TW201251136A - Solid-state light emitting devices with photoluminescence wavelength conversion - Google Patents

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201251136 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於具有光致發光波長轉換之固態發光裝置且 特定而言（但並非只是）係關於基於led(發光二極體）之白 光發射裝置，其係用於激發兩種或兩種以上位於led遠端 之磷光體材料。此外本發明係關於用於轉換由固態光發射 體產生之光之顏色（波長）的波長轉換組件。 優先權聲明 本申請案主張Xianglong Yuan等人於2010年9月28曰申請 之題為「SOLID-STATE LIGHT EMITTING DEVICES WITH PHOTOLUMINESCENCE WAVELENGTH CONVERSION」 之美國專利申請案第12/892,754號的優先權權益，該專利 申請案内容以引用的方式併入本文中。 【先前技術】 白光發射LED(「白光LED」）在此項技術中為已知的且 為相對新穎的技術革新。直至研發出發射電磁波譜之藍光/ 紫外線部分之LED，研發基於LED之白光光源方變為切實 可行。如例如US 5,998,925中所教示，白光LED包括一或 多種磷光體材料，其為光致發光材料且其吸收一部分由 LED發射之輻射且重新發射不同顏色（波長）之輻射。通 常，LED晶片或晶粒產生藍光且磷光體吸收一部分藍光且 重新發射黃色光、或綠色光與紅色光之組合、綠色光與黃 色光之組合、綠色光與橙色光之組合或黃色光與紅色光之 組合。由LED產生之藍光的未由碗光體吸收之部分與由碳 159009.doc 201251136 光體發射之光組合，產生人眼看來顏色接近白色之光。 由於預期工作壽命長（>5〇,〇〇〇小時）且發光效率高（7〇流 明/瓦及70流明/瓦以上）’越來越多地使用高亮度白光led 取代習知螢光燈、緊湊型螢光燈及白熾燈光源。 通常提供磷光體材料之混合物作為LED晶粒發光表面上 之單層。或者’可提供不同磷光體材料作為覆蓋led晶粒 之各別層。 如Li之美國專利申請案US 2008/021 18992 A1中所揭 示，亦已知將磷光體材料提供為位於LED晶粒遠端之光學 組件上之一層或將磷光體材料併入該光學組件内。 本發明之一目的為提供能至少部分地克服已知裝置之缺 陷的發光裝置。 【發明内容】 本發明之實施例係關於包含一或多個固態光發射體（通 常為LED)之固態發光裝置，該一或多個固態光發射體可操 作以產生藍光’其用於激發包括至少兩種可激發藍光之峨 光體材料的光致發光波長轉換組件。根據本發明，構光體 材料經提辩為區域圖案，其中不同磷光體材料之區域幾乎 無重叠《本發明者發現’與不同磷光體材料經提供為單一 層中之混合物或提供為重疊之獨立層的裝置相對比，最小 化不同磷光體材料之任何重疊可增加裝置之量子效率及改 良由該種裝置產生之光的CRI(顯色指數）。咸信使不同磷 光體材料分開（即非重疊）可減少由一種磷光體材料產生且 被另一種磷光體材料吸收（下文中稱為「磷光體間吸收」） I59009.doc 201251136 之較高能量（較短波長）的光。此外，實體上分開不同磷光 體材料可使得發射產物之顏色主要由磷光體材料區域之相 對面積及/或厚度決定’藉此可藉由改變磷光體材料區域 之比率來調節發射產物之顏色。相比之下，改變包含磷光 體材料混合物之裝置的發射產物之顏色需要調配新的磷光 體材料混合物。 根據本發明，發光裝置包含至少一個可操作以產生藍光 之光發射體及包含至少兩種磷光體材料之波長轉換組件， 其中該等磷光體材料可操作以吸收至少—部分該藍光且發 射不同顏色之光，且其中該裝置之發射產物包含由該至少 一個光發射體及該等磷光體材料產生之組合光，且其中該 等磷光體材料經提供為該組件一表面上實質上非重疊區域 之圖案。為了防止磷光體材料區域重疊，磷光體材料區域 可由不含磷光體材料之區域或間隙隔開。該等區域或間隙 可具光透射性、光反射性或光阻斷性。當其為光透射性 時，間隙充當允許藍光及磷光體產生之光自組件發射之窗 口。