TW200411948A

TW200411948A - White light LED using omni-directional reflector

Info

Publication number: TW200411948A
Application number: TW091136854A
Authority: TW
Inventors: Jung-Chieh Su; Jun-Ren Lo; Jim-Y Chi
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-01
Also published as: TW569479B; US6833565B2; US20040119083A1

Description

200411948 五、發明說明（1) 【發明所屬之技術領域】一種應用全方位反射片之白光發光二極體，應用於發出白光之發光模組。【先前技術】所明「白光」通常係指—種多顏色的混合光，以人眼所見之白色光至少包括二種以上波長之色光所形成，例如：藍色光加黃色光可得到二波長之白光，藍色光、綠色光、紅色光混合後可得到三波長之白光。現在家庭用室内照明光源如日光燈、U型省電燈泡及小型手電筒照日月、汽車/飛機/船内之照明等三波長之白光，且在目亀電晶= 邮喊不^(TFT-LCD)中所使用之背光源亦為三波長之白. i相=的：i用以發出白光之發光模組在照明市場中佔 π w —光之發光模組中曰 — 於其具有下列特性:⑴體積小:可用於平面封=體” :’且可視^使用環境做多顆及多種的搭配組二明使置低、發光壽命長：其發光壽命可達5萬小時、:）發熱傳統鎢絲燈泡高出5〇一1〇〇倍（3)不易破：由於^，比一: 體是以透明樹脂作為其外罩，因此可耐震邀光發光二: 污染：由於其内部結構不含水銀，因此没有、、九衝擊（4) 處理問題（5)低耗電量：其耗電量約是一奴5杂及廢棄彩 1 / 3〜1 / 5，因此，白光發光二極體被喻為ρ、蛛、燈泡的源」的明日之星。、、'彔色照明光 200411948 五、發明說明（2) 白光發光一極體可依照其内部所填充的物質而八有機白光發光二極體與無機白光發光二極體。而:為：品化成热的產品，是由日本日亞化學所研發出的盔=商發光二極體，其結構示意圖請參考「第i圖」所示，乂匕光外光發光二極體晶片1 〇的外圍填充有黃光螢光粉2 〇，^匕外光發光二極體晶片1 〇所發出紫外光之波長約為正紫 38 0-40 0nm，利用紫外光/藍光發光二極體晶片1〇光線激發黃光螢光粉2〇產生黃色光，同時也會有部二= 色光發射出來，此藍色光配合上黃色光即形成藍普、=人= 二波長的白光。 ’、/也口之

然而’利用紫外光/藍光發光二極體晶片1 0與黃光營光粉20組合而成之白光發光二極體，由於藍光佔發光光^普的大部份’因此，其色溫偏高，且光源色控制不易，因此’必須提南紫外光/藍光與黃光螢光粉2 〇作用的機會，以降低藍光強度或是提高黃光的強度。

為改善上述之缺點，在美國專利第5，9 6 2，9 7丨號所揭露的發光二極體，如「第2圖」所示，便使用紫外光濾波器（UV f 1 Iter) 30作為發光二極體螢光粉層4〇光出射面的封裝。此方式除可增加螢光粉層4 〇的發光均勻度外，並可吸收阻絕發光二極體晶片5 〇所發出之紫外光對人眼的傷害，因此會形成紫外光的耗損，而降低發光二極體的發光效率。另外在美國專利第5，8 1 3，7 5 3號所揭露的紫外光/藍光發光二極體，是在紫外光/藍光發光二極體晶片的發光面

第5頁 200411948 五、發明說明（3) ' '~" 1 — 上鍍上一層短波穿透濾波器（short wave paSS filte；〇，以增加發光晶片之紫外光出射量與發光二極體發光面之可見光（螢光）反射量；另一方面，在紫外光/藍光發光二極體之前端出射面以可見光穿透濾波器（long wave pass f i 11 e r)作封裝，以增加可見光的穿透率。然而，由紫外光/藍光發光二極體晶片所發射出的光線，發射出去後，並沒有有效地控制其行進路徑。因此，這些光線可能直接由螢光粉層吸收，或是直接被散射離開 I、外光/監光發光一極體’而形成紫外光的耗損，進而降低其發光效率。 t 【發明内容】雲於以上習知技術的問題，本發明之目的在於提供一種應用全方位反射片之白光發光二極體，利用介質化全方位反射片（dielectric omnidirectional reflector)取代 S 7/丨光/監光發光二極體中鐘於碗杯結構壁面上的紫外光及可見光反射層，以便於發光二極體晶片的二側形成類似法布里-柏羅（Fabry-Perot)共振腔的結構，以増加白光餐光一極體之發光效率。此全方位反射片僅反射特定波長的光’例如：波悬為47 0nm之藍光，或是波長範圍為 380-400 nm之紫外光。本發明是將具有特定波長之螢光膠夾置於鍍有介質化全方位反射片的玻璃基板中間，而此螢光膠中設置有用以發出紫外光或是藍光的發光二極體晶片。當發光二極體晶片發出之紫外光或是藍光穿過螢光膠時，此光線會激發螢 200411948

