CN1917243A - 发光器件 - Google Patents

Abstract

本发明的发光器件包括：LED基片20；和用来密封该LED基片20的密封树脂部分30，该密封树脂部分30具有折射率为n₃的硅树脂31，该硅树脂31中添加了折射率为n₁的荧光材料32和折射率为n₂的微粒33。在该发光器件中，折射率n₁到n₃保持着n₂＞n₁＞n₃的关系，并且该微粒33的颗粒大小不超过该LED基片20所发出的光波长的1/10。

Description

发光器件

有关申请的交叉参照

本申请基于2005年8月16日提交的申请号为2005-236006的在先日本专利申请并要求其优先权，该专利申请的整体内容引用在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种可用作各种照明光源的发光器件，尤其涉及一种光提取效率有所提高的发光器件。

背景技术

在其中使用了LED(发光二极管)的LED灯(发光器件)可以构成小巧的尺寸同时具有高电能效率，并且LED灯发出色彩明亮的光且寿命很长。此外，LED灯具有抗振动特性并且结实耐用可反复开/关。因此，LED灯常用作各种照明光源(例如，参照特许公开号为2005-196642的日本专利申请)。

图4示出了常规的LED灯。LED灯100包括用作发光元件的LED基片101和由硅树脂等制成用于密封LED基片101的密封树脂102。将荧光材料103混合到密封树脂102中，并且通过LED基片101的颜色和荧光材料103的颜色的组合便可以开发出各种颜色。

在常规的LED灯中，有下面的问题。用在白色LED中的荧光材料103的折射率n介于1.7到1.8的范围中。另一方面，在其中分布着荧光材料103的密封树脂102的折射率n介于1.4到1.5的范围中。出于该原因，所发射的光被荧光材料103散射，光多次撞击封装的壁面或自身的荧光材料103，并且光强有所衰减，这导致光提取效率下降。

为了抑制荧光材料103的散射，有一种方法可形成其颗粒大小不超过50纳米的荧光材料103。这是因为，当荧光材料103由大小不超过50纳米的颗粒构成时，即使产生折射率差异，也很难产生散射。还有一种方法，用诸如环氧树脂这种高折射率的树脂来替代硅树脂，便可减小密封树脂和荧光材料之间的折射率差异从而抑制散射。还有一种方法，其中不使用树脂，而是通过烧结荧光材料来使用荧光材料。

然而，在上述方法中，有如下问题。即，具有尺寸很小的颗粒的高效荧光材料很难生产，与硅树脂相比用加热或紫外线很容易使环氧树脂劣化，并且在Sr₂SiO₄材料中很难实现烧结体。

另一方面，在图5所示的常规LED灯110中，LED基片111的折射率通常高于密封树脂112的折射率。结果，在LED基片111的有源层所发出的光线中，在LED基片111和密封材料112的界面处产生了全反射，这产生了光线被限制在LED基片111中从而使光提取效率下降这样一个问题。

发明内容

考虑到上述内容，本发明的目的是提供一种发光器件，其中当光线从发光元件基片输出到树脂时全反射被抑制，同时用荧光材料来抑制光散射，从而可以提高光提取效率。

为了解决问题并实现目标，根据本发明的发光器件配置如下。

根据本发明的一个方面的发光器件包括：发光元件基片；以及用来密封该发光元件基片的密封树脂部分，该密封树脂部分具有向其中添加有折射率为n₁的荧光材料和折射率为n₂的微粒的树脂，该树脂的折射率为n₃，其中折射率n₁到n₃保持着n₂＞n₁＞n₃的关系，并且该微粒的颗粒大小不超过发光元件基片所发出的光波长的1/10。

根据本发明的另一个方面的发光器件包括：折射率为n₄的发光元件基片；用来密封发光元件基片的密封树脂部分，该密封树脂部分具有向其中添加了折射率为n₅的微粒的树脂，该树脂具有折射率n₆，其中折射率n₅和n₆保持着n₅＞n₆的关系，且微粒与树脂的体积比a满足：n₄ ²＝a·n₅ ²+(1-a)·n₅ ²。