為了防止由光發射體產生之藍光壓過磷光體產生之 光，隔開峨光體區域之區域或間隙係小於約〇 5 mm(約〇 〇 1 0寸或10 mil)且通常為約〇·〇5 mm。在其他配置中，鱗光體 材料區域可經組態為彼此鄰接或稍微重疊。在本專利申請 案之背景下，稍微重疊意謂磷光體材料區域之總重疊面積 遠小於非重疊磷光體材料區域之總面積。為了最小化磷光 體間吸收，重疊面積較佳儘可能地小且通常小於總面積之 0.1%。 159009.doc 201251136 磷光體材料區域之圖案可包含規則及不規則圖案，其包 括例如不同磷光體材料之條形或線形圖案；像素圖案，其 可為圓形、橢圓形、正方形、矩形、三角形、六邊形或幾 何區域平鋪面（tiling)，例如矩形或正方形區域平鋪面。為 了確保藍光及磷光體產生之光之視覺摻合及提供勻色發射 產物，磷光體材料區域較佳有至少一個維度小於約2出爪。 舉例而言，在一種配置中，磷光體材料圖案包含寬度小於 約5 mm之交替磷光體材料之條形或線形圖案。在另一配置 中，磷光體材料圖案包含第一磷光體材料之圓形點或像素 圖案’且第二磷光體材料填充像素之間的區域。為了自波 長轉換組件之不同區域產生不同顏色之光，可改變波長轉 換組件上填光體材料區域之大小及/或相對面積。可預見 藉由以此方式組態圖案，此可用於減少裝置之發射產物之 顏色的角度變化。舉例而言，對於白光發射裝置，可設想 在波長轉換組件之入射藍光強度最大的區域（通常為中央 區域）上提供與發黃色光之磷光體材料相比相對較多的發 紅色光之鱗光體材料。在一個實例中，紅色破光體材料區 域朝向組件中央之大小可較大，而遠離中央區域之大小則 減小。 為了減少自光發射體至波長轉換組件之熱轉移且藉此減 少磷光體材料之熱降解，波長轉換組件宜位於距光發射體 至少5 mm處且較佳由空氣間隙與彼處隔開。 波長轉換組件可為光透射性且經組態以轉換至少一部分 透射通過該組件之光的波長。在一種配置中，波長轉換組 159009.doc 201251136 件包含光透射基板’在該基板之一表面上提供罐光體材料 圖案作為至少一個層。由於由構光體材料引起之藍光散射 之各向同性性質及光致發光過程之各向同性性質，一部分 藍光及約一半的填光體產生之光將自波長轉換組件被發射 回光發射體。為使裝置之光發射最大化，應將反向散射之 藍光及磷光體轉換之光重新引導回波長轉換組件使其透射 通過該組件且有助於發射產物。因此，裝置宜進一步包含 一圍繞光發射體及波長轉換組件之光反射腔，其經組態以 將反向散射之光重新引向波長轉換組件。該光反射腔可包 含光反射金屬表面或光反射聚合物表面。光反射表面可包 含鏡面型（mirror-like)(非漫射性）或朗伯型（Lambertian-like)(漫射性）反射表面。 為了進一步減少填光體間吸收，波長轉換組件可經組態 以防止由一種鱗光體材料在朝向光發射體返回之方向上產 生的磷光體轉換之光由光反射腔室重新引導返回穿過另一 碌光體材料區域。舉例而言，在一種配置中，裝置包含波 長選擇性反射濾波器’其經組態以至少對由兩種磷光體材 料產生之光的波長呈反射性且對由至少一個光發射體產生 之光實質上呈透射性。在操作中，波長反射濾波器阻止磷 光體轉換之光自波長轉換組件沿朝向光發射體之方向發 射’從而實際上消除麟光體間吸收，因為填光體轉換之光 將被反射回開始產生該光之磷光體材料區域。在另一配置 中’波長選擇性反射濾波器包含與各磷光體材料區域相關 聯的各別反射濾波器，其中與第一磷光體材料相關聯之反 159009.doc 201251136 射濾波器係經組態以至少對由第一磷光體材料產生之光波 長呈反射性且對由至少一個光發射體產生之光實質上呈透 射性，且其中與第二磷光體材料相關聯之反射濾波器係經 組態以至少對由第二磷光體材料產生之光波長呈反射性且 對由至少一個光發射體產生之光實質上呈透射性。為使會 由光透射基板内之光反射引起之磷光體間吸收最小化，波 長選擇性濾波器較佳係位於光透射基板與磷光體材料區域 之間。為便於製造，可在光透射基板一面上提供波長選擇 性遽波器且接著在波長選擇性濾波器上沈積磷光體材料區 域之圖案。波長選擇性濾波器可包含多層結構，該多層結 構包含例如多個介電材料層或光柵型結構。 在一種配置中，藉由網版印刷在基板上提供磷光體材料 之圖案。或者，可使用其他沈積技術（包括喷墨印刷、凸 版印刷、凹版印刷或柔版印刷）將磷光體材料之圖案施加 於基板。光透射基板可包含光透射聚合物，諸如丙烯酸系 樹脂、聚碳酸醋、環氧樹脂或聚石夕氧或玻璃。 