五、發明說明（5) 射片8 2上利用蝕刻的方 60固晶於製作好的電路上即電路，再將發光二極體晶片採用藍光發光二極@曰κ "。而此發光二極體晶片6 0可 60。脰日日片6〇，或是紫外光發光二極體晶片而在發光二極體晶片6〇的的螢光膠70，此蒂朵狀θ ώ土师有用以產生赏先發明所採用的螢光膠‘：種乂:一粉與曰樹脂混合而成。而本螢光膠-—將釔鋁石"榴石(YAG)::重疋用以產生黃色光的 ,,.,r e A 才 UAG) ®先粉添加鈽與矽膠以1比20 、蛍二乡0鋇鋁氧化物添加銪離子（BaAl 1 001 7 : Eu2 + )、鋇鋁氧化物添加銪離子及錳離子彳^^丨㈧丨了：仏以，^“）及氧化釔添加銪與鉍（Y203:Eu，Bi)，與矽膠Hi比2〇的比例混合，而形成螢光膠70。 < 而白光發光二極體所使用之螢光粉的發光可見光光而針對發光二極體晶片β 〇所發出的光之波長而設計；當使用不同的發光二極體晶片60時，亦需使用相對應其光波長的螢光粉，才會產生螢光。而兩片全方位反射片8 0，係相對稱地夾置於發光二極體晶片與螢光膠7 0的二侧，且與發光二極體晶片6 〇的出射面6 1相平行。而其中正對出射面6丨之全方位反射片係為前端全方位反射片8 1，而與其相對稱的全方位反射片係為後端全方位反射片82。此前端全方位反射片8 1與後端全方位反射片8 2之製作是在玻璃基板的表面上鍍上一層氧化石夕/三氧化二銘而

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成、γ藉由控制鍍膜的材料比率使前端全方位反射片8丨對紫外。光的反射率為9 9 %而如激發採用藍光時的反射率為 5 0%-99%;而與其相對應之後端全方位反射片82對紫藍光的反射率為99 %。而此前端全方位反射片81與後端全方位反射片“的製作方式了以示米製作技術（n a n 〇 t e c乜n 〇 1〇g y )，例如·自組裝（self-assemblying)、矽凝膠溶膠（s〇1—以丨），或是傳統光學鍍膜（optical thin film c〇ating)的方式，例如· 濺鍍（sputtering)、電子搶（E-gun)、化學氣相沉積 · (Chemical Vapor Dep〇sition;CVD)等方式製作。且此全方位反射片81、82可設計為針對特定的發光二極體之光束出射角，與不同的電場極性（1)〇131^^1^〇1^)皆有高的反射率。 ”當發光二極體晶片6 0發出之藍光或是紫外光穿過螢光膠70時，此藍光或是紫外光會激發螢光膠7〇中的螢光粉產生二次可見光源，即發出螢光。 ^ 然而，因為螢光膠70外圍之前端全方位反射片81與後立而全方位反射片8 2會反射特定波長之光線，因此，會使發光一極體晶片6 0發出之光線被侷限於前端全方位反射片8】與後端全方位反射片8 2之間。藉由此光線在前端全方位反射片81與後端全方位反射片82間反覆且多方向的反射，讓此光線盡量激發螢光粉，使發光二極體晶片6〇所發出光線的能量耗盡，以提高白光的轉換效能，而使白光發光二極體發出更多的白光。

第9頁 200411948 五、發明說明（7) 而在前端全方位反射片8 1鑛有氧化石夕/三氧化二銘材料的另一面，由於其為白光發光二極體的光線出射端，因此，可在其表面上製作繞射光學元件（Diffractive Optical Element; DOE)、半球形鏡（Dome lens)、微透鏡 (Microlens)、可見光穿透濾波器（Long wave pass filter)或是防反光膜（Anti-reflection coating)等光學元件，以增加白光發光二極體發出之可見光的亮度。而本發明之第二實施例，如「第4圖」所示，其結構大致與第三實施例相同，只是在發光二極體晶片60光線出射面 61上多设置一個短波穿透滤、波器（short wave pass filter )62，以增加發光二極體晶片60之光線出射量，並使螢光粉所激發出的可見光反射出去。而本發明之第三實施例，其與第一實施例及第二實施例大致相同，前端全方位反射片8 1為全方位反射片，而後端全方位反射片8 2可用金屬鍍膜或是反射片來取代，同擇可以達到相同的發光效果。而本發明所研發之白光發光二極體的第四實施例，請參考「第5圖」所示，首先，將藍光或是紫外光發光二極體晶片6 0固晶於支架的碗杯9 0中，此支架的二個接腳1 〇〇係為各自獨立的金屬電極，用以通入電流。而在發光二極體晶片6 0的外圍塗佈上螢光膠7 〇，並於螢光膠7 0的表面鍛上一層氧化石夕/三氧化二紹材料，以作為全方位反射片8 0。藉由支架的金屬電極通入電流，而驅動發光二極體晶

