侧反射板100会反射特定波长的光线，因此，会使发光二极管芯片70发出的光线被局限于广角度截止滤光片90与侧反射板100之间。通过此光线在广角度截止滤光片90与侧反射板100间反复且多方向的反射，让此光线尽量激发荧光粉，使发光二极管芯片70所发出光线的能量耗尽，以提高白光的转换效能，而使发光二极管发出更多的白光。

而在广角度截止滤光片90对应于荧光胶80的另一侧面，由于其为发光二极管的光线出射端，因此，可在其表面上制作绕射光学组件(Diffractive OpticalElement；DOE)、半球形镜(Dome lens)、微透镜(Microlens)、可见光穿透滤波器(Long wave pass filter)或是防反光膜(Anti-reflection coating)等光学组件，以增加发光二极管发出的可见光的亮度。

在此实施例中，其发光二极管芯片70采用紫外光发光二极管芯片，使用者可依据不同的使用需求，而搭配不同颜色的荧光胶80，以激发出不同颜色的光线，例如：红光、黄光、绿光、白光等。此外，利用蓝光发光二极管芯片搭配上黄光、绿光、红光荧光胶80也可分别激发出白光、绿光、红光与其它色光。

而本发明的第二实施例，如图4所示，其结构大致上是与第一实施例雷同，而其不同之处在于：此基板60上对应于广角度截止滤光片90的一侧制作有一反射片61，此反射片61的设置为使整个发光二极管内形成一共振腔结构，让紫外光在广角度截止滤光片90与反射片61间多次的反射，以尽量激发出荧光粉，使紫外光的能量耗尽，以提高白光的转换效能。而此反射片61也可为另一广角度截止滤光器。

请参考图5所示，为本发明的第三实施例，此实施例的结构大致上与第二实施例雷同，只是在发光二极管芯片70的光线出射面71上多设置一个短波穿透滤波器(short wave pass filter)72，以增加发光二极管芯片70的光线出射量，并使荧光粉所激发出的可见光反射出去。

请参考图6所示，为本发明的第四实施例，此实施例的结构大致上与上述第二实施例雷同，不过，在第二实施例中，其基板60为一板状结构，而在此实施例中，此基板60的外型则为一碗状结构，二者间仅是基板60外型的改变而已但皆具反射光线功能。而使用者可依据不同的使用需求而选择合适的基板。

请参考图7所示，为本发明的第五实施例，首先，将紫外光发光二极管芯片70固定于支架的金属碗杯110中，此支架的二个接脚120为各自独立的金属电极，用以通入电流。而在发光二极管芯片70的外围涂布上荧光胶80，并于荧光胶80的表面以光学镀膜的方式制作上一广角度截止滤光片90，此广角度截止滤光片90的制作方法可参考第一实施例中所述。

通过支架的金属电极通入电流，而驱动发光二极管芯片70发光，当其所发出的光线穿过荧光胶80时，此光线会激发荧光粉发出荧光。同样地，当光线入射于此广角度截止滤光片90的入射角小于紫外光的全反射角时，此广角度截止滤光片90的光学镀膜设计即会使此光线产生全反射；反之，当光线的入射角大于紫外光的全反射角时，由于荧光胶80与空气二者间折射率的差异，此光线同样会产生全反射，使紫外光波长的光线被局限于荧光胶80中。通过此广角度截止滤光片90会将光线局限于荧光胶80内，使其在荧光胶80中反复且多方向的反射，以提高白光的转换效能。通过控制广角度截止滤光片90对于紫外光反射率的不同，即可调整发光二极管所发出光线的色温。

同样地，在此实施例中，其发光二极管芯片70采用紫外光发光二极管芯片，使用者可依据不同的使用需求，而搭配不同颜色的荧光胶80，以激发出不同颜色的光线，例如：红光、黄光、绿光、白光等。此外，利用蓝光发光二极管芯片搭配上黄光、绿光、红光荧光胶80也可分别激发出白光、绿光、红光与其它色光。

本发明依据第二实施例的结构，分别以紫外光发光二极管芯片及蓝光发光二极管芯片做了二组实验，通过在广角度截止滤光片90上方测量光谱，以证明此广角度截止滤光片90对于紫外光或是蓝光的反射效果，及其对于可见光的穿透效果。

而此发光二极管采用382nm的紫外光发光二极管芯片进行激发，并搭配以可用上述紫外光波长激发的红绿蓝三色的荧光粉与可穿透紫外光的高分子胶体所组成的荧光胶80。

由于从发光二极管芯片70发出的光线是由荧光胶80发出，穿过广角度截止滤光片90射出而进入空气。因此，假若荧光胶80的折射率为1.48时，当光线的入射角大于42.5度时，光即会产生全反射的效应。

请参阅图8，相较于现有的白光发光二极管而言，本发明的利用蓝光发光二极管芯片70与黄光荧光胶80所组成的具准全方位反射器的发光二极管具有较高的白光发光效率，可明显看出可将蓝光二次于发光二极管内反射，使得蓝光强度降低，而黄光强度提高。另一方面，请参阅图9，利用紫外光发光二极管芯片70与黄光荧光胶80所组成的具准全方位反射器的发光二极管具有较高的白光发光效率。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (38)