或者，波長轉換組件可具光反射性且經組態以轉換至少 一部分由該組件反射之光的波長。一種如此的波長轉換組 件包含光反射表面，在該表面上提供磷光體材料之圖案作 為至少一個層。可藉由例如印刷術、網版印刷或喷墨印刷 在光反射基板上提供磷光體材料之圖案。為了最大化光發 射，光反射表面之反射率應儘可能高且較佳為至少〇 9。 光反射表面可包含光反射金屬，諸如銀、鋁或鉻。或者， 其可包含光反射聚合物、光反射紙或光反射塗料。 159009.doc 201251136 至少一個光發射體較佳包含可操作以產生峰值波長在 380 nm至480 nm且通常為約44〇 1^至45〇 nm波長範圍内之 藍光的固態光發射體，諸如LED » 根據本發明之另一態樣，固態發光裝置之用於轉換至少 一部分由光發射體產生之光波長的波長轉換組件在其一表 面上包含至少兩種磷光體材料之圖案，其經組態為實質上 非重疊區域之圖案。為了防止鄰近磷光體材料區域重疊， 鄰近磷光體材料區域可由不含磷光體材料之區域或間隙隔 開。使鄰近磷光體區域隔開之區域或間隙較佳小於05 mm(約0.01吋）且通常可為約〇 〇5 mm(〇 〇〇1吋或1〇以丨）。在 替代性組態中’鄰近磷光體材料區域可彼此鄰接。 為了確保勻色發射產物’磷光體材料區域較佳有至少一 個維度小於約5 mm。 在一種配置中’波長轉換組件具光透射性且包含光透射 基板，在該基板上提供磷光體材料之圖案作為至少一個 層。為防止一種磷光體材料吸收由另一種磷光體材料產生 之光，波長轉換組件可進一步包含波長選擇性反射濾波 器’其經組態以至少對由兩種磷光體材料產生之光波長呈 • 反射性且對由光發射體產生之光波長實質上呈透射性。在 • 一種配置中’波長選擇性反射濾波器包含與各磷光體材料 相關聯的各別反射濾波器，其中與第一磷光體材料相關聯 之反射濾波器經組態以至少對由第一磷光體材料產生之光 波長呈反射性且對由光發射體產生之光波長實質上呈透射 性’且其中與第二磷光體材料相關聯之反射濾波器經組態 159009.doc -9- 201251136 以至少對由第二磷光體材料產生之光波長呈反射性且對由 光發射體產生之光波長實質上呈透射性。為了最小化磷光 體間吸收，波長選擇性濾波器可位於光透射性基板與磷光 體材料區域之間《波長選擇性濾波器可包含多層介質反射 鏡或光栅型結構。光透射基板可包含丙烯酸系樹脂、聚碳 酸酯、環氧樹脂、聚矽氧或玻璃。 在替代性組態中’波長轉換組件具光反射性且包含光反 射表面’在該光反射表面上提供磷光體材料之圖案作為至 少一個層。該光反射表面較佳具高度反射性且反射率為至 少0.9。光反射表面可包含反射金屬（諸如銀、鋁或鉻）、光 反射聚合物、光反射紙或光反射塗料。 適宜藉由印刷術、網版印刷、喷墨印刷或其他沈積技術 在波長轉換組件上提供磷光體材料之圖案。 磷光體材料較佳包含無機材料，諸如正矽酸鹽、氮化 物、硫酸鹽、氧氮化物、含氧硫酸鹽（〇Xy_Sulfate)或石權 石（YAG)材料’其粒度在2 μιη至60 μιη範圍内且更尤其在 ΙΟμιη至20μηι範圍内。 【實施方式】 為了更好地理解本發明’現將僅舉例而言參考隨附圖式 描述根據本發明之實施例之固態發光裝置。 本發明之實施例係關於包含一或多個固態光發射體（通 常為LED)之發光裝置，該一或多個固態光發射體可操作以 產生藍光’其用於激發包括至少兩種可激發藍光之磷光體 材料的光致發光波長轉換組件。較佳在波長轉換組件表面 159009.doc -10- 201251136 上提供磷光體材料作為實質上非重疊區域之圖案，本發明 者已發現其可提供改良之量子效率及CRI。咸信改良之量 子效率由由一種磷光體材料產生且被另一種磷光體材料吸 收的較短波長（較高能量）之光減少產生。貫穿本說明書， 相同參考數字用於表示相同部分。 圖1展示根據本發明之一個實施例的基於LED之白光發 射裝置10之示意圖。裝置10包含藍光發射led 12及位於該 LED遠端之光致發光波長轉換組件14。如圖所示波長轉 換組件14可包含光透射基板（窗）16，其在一面上具有至少 兩種鱗光體材料18、20之圖案。光透射窗16可包含任何光 透射材料，諸如聚合物材料，例如聚碳酸酯、丙烯酸系樹 脂、聚矽氧或環氧樹脂或玻璃，諸如石英玻璃。通常，光 透射窗16為平面的，通常為圓盤形，但視所欲應用而定， 其亦可為正方形、矩形或其他形狀。當光透射窗16為圓盤 形時，其直徑通常可介於約1 cm與約丨5 em(亦即面積為〇 8 cm與180 cm之窗孔）之間。在替代性實施例中，可預見光 透射窗16包含沿所選方向引導光之光學組件，諸如凸透

