CN1973380A - 发光剖面改进的led - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种LED，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面且具有折射率n₁的衬底层(10)；提供在所述第一表面上的发光装置；以及布置在所述第二表面上的颗粒(20)阵列，其特征在于，位于所述第二表面上所述颗粒(20)之间的折射率匹配装置(30)，该折射率匹配装置具有的折射率n₂为n₂≥n₁－0.5且n₂≤n₁+3，藉此折射率匹配装置(30)的填充高度低于所述颗粒(20)阵列的最大高度。

Description

发光剖面改进的LED

本发明涉及LED领域。在现今的LED中，通常提供有衬底，在衬底的表面(此外还称为“第一表面”)上提供有发光装置。该发光装置发出光(例如通过适当金属离子的荧光)，该光在经过衬底之后发射。

然而，在发光装置中发射的光通常不是定向的，即所述光以各个方向发射。因此，由于在衬底表面上的全反射而损失了一定量的光，所述衬底表面位于其上定位有发光装置的第一表面的另一侧(此外还称为“第二表面”)。

因此本发明的目标是提出一种LED，其中由于所述表面的第二表面上的全反射引起的光损失得以降低。

本发明的目标可以通过这样一个LED实现，所述LED包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面且具有折射率n₁的衬底层；提供在所述第一表面上的发光装置；以及布置在所述第二表面上的颗粒阵列，其特征在于，位于所述第二表面上的折射率匹配装置，该折射率匹配装置具有的折射率n₂为n₂≥n₁-0.5且n₂≤n₁+3，藉此折射率匹配装置的填充高度低于所述颗粒阵列的最大高度。

由于折射率匹配装置和颗粒阵列的相互作用，由全反射引起的损失量得以降低。在一些使用了根据本发明的LED的应用中，发光可以增加20％。

应当注意，在所述表面的第二表面上的颗粒布置在现有技术中已经公知，例如从WO2003061028中即可得知。

术语“折射率匹配装置的填充高度低于所述颗粒阵列的最大高度”具体意思是指以这样的方式将折射率匹配装置叠放或者填充在衬底层之上，使得并非所有的颗粒全部被折射率匹配装置覆盖和/或围绕。

优选地，所述折射率n₂≥n₁-0.2且n₂≤n₁+2.5，更加优选的是n₂≥n₁-0.2且n₂≤n₁+2。

根据本发明的优选实施例，折射率匹配装置的折射率n₂为≥1.0且≤4，优选地，折射率匹配装置的折射率n₂为≥1.3且≤3.7，最优选的是，折射率匹配装置的折射率n₂为≥1.5且≤3.5。

根据本发明的优选实施例，以这样的方式提供所述折射率匹配装置，使得≥90％且≤100％的折射率匹配装置将颗粒阵列填充至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。

优选的是，并不使用折射率匹配装置完全填充所述颗粒阵列。如果没有填充(即没有折射率匹配装置)，将由于衬底上的全反射而存在损失。另一方面，如果折射率匹配装置填充至颗粒阵列的总高度，那么由于在折射率匹配装置与空气界面处的全反射将把光重定向至发射层，因而从颗粒层将没有适当的发射。

因此，优选的是，≥30％且≤100％的折射率匹配装置将颗粒阵列填充至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。在上下文中，术语“折射率匹配装置填充或堆叠至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％”应当以这样的方式理解，在两个相邻颗粒之间的每个点处，折射率匹配装置的高度为所述点处相邻颗粒的两个顶点的线与衬底的距离的≥20％且≤80％。

更加优选的是，以≥50％且≤100％，仍然更加优选的是≥70％且≤100％，最优选的是≥90％且≤100％的折射率匹配装置填充颗粒阵列至所述颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。

优选地以≥90％，更优选地≥95％，最优选地≥99％且≤100％的折射率匹配装置填充颗粒阵列至所述颗粒阵列高度的≥20％且≤80％，更优选地≥25％且≤75％，最优选地≥30％且≤60％。

根据本发明优选实施例，颗粒阵列的体积填充为≥50％且≤90％。

根据本发明，颗粒阵列的体积填充通过以下方式测量：

在LED的一个点或者多个点处，形成LED的横截面切割(例如通过断开LED)。优选的是，断裂边缘的长度大于或等于平均颗粒尺寸的2000％，以使用表面区域用于体积近似。

将距离衬底层最远的颗粒顶点相互连接以形成线。

计算所述线与衬底层的上边缘/上表面之间的区域A。

然后计算区域A中使用颗粒和/或折射率匹配装置填充的部分区域PA。

那么颗粒阵列的体积填充为

可以通过例如光学显微术或者任何其他适当的成像系统来实施区域A和PA的测量。可以替代地和/或附加地，可以使用X射线荧光分析或者本领域技术人员公知的其他适当的方法来确定颗粒和填充材料的体积量。