根据本发明，当光线从发光元件基片输出到树脂时全反射被抑制了，同时光散射被荧光材料抑制了。因此，光提取效率可以有所提高。

本发明的优点将在下文的描述中得到阐明，并且部分地将在该描述中变得明显，或者可以从本发明的实践中获知。本发明的优点可以通过下文所特别指出的手段和组合来实现和获得。

附图说明

被包括在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的各实施例，并且与上文给出的一般描述和下文给出的各实施例的详细描述一起用来解释本发明的原理。

图1是示意性地示出了根据本发明第一实施例的LED灯的垂直截面图；

图2示出了散射比和颗粒大小之间的关系；

图3是示意性地示出了根据本发明第二实施例的LED灯的垂直截面图；

图4是示意性地示出了常规LED灯的垂直截面图；以及

图5是示意性地示出了常规LED灯的垂直截面图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明第一实施例的LED灯(发光器件)10。LED灯10包括：LED基片(发光元件基片)20；以及密封树脂部分30，用来密封该LED基片20。LED基片20由蓝宝石基片(折射率为1.77)构成。在LED基片20中，InGaN有源层发出波长为460到480纳米的蓝光或者波长为360到400纳米的紫外光。密封树脂部分30由硅树脂31、荧光材料32和微粒33构成。荧光材料32被添加到硅树脂31。

荧光材料32包括直径为1到10微米的Eu:Sr₂SiO₄或Ce:YAG荧光材料，并且微粒33包括直径为30纳米的TiO₂(氧化钛)。荧光材料32的折射率n₁大约介于1.7到1.8，并且用于密封LED(发光元件)的硅树脂的折射率n₃通常介于1.4到1.5。

为了消除光散射以提高白色LED的光提取效率，使用微粒33以使密封树脂部分30的折射率接近荧光材料32的折射率。即，因为该树脂本身的折射率很难增大并很难接近荧光材料32的折射率，所以通过在折射率低的硅树脂31中散布折射率高的微粒33，便可增大有效的折射率。

在其中散布着微粒33的密封树脂部分30的折射率n₀被表达成：n₀ ²＝a·n₂ ²+(1-a)·n₃ ²，其中“a”是微粒33与硅树脂31的体积比，n₂是微粒的折射率，n₃是硅树脂31的折射率。

另一方面，随微粒33的颗粒大小变得更大，光散射有所增加。出于该原因，按照与400到800纳米的光波长相比要充分小的颗粒尺寸来形成微粒33是有必要的。具体来讲，微粒33形成不超过50纳米的颗粒大小，期望该大小介于10到20纳米的范围中。这是因为如图2所示，当散布在硅树脂(折射率为n₃)中的微粒(折射率为n₂)的大小不超过50纳米时，在密封树脂部分30中颗粒边界处消除了对可见光的散射，并且密封树脂部分30明显地呈现出作为在其中混合有块状树脂和微粒33的块状材料的特性。在图2中，密封树脂部分30的厚度是600纳米，光波长是波长500纳米，并且数据是在体积比介于0.1到0.4范围中的情况下获得的。

在这种情况下，块状材料即整个密封树脂部分30的折射率n₀变为 $n_0=\sqrt{(a\·{n_2}^2+(1-a)\·{n_3}^2)},$ 其中“a”是微粒33与硅树脂31的体积比。当块状材料的折射率n₀等于荧光材料32的折射率n₁时，光提取效率有所提高，因为散射不再产生了。因此，为了提高光提取效率，有必要满足两个条件：n₁ ²＝a·n₂ ²+(1-a)·n₃ ²，并且n₂＞n₁＞n₃。

当TiO₂(折射率n₂＝2.7)被用作微粒33而硅树脂(折射率n₃＝1.44)被用作该树脂时，对于a＝0.22时n_x＝1.8。当Ce:YAG(n₁＝1.8)被用作荧光材料32时，因荧光材料32所导致的散射可以被抑制到最小。

此外，在LED基片20(折射率1.77)和密封树脂部分30(折射率1.8)之间的折射率差异很小，所以在LED基片20和密封树脂部分30之间产生的反射也可以被抑制到最小。

因此，根据第一实施例的LED灯10，在密封树脂部分30中因荧光材料32所引起的散射可以被抑制到最小，并且在LED基片20和密封树脂部分30之间产生的反射也可以被抑制到最小。结果，从LED基片20到外部的光提取效率可以有所提高。此外，因为通过向该树脂添加微粒而调节了折射率，所以生产成本较低并且技术难度也较低。