鏡凹透鏡或菲 >圼耳透鏡（Fresnel lens)。為了減少自LED 12至波長轉換組件14之熱轉移，尤其朝向磷光體材料之熱 轉移波長轉換組件較佳位於LED遠端，亦即實體上隔開 至少5 mm之距離。通常，波長轉換組件與lED由空氣間隙 隔開。 藍光LED 12可包含基於GaN(基於氮化鎵）之LED，其可 操作以產生具有處於38〇 11〇1至48〇 nm(通常為44〇打出至45〇 I59009.doc 201251136 nm)波長範圍内之峰值波長九1的藍光22。藍光LED 12經組 態以用藍光22照射波長轉換組件14，一部分藍光22由磷光 體材料18、20吸收，作為回應，麟光體材料18、20發射具 有不同各別波長λ:、λ3之光24、26，通常對於暖白光發射 裝置為紅光及黃光。裝置10之發射產物28(其經組態以顯 現白色）包含由LED發射之組合光22及由磷光體材料is、20 中之每一者產生之光24、26。 如圖1中所示’裝置可進一步包含圍繞LED 12及波長轉 換組件14之光反射腔3 0以將反向散射之光重新引向波長轉 換組件14。該光反射腔經組態以引導由LED 12產生且由波 長轉換組件14反向散射之光22及由磷光體材料產生之磷光 體產生（光致發光）之光26、28。 圖2展示根據本發明之一個實施例的光致發光波長轉換 組件14之平面示意圖及側視圖。在此例示性實施例中，填 光體材料18、20經組態為包含一系列寬度分別為…及…的 平行之不重疊交替條形或線形之區域之圖案。各磷光體材 料條包含具有各別厚度t】、h之均勻厚度的磷光體材料 層。應瞭解，磷光體材料之厚度將決定由磷光體區域產生 之光的顏色。通常，包含綠光或黃光發射材料之磷光體材 料區域20之厚度tz大於包含紅光發射磷光體材料之磷光體 材料區域18之厚度h。在例示性實施例中，t2為t!之約1.5 倍。如圖所示，不同磷光體材料條可間隔寬度為w3之狭窄 間隙3〇。如將進一步描述，間隙30防止在印刷期間磷光體 區域發生重疊。間隙30亦允許透射一部分LED產生之光 159009.doc -12· 201251136 22。如圖2中所示，不同磷光體材料區域之間的間隙3〇可 包含實際空間，但在其他實施例中，間隙可包含區域，諸 如不含任何磷光體材料之光透射介質。 產生暖白光（CCT>3000 K)之波長轉換組件14之實例包含 2.5吋（64 mm)直徑之圓形光透射圓盤，其具有發紅光（^峰 值波長=630 nm)之氮化磷光體材料18及發黃光（心峰值波長 〜5 50 nm)之YAG材料20的交替條狀圖案。通常，鱗光體材 料區域具有厚度“=60 μηι及tz^lOO μιη。對於紅光氮化物及 黃光YAG磷光體材料，磷光體材料對光透射黏合劑（Star

Technology U.V.固化丙烯酸系黏著劑UVA4103)之負重分 別為約1.2:1及2.8:1。為產生暖白光’圖案經組態而使得·紅 光及黃光磷光體材料分別覆蓋約44%及約56%的波長轉換 組件表面積（窗孔）。為確保藍光22及磷光體產生之光24、 26之視覺摻合及提供勻色發射產物28，材料條應儘可能窄 且寬度通常小於約2 mm。舉例而言’在一實施例中，磷光 體材料條之圖案之尺寸wt=43.5 mil(l. 11 mm)，W2=55.5 mil(1.42 mm)及 w3=0.5 mil(0.01 mm)。 更可預見在替代性實施例中磷光體區域（材料條）可經組 態而彼此鄰接。 圖3展示根據本發明之另一實施例的波長轉換組件14之 平面示意圖及側視圖。在此例示性實施例中，雄光體材料 18、20經組態為包含寬度為w及長度分別為h、丨2之矩形區 域之陣列的圖案。如圖所示，矩形區域可由寬度為W3之狹 窄間隙30隔開。應瞭解，可根據不同磷光體材料區域之面 159009.doc -13· 201251136 積Ai、A:之比率（亦即a1:A2(丨i.wih.w))來選擇由該種組件 14產生之發射產物28之顏色。此外，如先前描述，由各磷 光體材料區域產生之光的顏色亦將視該等區域之厚度“、 而定。為了確保勻色發射產物28，罐光體材料區域通常 有至少一個維度小於約2 mm(w<2 mm及/或（丨i，丨2)<2 mm) 〇 圖4為根據本發明之另一實施例之波長轉換組件14的平 面示意圖。