第10頁 200411948 五、發明說明（8) 片60發光，當其所發出的光線穿過螢光膠7〇時，此光線會激發赏光粉發出螢光。而藉由此全方位反射片8 〇會將光線局限於螢光膠70内，使其在螢光膠7〇中反覆且多方向的反射’以提咼白光的轉換效能。藉由控制全方位反射片8 〇對於藍光反射率的不同，即可調整白光發光二極體所發出光線之色溫。本發明依據弟一貫施例的架構，做了二個對照的實驗’但其負責發出監光或是紫外光的發光二極體晶片6 〇並沒有设置於螢光膠70内’而是設置於前端全方位反射片81 的另一側，請參考「第6圖」所示。所得的實驗曲線如「附件i」所示，曲線A為有使用全方位反射片80之白光發光二極體所量測得到光之強度，而相對應於曲線A之曲線B，它是一般沒有使用全方位反射片 80之白光發光二極體所量測得到光之強度。由曲線圖中可明顯地看出：有使用全方位反射片8 〇之白光發光二極體其光線的強度比沒有使用全方位反射片8 〇之白光發光二極體的光線之強度大了一倍以上。由此可知’本發明之應用全方位反射片的白光發光二極體相較於習知之白光發光二極體有極佳的發光強度。以上所述者’僅為本發明其中的較佳實施例而已，並非用來限定本發明的實施範圍；即凡依本發明申請專利範圍所作的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

苐11頁 200411948 圖式簡單說明第1圖為習知之無機白光發光二極體的結構示意圖；第2圖為習知之以紫外光濾波器作為發光二極體螢光粉層光出射面封裝的結構示意圖；第3圖為本發明之第一實施例的結構示意圖；第4圖為本發明之第二實施例的結構示意圖；第5圖為本發明之第四實施例的結構示意圖；第6圖為本發明之應用全方位反射片之白光發光二極體的貫驗架構不意圖；及附件1為有使用及沒有使用全方位反射片之白光發光二極體所量'測得到光強度之曲線圖。【圖式符號說明】 10 紫外光發光二極體晶片 20 黃光螢光粉 30 紫外光滤波器 40 螢光粉層 50 發光二極體晶片 60 發光二極體晶片 61 出射面 62 短波穿透渡波器 70 螢光膠 80 全方位反射片 81 前端全方位反射片 82 後端全方位反射片 90 碗杯

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Claims

200411948 六、申請專利範圍 i 一種應用全方位反射片之白光發光二極體，其包括有：一發光二極體晶片，以一出射面發射出一光線；一螢光膠，係由一螢光粉與一樹脂混合而成，並塗饰於該發光二極體晶片之外圍；及兩全方位反射片，相對稱地夾置於該螢光膠及該兔光二極體之二侧，且與該出射面平行，其中正對該出射面之全方位反射片係為一前端全方位反射片，而與該前端全方位反射片相對稱處係為一後端全方位反射片、；

士當該發光二極體晶片發出之該光線穿過該螢光膠 4，戎光線會激發該螢光粉發出螢光，而兩該全方位反射片會限制該光線於該螢光膠内，使其在該螢光膠中 ?反覆且多方向的反射，以提高白光的轉換效能。一I、>如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光 =先一極體，其中該發光二極體晶片係為藍光發光二極體 ^如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光二光二極體，其中該發光二極體晶片係為紫外光發光二極月豆晶片。

如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光 2 一極體，其中該發光二極體晶片之光線出射面上更包一妞波穿透濾波器，以增加該發光二極體晶片之光線印射量。 5於如_申請專利範圍第丨項所述之應用全方位反射片之白光 X “ 一極體，其中該螢光粉係為釔鋁石榴石（YM)螢光粉