本发明已经仔细研究了光损耗以及体积填充的问题，并得出下面的结论。

无论如何如果没有体积填充，由于在衬底层的边缘和/或上表面上的全反射因而将损耗大量的光。仅仅在衬底和颗粒的接触表面，逃逸锥面的衬底外部的光可以进入颗粒的散射层。然而，如果体积填充太高，那么由于填充的上边缘处的全反射将把光重定向至发射层，因而从颗粒层将没有适当的发射。

因此，优选的是，颗粒层的体积填充≥50％且≤90％。更加优选的是，颗粒层的体积填充≥60％且≤85％，最优选的是≥70％且≤80％。

根据本发明的优选实施例，折射率匹配装置在≥0cm^-1％且≤1000cm^-1的≥380nm至≤700nm的波长范围内具有吸收作用。通过这种做法，可以限制由于折射率匹配装置引起的进一步的损失。优选地，在≥0cm^-1且≤100cm^-1的≥380nm至≤700nm的波长范围具有吸收作用，更加优选的是，在≥0cm^-1且≤1cm^-1的≥380nm至≤700nm的波长范围内具有吸收作用。

根据本发明的优选实施例，折射率匹配装置包括流体。优选地所述流体包括硅材料。此外，优选的是，固化之前流体的运动粘度≥300cSt至≤500cSt，更加优选的是≥350cSt至≤450cSt。同样优选的是，在590nm时折射率≥1.40至≤1.74，更加优选的是≥1.51至≤1.63。在400和700纳米之间的吸收系数优选≥0cm^-1至≤0.1cm^-1

在将流体用作折射率匹配装置或者折射率匹配装置之一的情况下，优选的是，在制作LED期间固化流体。优选在60℃实施固化1小时。优选在固化之后流体的肖氏强度(根据ASTM D-2240测得)≥30至≤40，更加优选地是≥33至≤37。此外，优选的是，固化后体积收缩为≥0至≤6％，更加优选的是≥0至≤4％。

优选通过旋转涂布(spin-casting)和/或滴液涂布(drop-casting)和/或刮刀涂布(doctor blading)将流体涂覆在衬底上。这些方法本身已经证明是最合适的。在涂覆之后，优选通过温度、曝光或者化学反应使流体硬化。

根据本发明的优选实施例，折射率匹配装置包括小颗粒(也称作折射率匹配颗粒)，藉此折射率匹配颗粒的直径为≥1nm且≤50nm。优选地，折射率匹配颗粒的直径为≥5nm且≤30nm，最优选的折射率匹配颗粒的直径为≥10nm且≤20nm。折射率匹配颗粒与大颗粒之比(体积)R_p优选地在0.1≤R_p≤2的范围内，更加优选地为0.2≤R_p≤1.5，最优选地是0.3≤R_p≤1。

根据本发明的另一优选实施例，折射率匹配装置包括颗粒和流体。在一些应用中，这还致使LED发光的显著增加。

根据本发明的优选实施例，折射率匹配装置包括流体和/或颗粒，所述流体和/或颗粒具有从玻璃、硅酮、聚合物、环氧树脂类、折射率≥1.0且≤3.5的无机材料(优选选自金属的氧化物、和/或氟化物、和/或磷酸盐、和/或氮化物和/或硅酸盐)、无机聚合物、有机聚合物(优选折射率≥1.0且≤3.5)或者其混合物构成的组中选择的材料。这些材料已经证明它们在实践中非常有效。

根据本发明的优选实施例，以这样的方式提供所述颗粒阵列，使得≥70％至≤100％的颗粒在衬底上形成单层阵列。该布置连同折射率匹配装置已经证明是最有效的。更加优选的≥80％，最优选≥90％至≤100％的颗粒在衬底上形成单层阵列。

根据本发明的优选实施例，形成颗粒阵列的颗粒具有平均直径≥40nm且≤1000μm。优选地，所述颗粒的平均直径≥100μm且≤400μm。最优选地，所述颗粒的平均直径≥1000nm且≤300μm。在实践中已经证明这是最有效的。优选地，所述颗粒的平均直径≥100nm且≤400nm。最优选地，所述颗粒的平均直径≥120nm且≤300nm。在实践中已经证明这是最有效的。

根据本发明的LED可以在各种系统中使用，其中所述系统是家庭应用系统、商店照明系统、家庭照明系统、重点照明系统、局部照明系统、剧场照明系统、光纤应用系统、投影系统、自点亮显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、告警信号系统、医疗照明应用系统、指示信号系统或者装饰照明系统。

前述部件以及权利要求所述的部件和根据本发明在所述实施例使用的部件并不收到尺寸、形状、材料选择以及技术观念的任何特殊限制，使得可以毫无限制地应用相关领域中公知的选择标准。