在此例示性實施例中，磷光體材料之圖案經組 態為第一磷光體材料丨8之圓形區域或點之正方形陣列，且 第二磷光體材料20填充於圓形區域之間。如圖所示，寬度 為W3之狹窄間隙30可提供於各圓形磷光體區域〗8與周圍磷 光體材料之間。再次為了確保勻色發射產物28，圓形磷光 體材料區域18之直徑φ通常小於約2 mm且圓形區域之間的 最大間隔s小於約2 mm。在一種配置中，磷光體材料點j 8 之直徑Φ=75 mil(約1.9 mm)且經組態而使得紅光磷光體材 料18及黃光磷光體材料2〇之面積比例為約44%及約56%。 應瞭解，所描述之各種磷光體材料圖案僅為例示性的且 其他圖案屬於本發明之範疇内。舉例而言，磷光體材料圖 案可包含圓形、橢圓形、正方形、三角形、菱形或六邊形 峨光體區域之規則或不規則圖案。 鱗光體材料18、20(其呈粉末形式）以已知比例與光透射 黏合劑材料32(諸如聚合物材料（例#熱或u v•可固化聚矽 氧、丙烯酸系樹脂或環氧材料），諸如—Techn〇i〇gy之 υ.ν·可固化丙烯酸系黏著劑1)¥八41〇3或透明油墨，諸如 159009.doc 14 201251136

Nazdar's® U.V.可固化平版印刷透明印戳PSLC-294)充分混 合。填光體/黏合劑混合物以一或多個均勻厚度之層形式 施加於窗16之表面。在較佳實施例中’混合物藉由網版印 刷施加於光透射窗且層厚度t由網孔大小及印刷次數控 制。圖5(a)至圖5(d)為說明製造波長轉換組件之方法之實 例的示意圖。如圖5(a)所示，使用第一網版來網版印刷峨 光體區域20。更換網版且接著使用第二網版在磷光體區域 20之間印刷其他磷光體區域18(圖5(b))。接著使用第一網 版印刷覆蓋第一填光體區域20之另一層麟光體區域2〇(圖 5(c))。最終’使用第二網版印刷覆蓋第一磷光體區域18之 另一層磷光體區域18(圖5(d))。將視所需磷光體區域厚度t 而定確定印刷次數。 如熟習此項技術者將顯而易見，可使用其他印刷方法 (諸如喷墨印刷、凸版印刷、凹版印刷或柔版印刷）以及其 他沈積技術施加磷光體混合物。 磷光體材料可包含無機磷光體或有機磷光體，諸如具有 一般組成A3Si(0，D)5或A2Si(0，D)4之基於矽酸鹽之磷光 體，其中Si為矽，Ο為氧，A包含锶（Sr)、鋇（Ba)、鎂（Mg) 或鈣（Ca)且D包含氯（Cl)、氟（F)、氮（N)或硫（S)。基於石夕酸 鹽之磷光體之實例揭示於美國專利US 7,575,697 「Europium activated silicate-based green phosphor」（轉讓 予 Intematix Corp.)、US 7,601，276「Two phase silicate-based yellow phosphor」 （轉讓予 Intematix Corp.) 、 US 7,601,276「Silicate-based orange phosphor」（轉讓予 159009.doc -15- 201251136

Intematix Corp.)及 US 7,311，858「Silicate-based yellow-green phosphor」 （轉讓予intematix Corp.)中 。峨光體亦可 包含基於鋁酸鹽之材料，諸如吾人同在申請中之專利申請 案 US 2006/0158090「Aluminate-based green phosphor」及 專利 US 7,390,437「Aluminate-based blue phosphor」（轉讓 予Intematix Corp.)中所教示；鋁-矽酸鹽磷光體，如同在 申請中之申請案 US 2008/011 1472「Aluminum-silicate orange-red phosphor」中所教示；或基於氮化物之紅光磷 光體材料，諸如吾人於2009年12月7日申請之同在申請中 之美國專利申請案12/632,550中所教示《應瞭解，磷光體 材料不限於本文中所描述之實例且可包含任何磷光體材 料’包括氮化物及/或硫酸鹽磷光體材料、氧氮化物及含 氧硫酸鹽磷光體或石榴石材料（YAG)。 礙光體材料包含粒度為1〇 μm至20 μιη且通常為約15 μιη 之粒子。視用於圖案化磷光體材料之沈積技術而定，磷光 體材料可包含大小為2 μηι至60 μπι之粒子。 