1、一种具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，包括有：

一基板，具可制作电路的功能；

一个以上的发光二极管芯片，设置于该具电路功能基板上，由该发光二极管芯片的一出射面发射出一光线；

一荧光胶，由一荧光粉与一树脂混合而成，并涂布于该发光二极管芯片的外围，当该发光二极管芯片发出的该光线穿过该荧光胶时，该光线会激发该荧光粉发出一荧光；及

一广角度截止滤光片，以光学镀膜的方式制作，且设置于该荧光胶上对应于该发光二极管芯片的该出射面的一侧，当该发光二极管光线的入射角大于一特定角度范围时，由于该荧光胶与空气二者间折射率的差异，该光线会产生全反射，使其在该荧光胶中反复且多方向的反射，以提高该发光二极管光线的转换效能。

2、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一紫外光发光二极管芯片，并可搭配不同颜色的该荧光胶，以激发出不同颜色的该光线。

3、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为黄光荧光胶，以激发出白光。

4、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为红光荧光胶，以激发出红光。

5、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为绿光荧光胶，以激发出绿光。

6、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该特定角度为该紫外光的全反射角。

7、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，当该光线入射于该广角度截止滤光片的入射角小于该特定角度范围时，该广角度截止滤光片的光学镀膜设计使该光线产生全反射。

8、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该荧光粉的发光可见光光谱需配合该发光二极管芯片的发光波长。

9、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该基板为一具光线反射功能碗状结构。

10、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该基板为一板状结构。

11、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该基板设置有该发光二极管芯片的一侧具有一光线反射层，以搭配该广角度截止滤光片而形成一使该光线产生多次反射的共振腔结构。

12、根据权利要求11所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该光线反射层为另一广角度截止滤光片。

13、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为紫外光发光二极管芯片。

14、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片呈数组式排列。

15、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片的光线出射面上还包括有一短波穿透滤波器，以增加该发光二极管芯片的光线出射量。

16、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片反射具有该发光二极管芯片波长的光线。

17、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片使该荧光穿透。

18、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片利用一种以上的高折射率材质及一种以上的低折射率材质以光学镀膜的方式制作而成。

19、根据权利要求18所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该高折射率材质选自由二氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化铈(CeO2)及硫化锌(ZnS)所成组合之一。

20、根据权利要求18所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该低折射率材质选自由氧化硅(SiO2)及氟化镁(MgF2)所成组合之一。

21、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片的制作方式选自由溅镀、电子枪及化学气相沉积所成组合之一。

22、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片对应于该荧光胶的另一侧面包含有一绕射光学组件。

23、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片对应于该荧光胶的另一侧面包含有一半球形镜。

24、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片对应于该荧光胶的另一侧面包含有一微透镜。

25、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片对应于该荧光胶的另一侧面包含有一可见光穿透滤波器。

26、根据权利要求1所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片对应于该荧光胶的另一侧面包含有一抗反射膜。

27、一种具准全方位反射器的发光二极管，于一支架的金属碗杯中设置有一发光二极管芯片，该支架具有两个独立的金属电极，用以通入电流而驱动该发光二极管芯片发出一光线，该发光二极管芯片的周围涂布有一荧光胶，其由一荧光粉与一树脂混合而成，当该发光二极管芯片发出的光线穿过该荧光胶时，该光线会激发该荧光粉发出荧光，其特征在于：

该荧光胶的表面具有一利用光学镀膜方式制作而成的广角度截止滤光片，当该光线的入射角大于一特定角度范围时，由于该荧光胶与空气二者间折射率的差异，该光线会产生全反射，使其在该荧光胶中反复且多方向的反射，以提高白光的转换效能。

28、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一紫外光发光二极管芯片，并可搭配不同颜色的该荧光胶，以激发出不同颜色的该光线。

29、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该特定角度为该紫外光的全反射角。

30、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为黄光荧光胶，以激发出白光。

31、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为红光荧光胶，以激发出红光。

32、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该发光二极管芯片为一蓝光发光二极管芯片，而该荧光胶为绿光荧光胶，以激发出绿光。

33、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，当该光线入射于该广角度截止滤光片的入射角小于该特定角度范围时，该广角度截止滤光片的光学镀膜设计使该光线产生全反射。

34、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该荧光粉的发光可见光光谱需配合该发光二极管芯片的发光波长。

35、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片利用一种以上的高折射率材质及一种以上的低折射率材质以光学镀膜的方式制作而成。

36、根据权利要求35所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该高折射率材质选自由二氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、五氧化二铌(Nb2O5)、氧化铈(CeO2)及硫化锌(ZnS)所成组合之一。

37、根据权利要求35所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该低折射率材质选自由氧化硅(SiO2)及氟化镁(MgF2)所成组合之一。

38、根据权利要求27所述的具准全方位反射器的发光二极管，其特征在于，该广角度截止滤光片的制作方式选自由溅镀、电子枪及化学气相沉积所成组合之一。

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