在从属权利要求和下面关于各个附图的描述中，公开了本发明目的附加细节、特点和优势，所述附图示出了根据本发明的LED的几个优选实施例。

图1示出根据本发明第一实施例的LED的局部截面视图；

图2示出根据本发明第二实施例的LED的局部截面视图；

图3示出第一和第二实施例的区域A的局部截面视图；

图1和图2示出了根据本发明的第一和第二实施例的LED的局部截面视图。在两个实施例中，LED包括衬底10以及布置在所述衬底10上的颗粒阵列20，所述衬底通常为玻璃衬底。为了示例目的，对于图1和图2，分别示出的颗粒阵列相同。图3示出了区域A，用于测量体积填充，所述区域A是连接颗粒顶点的线与衬底层的上边缘/上表面之间的区域。为了更好的理解，图1和图2也示出了连接颗粒顶点的线。应当注意的是，在示出的实施例中，(或多或少)仅存一个颗粒层。然而，在存在一个以上颗粒层的情况下，可以应用本发明。在这种情况下，用于计算区域A的线通过互连距衬底层最远的颗粒顶点而构成。

图1示出了第一实施例，其中流体30形式的折射率匹配装置已形成在衬底上。可以看出，图1的实施例的体积填充接近85％。折射率匹配装置30的材料优选地可从玻璃、硅酮、折射率≥1.0且≤3.5的无机材料、无机聚合物、有机聚合物(优选折射率≥1.0且≤3.5)或者其混合物构成的组中选择。

如从图1可以看出，以这样的方式提供折射率匹配装置，使得≥90％且≤100％的折射率匹配装置将颗粒阵列填充至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。尽管颗粒阵列的高度改变(由于两个颗粒距离衬底更远定位)，但是折射率匹配装置的填充高度总是≥20％且≤80％。

箭头表示的是通过衬底10、折射率匹配装置30以及颗粒阵列20的光路的路线。如从图1可以看出，光入射在衬底上，然后被引入折射率匹配装置，从该装置进入颗粒，然后发射。在没有折射率匹配装置的情况下，将发生由虚线表示的全反射。因此，折射率匹配装置增加了LED发射的光的总量。

图2示出了本发明的第二实施例，其中颗粒40形式的折射率匹配装置已提供在衬底10上。颗粒的直径≥1nm且≤50nm。如图2所示实施例的体积填充接近50％。这些折射率匹配颗粒还用于增加LED发射的光的量。

从图2可以看出，以这样的方式提供折射率匹配装置，使得≥90％且≤100％的折射率匹配装置将颗粒阵列填充至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。尽管颗粒阵列的高度改变(由于两个颗粒距离衬底更远定位)，但是折射率匹配装置的填充高度总是≥20％且≤80％。

应当注意，根据本发明的另一实施例，可以出现包含颗粒的折射率匹配装置和包含流体的折射率匹配装置。在一些应用中，这还致使LED的发光显著增加。

Claims (10)

1.一种LED，包括：具有第一表面和与第一表面相对的第二表面且具有折射率n₁的衬底层；提供在所述第一表面上的发光装置；以及布置在所述第二表面上的颗粒阵列，其特征在于，位于所述第二表面上的折射率匹配装置，该折射率匹配装置具有的折射率n₂为n₂≥n₁-0.5且n₂≤n₁+3，藉此折射率匹配装置的填充高度低于所述颗粒阵列的最大高度。

2.根据权利要求1所述的LED，藉此折射率匹配装置的折射率n₂≥1.0且n₂≤4。

3.根据权利要求1或2所述的LED，籍此颗粒阵列的体积填充≥5 0％且≤90％和/或以这样的方式提供所述折射率匹配装置，使得≥30％且≤100％的折射率填充装置将颗粒阵列填充至颗粒阵列高度的≥20％且≤80％。

4.根据权利要求1至3任一项所述的LED，藉此折射率匹配装置在≥0cm^-1且≤1000cm^-1的≥380nm至≤700nm的波长范围内具有吸收作用。

5.根据权利要求1至4任一项所述的LED，藉此折射率匹配装置包括流体，在固化之前流体的运动粘度优选≥300cSt至≤500cSt，更加优选的是≥350cSt至≤450cSt和/或在590nm时折射率优选为≥1.40至≤1.74，更加优选的是≥1.51至≤1.63。

6.根据权利要求1至5任一项所述的LED，藉此折射率匹配装置包括小颗粒(也称作折射率匹配颗粒)，折射率匹配颗粒的中值粒径≥1nm且≤50nm。

7.根据权利要求1至6任一项所述的LED，藉此折射率匹配装置包括流体和/或颗粒，所述流体和/或颗粒具有从玻璃、硅酮、折射率≥1.0且≤3.5的无机材料、无机聚合物、优选折射率≥1.0且≤3.5的有机聚合物或者其混合物构成的组中选择的材料。

8.根据权利要求1至7任一项所述的LED，藉此以这样的方式提供所述颗粒阵列，使得≥70％至≤100％的颗粒在衬底上形成单层阵列。

9.根据权利要求1至8任一项所述的LED，藉此形成颗粒阵列的颗粒具有平均直径≥50nm且≤1000μm。

10.一种包括根据权利要求1至9任一项所述LED的系统，所述系统在以下一种或多种应用中使用：家庭应用系统、商店照明系统、家庭照明系统、重点照明系统、局部照明系统、剧场照明系统、光纤应用系统、投影系统、自点亮显示系统、像素化显示系统、分段显示系统、告警信号系统、医疗照明应用系统、指示信号系统或者装饰照明系统。

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