在描述本發明之裝置之操作前，將參考圖6描述已知發 光裝置之操作’圖6展示基於LED之發光裝置之示意圖， 其中波長轉換組件14於單一層中包括兩種磷光體材料18、 20之混合物。在操作中，來自lEd 12之波長λ!之藍光22由 光透射黏合劑32傳輸直至其撞擊磷光體材料粒子。咸信平 均1000次光子與磷光體材料粒子之相互作用中僅有1次引 起光致發光之光吸收及產生。光子與磷光體粒子之大多數 (約99.9%)相互作用引起光子散射。由於散射過程之各向 159009.doc -16 - 201251136 同性性質，平均一半的散射光子將沿朝向led返回之方向 傳輸。測試表明通常全部入射藍光的約10%被散射且自波 長轉換組件沿朝向LED返回之方向發射。對於白光發射裝 置，通常選擇磷光體材料量以使得全部入射藍光的約5% 自窗口發射且有功於形成發射產物。裝置經組態而使得大 多數（約85%)入射光22由磷光體材料吸收且作為光致發光 之光24、26被重新發射。由於光致發光之各向同性性質， 約一半的由磷光體材料產生之光24、26將沿朝向LED之方 向被發射。因此，至多約40%的全部光可作為波長λ2、λ3 之光24、26被發射且有功於形成發射產物28，同時至多約 40%的全部光將作為波長λ2、λ3之光24、26沿朝向LED返 回之方向被發射。通常，朝向LED發射之光由光反射腔（未 圖示）重新引導以增加裝置之總效率。 本發明者已認識到，與由磷光體材料18、20吸收來自 LED之較高能量（較短波長）的光22產生之光致發光之光（亦 即藍光22(λ〇轉換為黃光26(λ3)及紅光24(λ2))相同，發射較 長波長（λ〇之磷光體材料18亦可藉由吸收由另一磷光體材 料20產生之較高能量（較短波長）的光（χ3)來激發。此磷光 體間吸收引起黃光26之一部分34轉換為紅光24(λ3—λ2)。 因為光致發光過程始終引起能量損失（斯托克損失（Stokes loss)) ’所以此額外波長轉換引起能量損失及量子效率降 低。 現參考圖7描述根據本發明之發光裝置10之操作，圖7為 說明圖1之裝置之操作的示意圖。本發明之裝置之操作與 159009.doc •17· 201251136 圖6之裝置類似，但由於兩種磷光體材料18、2〇在各別區 域中實體隔開，此實際上消除緊密相鄰之磷光體材料區域 之間的磷光體間吸收。然而，如先前描述，約一半的磷光 體產生之光24、26將自磷光體波長轉換組件14沿朝向lED 12之方向發射且接著由光反射腔3〇重新引導回波長轉換組 件14。在由光反射腔3〇反射後，平均約一半的（實際比例 與磷光體區域之面積比A,:、有關）較高能量（較短波長）之 磷光體產生之光24將入射至含有較長波長（較低能量）之磷 光體材料20之峨光體材料區域上且此會引起磷光體間吸 收。然而應瞭解’與圖6之已知裝置相比，藉由使各別區 域之磷光體材料圖案化，此仍然可使磷光體間吸收之可能 性降低約一半。 圖8展示（a)具有構光體材料圖案之本發明發光裝置及（匕） 具有相同填光體材料之混合物的發光裝置的實測發射光譜 (強度與波長之關係圖）3 8、4 0。兩裝置均經設計以產生具 有目標顏色 C.I.E.(0.437, 0.404)之暖白光（CCT = 3000 K)。 波長轉換組件包含在一面上提供有磷光體材料之2.5ff寸直 徑的聚碳酸酯圓盤（20 mil Lexan® 8010)。對於本發明之f 置，磷光體材料包含維度^=43.5 mm)、W2=55 5 mil( 1.42 mm)及 W3=0.5 mil(0.01 mm)之交替條形圖案（圖 2)(對應於重量比例為78.5%之黃光磷光體材料對比重量比 例為21.5%之紅光磷光體材料）。相比之下，在包含填光體 材料混合物之裝置中，磷光體材料以87.8%黃光碟光體材 料：12_2%紅光磷光體材料之重量比例混合且將鱗光體材 159009.doc •18- 201251136 料混合物網版印刷於聚碳酸酯圓盤上。 如可自圖8之譜圖發現’根據本發明圖案化鱗光體材料 可在較低比例（78.5%而非87.5%)之黃光磷光體材料下產生 實質上相同顏色的發射產物。此與藉由隔開磷光體材料可 降低由紅光磷光體材料吸收之黃光之比例的想法一致。本 發明者進一步發現對於既疋顏色的發射產物，根據本發明 圖案化磷光體材料可提高CRI(顯色指數）-表1。此外，本發 明之裝置及波長轉換組件展示較高發光效率。 