图3是示意性地示出了根据本发明第二实施例的LED灯40的垂直截面图。LED灯40包括：LED基片50；和密封树脂部分60，用来密封LED基片50。LED基片50由蓝宝石基片(折射率n₄＝1.77)构成。在LED基片50中，InGaN有源层发出波长为460到480纳米的蓝光或波长为360到400纳米的紫外光。密封树脂部分60由硅树脂61、荧光材料62和微粒63构成。荧光材料62被添加到硅树脂61中。微粒62由直径为30纳米的TiO₂构成。

当散布在硅树脂61(折射率n₆)中的微粒62(折射率n₅)的大小不超过50纳米时，在颗粒边界处消除了对可见光的散射，并且密封树脂部分60明显地呈现出作为其中混合有块状树脂和微粒的块状材料的特性。在这种情况下，块状材料的折射率n_y变为n_y ²＝(a·n₅ ²+(1-a)·n₆ ²)，其中“a”是体积比。

当块状材料即密封树脂部分60的折射率n_y接近LED基片50的折射率n₄(＝1.77)时，从LED基片50到密封树脂部分60的光提取效率有所提高，因为在LED基片50和密封树脂部分60之间的界面处消除了全反射。因此，为了提高光提取效率，有必要满足条件n₄ ²＝a·n₅ ²+(1-a)·n₅ ²和n₅＞n₆。

当颗粒大小为30纳米的TiO₂(折射率n₅＝2.7)被用作微粒62而硅树脂(折射率n₆＝1.44)被用作该树脂时，通过将微粒62的体积浓度设为20％(a＝0.2)便可以将该密封树脂部分60的折射率n_y设为1.77。因此，密封树脂部分60的折射率n_y＝1.77接近LED基片50的折射率n₄。

因此，根据第二实施例的LED灯40，通过减小LED基片50(折射率是1.77)和密封树脂部分60(折射率是1.8)之间的折射率差，也可以将LED基片50和密封树脂部分60之间产生的反射抑制到最小。此外，因为通过向该树脂添加微粒而调节了折射率，所以生产成本较低并且技术难度也较低。

在上述实施例中，TiO₂被用作微粒33和62。然而，折射率为2.0的ZrO₂(氧化锆)、ZnO(氧化锌)和HfO₂(氧化铪)以及折射率为1.7的Al₂O₃(氧化铝)都可以被用作微粒33和62。

本发明并不限于上述实施例，在不背离本发明的范围和精神的情况下可以做出各种修改。通过适当地组合各实施例中所公布的多个组件，便可以做出各种修改和变化。例如，可以从各实施例中所示的全部组件中去除一些组件。各实施例中的组件可以适当组合起来。

本领域的技术人员将很容易看到另外的优点和修改。因此，本发明在其更宽广的方面便并不限于本文所示出并描述的特定细节和典型实施例。因此，在不背离所附的权利要求书及其等价方案所界定的通用发明概念的精神或范围的情况下可以做出各种修改。

Claims (5)

1.一种发光器件，包括：

发光元件基片；以及

用来密封所述发光元件基片的密封树脂部分，所述密封树脂部分具有向其中添加了折射率为n₁的荧光材料和折射率为n₂的微粒的树脂，所述树脂的折射率为n₃，

其中所述折射率n₁到n₃保持着n₂＞n₁＞n₃的关系，并且

所述微粒的颗粒大小不超过所述发光元件基片所发出光的波长的1/10。

2.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述微粒与所述树脂的体积比“a”满足n₁ ²＝a·n₂ ²+(1-a)·n₃ ²。

3.如权利要求1所述的发光器件，其特征在于，所述微粒由金属氧化物制成。

4.如权利要求3所述的发光器件，其特征在于，所述金属氧化物是氧化钛、氧化锆、氧化锌、氧化铪以及氧化铝中的至少一种。

5.一种发光器件，它包括：

折射率为n₄的发光元件基片；

用来密封所述发光元件基片的密封树脂部分，所述密封树脂部分具有向其中添加了折射率为n₅的微粒的树脂，所述树脂的折射率为n₆，

其中所述折射率n₅和n₆保持着n₅＞n₆的关系，并且

所述微粒和所述树脂的体积比满足n₄ ²＝a·n₅ ²+(1-a)·n₅ ²。

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