200411948 六、申請專利範圍添加飾。 6 · 如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，其中該螢光粉係為產生紅綠藍（RGB)三原色的螢光粉-鋇鋁氧化物添加銪離子（：68411〇〇174112 + )、.鋇鋁氧化物添加銪離子及錳離子（BaA 11 001 7 : Eu2 +，Mn2 + )及氧化紀添加銪與絲（Y 2 0 3 : E u，B i )。 7 ·如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體’其中該螢光粉之發光可見光光譜需配合該發光*一極體晶片之發光波長。 ^如申請專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體’其中該前端全方位反射片之製作係在一玻璃基板上鑛上一層氧化矽與三氧化二鋁而成。 9《、如_申請專利範圍第8項所述之應用全方位反射片之白光兔光一極體’其中該前端全方位反射片鍍有氧化矽盥三氧 =二鋁材料的另一面更包括有繞射光學元件。、朵八1申明專利範圍第8項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，苴由#、，与八Y該W端全方位反射片鍍有氧化矽盥二乳化二鋁材料的另_ / /、一 ! , ^ ^ 乃面更包括有半球形鏡。 η · 如申請專利範jfi笛。光發光二極體，其員戶斤述之應用全方位反射片之白氧化二鋁材料的另_ =則端全方位反射片鍍有氧化矽與三 1 〇 , ^ ^ ^ 面更包括有微透鏡。 1Ζ·如申請專利範圍坌0 光發光二極體，其中=δΙ員所述之應用全方位反射片之白氧化二鋁材料的^ 一、w端全方位反射片鍍有氧化矽與三面更包括有可見光穿透濾波器。

第15頁 200411948 六、申請專利範圍 :·發利；項所二之應？方位反射片之白氧化二，…與三 2發利以1—項所述之應用全方位反射片之白質鍍膜。 ”中該前端全方位反射片之製作係為介電 :·發項所述之應用全方位反射片之白 /、中该W端全方位反射片之製作方法係選二=合:!膠溶膠、減鑛、電子搶蒸鑛、化學氣相 U申:! ί利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白璃基板上鍵上―;f該後端全方位反射片之製作係在—玻 ._ 由: 層氣化矽與三氧化二鋁而成。畀菸1 i利乾圍第1項所述之應用全方位反射片之白質鍍膜。.一其中該後端全方位反射片之製作係為介電夯癸妥申r i利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白自^ =體，其中該後端全方位反射片之製作方法係選 _ 沉積所成組合：ί膠溶膠、⑽、電子搶蒸鍍、化學氣相伞恭申二專利範圍第1項所述之應用全方位反射片之白鑛^、。一亟體’其中該後端全方位反射片之製作係為金屬 2〇·如申請專利範園第1項所述之應用全方位反射片之白第16頁 200411948 六、申請專利範圍光發光一極體，其中該後端全方位反射片係為反射片。 21· —種應用全方位反射片之白光發光二極體，係於一支架的碗杯中設置有一發光二極體晶片，該支架具有兩個獨立的至屬電極，.用以通入電流而驅動該發光二極體晶片發出一光線，該發光二極體晶片之周圍塗佈有一螢光膠，其係由一赏光粉與一樹脂混合而成，當該發光二極體晶片發出的光線牙過忒佘光膠時，該光線會激發該螢光粉發出螢光，其特徵在於：該螢光膠之表面具有一全方位反射片，該全方位反

射片會將該光線局限於該螢光膠内，使其在該螢光膠中反覆且夕方向的反射，以提高白光的轉換效能。、，义士，申明專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白光毛光_極體，其中該發光二極體晶片係為藍發光二極體晶片。 2 3、如申請專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，其中該發光二極體晶片係為紫外光發光二極體晶片。 / 4 ·又如申凊專利範圍第21項所述之應用全方位反射片之白

光^光一極體，其中該螢光粉係為釔鋁石榴石（YAG)螢光粉添加鈽。 2 5 ►. • & "申請專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白色體，其中該螢光粉係為產生紅綠藍(RGB)三原錐=九粉〜鋇鋁氧化物添加銪離子（BaA110O17:Eu2 + )、貝銘氧化物添加銪離子及錳離子（BaAl 1 001 7 : Eu2 +，Mn2 + )

第17頁 200411948 六、申請專利範圍及氧化紀添加銪與絲（Y 2 0 3 : E u，B i )。 26. 如申請專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，其中該螢光粉之發光可見光光譜需配合該發光二極體晶片之發光波長。 27. 如申請專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，其中該全方位反射片之製作係為介電質鍍膜。

2 8. 如申請專利範圍第2 1項所述之應用全方位反射片之白光發光二極體，其中該全方位反射片之製作係在一玻璃基板上鍍上一層氧化矽與三氧化二鋁而成。

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