表1 發光效率 CRI (a)填光體材料圖案 74.23% 80.6 (b)填光體材料混合物 74.03% 74.6 使磷光體材料位於LED遠端可提供多種效益，亦即減少 磷光體材料之熱降解。此外，與磷光體材料經提供為與 LED晶粒之發光表面直接接觸之裝置相比，在遠端提供峨 光體材料可使LED晶粒對反向散射之光的吸收減少。此 外’使磷光體位於遠端可產生具有更一致的顏色及/或CCT 之光’因為此可使磷光體材料提供於大得多的區域上，而 在將磷光體直接施加於LED晶粒之發光表面時，其區域通 常至少小一個數量級。 如圖9中所示，可預見其他光透射波長轉換組件包括插 於光透射基板16與磷光體材料18、20之層之間的波長選擇 性反射濾波器42。反射濾波器42可包含多層濾波器結構 (諸如雙向色鏡或鏡栅），其經組態而具有反射光（包括由鱗 159009.doc •19· 201251136 光體材料18、20產生之至少為波長、μ之光）之反射波 段，同時允許透射由LED 12產生之波長為λ〗之光。為了消 除緊密相鄰之磷光體材料區域之間的磷光體間吸收，可用 光反射性或光阻斷性材料44填充磷光體區域之間的間隙 30。在操作中，反射濾波器42阻止磷光體轉換之光24、％ 自波長轉換組件沿朝向LED之方向發射，藉此實際上消除 麟光體間吸收，因為磷光體轉換之光將被反射回產生該光 所始於之鱗光體材料區域。此外，應瞭解，填光體材料區 域之間的光反射或光阻斷區域44可消除磷光體材料區域中 與鄰近構光體材料區域緊密相鄰之區域中發生的麟光體間 吸收。在一實例中’材料44可包含可網版印刷之油墨，例 如光反射油墨’其可作為磷光體材料區域之印刷過程之一 部分印刷。或者’其可包含可用於界定用於接收各別磷光 體材料之凹部的光反射金屬。 圖10展示另一光透射波長轉換組件14，其中各磷光體材 料區域1 8、20覆蓋各別波長選擇性反射濾波器區域42a、 42b。在此實施例中，光反射濾波器區域42a經組態以具有 反射由構光體材料18產生之至少為波長λ2之光的反射波 段’同時允許透射由LED 12產生之波長μ之光。相反，光 反射濾波器區域42b經組態以具有反射由磷光體材料2〇產 生之至少為波長λ3之光的反射特性，同時允許透射由led 12產生之波長λ!之光。為各磷光體材料區域提供各別反射 濾波器42a、42b之益處為各濾波器可具有較窄反射波段， 從而使其易於製造》 159009.doc •20- 201251136 圖π展示根據本發明之另一實施例的基於LEd之白光發 射裝置10之示意圖。在此實施例中，波長轉換組件丨4具光 反射性且包含上面施加有璘光體材料18、20之圖案的光反 射表面46。如圖所示’光反射表面46可包含拋物面形表 面’但其可包含任何表面，包括平面、凸表面及凹表面。 為使裝置之光發射最大化，光反射表面之反射率應儘可能 尚且反射率較佳為至少0.9。光反射表面可包含拋光金屬 表面（諸如銀、鋁、鉻）；光反射聚合物；光反射紙或光反 射塗料。為有助於熱消散，光反射表面較佳為具導熱性。 圖11之發光裝置之操作如圖12所說明且未作詳細描述， 因為其與圖7之發光裝置之操作類似。然而，應瞭解，因 為平均多達一半的LED光將兩次穿過磷光體轉化層，因此 與具有光透射波長轉換組件之配置（圖丨）相比，碗光體轉化 層18、20之厚度可為至多一半，亦即t/2。作為在光反射表 面上提供磷光體材料之結果’可在有可能使磷光體材料用 量減少多達50%的同時獲得相同顏φ之發射產物。 圖13為根據本發明之另一光反射波長轉換組件之示意 圖。為了消除緊密相鄰之鱗光體材料區域之間的填光體間 吸收，用光透射性或光阻斷性材料44填充磷光體區域之間 的間隙30。 應瞭解，本發明之發光裝置不限於所描述之例示性實施 例且可在本發明之範疇内作出變化。舉例而言，儘管已關 於基於LED之發光裝置描述本發明’但本發明亦適用於基 於其他固態光發射體（包括固態雷射及雷射二極體）之裝 159009.doc -21. 201251136 置。 【圖式簡單說明】 圖1為根據本發明之一個實施例的基於LED之發光裝置 之示意圖； 圖2為用於圖1之發光裝置的光致發光波長轉換組件之平 面示意圖及側視圖； 圖3為另一種用於圖1之發光裝置的光致發光波長轉換組 件之平面示意圖及側視圖； 圖4為又一種用於圖1之發光裝置的光致發光波長轉換組 件之平面示意圖； 圖5(a)至圖5(d)為說明製造光致發光波長轉換組件之方 法的示意圖； 圖6為說明已知發光裝置之操作原理的示意圖； 圖7為說明圖1之發光裝置之操作原理的示意圖； 圖8為（a)本發明之發光裝置及（b)圖6之已知發光裝置的 相對強度與波長之關係圖； 圖9為用於圖1之發光裝置的根據本發明之又一實施例之 光致發光波長轉換組件之示意圖； 圖10為用於圖1之發光裝置的根據本發明之另一實施例 之光致發光波長轉換組件之示意圖； 圖11為根據本發明之另一實施例的基於led之發光裝置 之不意圖， 圖12為說明圖11之發光裝置之操作原理的示意圖；且 圖13為用於圖11之發光裝置的根據本發明之另一實施例 159009.doc •22· 201251136 之光致發光波長轉換組件之示意圖。 【主要元件符號說明】 10 基於LED之白光發射裝置 12 藍光發射LED 14 光致發光波長轉換組件 16 光透射窗/光透射基板 18 磷光體材料 20 磷光體材料 22{λχ) 波長為1丨之光/藍光 24(λ2) 波長為λ2之光/紅光 26(λ3) 波長為λ3之光/黃光 2Β(λΐ5 λ2, λ3) 裝置之發射產物/勻色發射產物 30 光反射腔/狹窄間隙/間隙 32 光透射黏合劑材料 34 黃光之一部分 38 發射光譜 40 發射光譜 42 波長選擇性反射濾波器 42a 波長選擇性反射濾波器區域 42b 波長選擇性反射濾波器區域 44 光反射性或光阻斷性材料 46 光反射表面 Αι 磷光體材料區域之面積 Α2 磷光體材料區域之面積 159009.doc - 23 - 201251136 s t Ϊ2

Wi W2 W3 Φ 長度 長度 圓形區域之間的最大間隔 層厚度 厚度 厚度 寬度 寬度 寬度 寬度 直徑 159009.doc -24·

Claims (1)

1. 201251136 七、申請專利範圍： 1. 一種發光裝置，其包含：至少一個可操作以產生藍光之 光發射體及包含至少兩種磷光體材料之波長轉換組件， 其中該等磷光體材料係可操作以吸收至少一部分該藍光 且發射不同顏色之光，且其中該裝置之發射產物包含由 β亥至少一個光發射體及該等磷光體材料產生之組合光， 且其中該專填光體材料係經提供為該組件一表面上實質 上非重疊區域之圖案。 2. 如請求項1之發光裝置’其中該磷光體材料區域之總重 疊面積係小於0.1%。 3. 如請求項1之發光裝置，其中磷光體材料區域係由不含 任何磷光體材料之區域隔開。 4·如請求項3之發光裝置，其中該等使磷光體區域隔開之 區域係選自由光透射性、光阻斷性及光反射性區域組成 之群。 5·如請求項2之發光裝置，其中該使磷光體區域隔開之區 域係小於約〇. 5 mm。 6.如請求項1之發光裝置，其中該等磷光體材料區域之一 維度小於約5 mm。 7·如請求項1之發光裝置，其中鄰近磷光體材料區域係經 組態為彼此鄰接。 8. 如請求項1之發光裝置，其中該波長轉換組件係位於距 該至少一個發射體至少5 mm處。 9. 如請求項1之發光裝置，其中該波長轉換組件包含光透 159009.doc 201251136 射基板’在該光透射基板上提供該磷光體材料區域圖案 作為至少一個層。 10.如請求項9之發光裝置，其進一步包含波長選擇性反射 濾波器，其經組態以至少對由該等磷光體材料產生之光 波長呈反射性且對由該至少一個光發射體產生之光實質 上呈透射性。 1 1 _如請求項1 〇之發光裝置’其中該波長選擇性反射濾波器 包含與各磷光體材料相關聯的各別反射濾波器，其中與 第一麟光體材料相關聯之反射濾、波器係經組態以至少對 由該第一磷光體材料產生之光波長呈反射性且對由該至 少一個光發射體產生之光實質上呈透射性，且其中與第 二麟光體材料相關聯之反射濾波器係經組態以至少對由 該第二磷光體材料產生之光波長呈反射性且對由該至少 一個光發射體產生之光實質上呈透射性。 12.如請求項1〇之發光裝置，其中該反射濾波器係位於該光 透射基板與該等峨光體材料區域之間。 13·如請求項9之發光裝置，其中使用選自由網版印刷、喷 墨印刷、凸版印刷、凹版印刷及柔版印刷組成之群的方 法在該基板上提供該磷光體材料區域圖案。 14.如請求項9之發光裝置，其中該光透射基板係選自由丙 烯酸系樹脂、聚碳酸酯、環氧樹脂、聚矽氧及玻璃組成 之群。 15·如請求項丨之發光裝置，其中該波長轉換組件包含光反 射表面，在該光反射表面上提供該磷光體材料區域圖案 159009.doc 201251136 作為至少一個層。 16.如請求項15之發光裝置，其中使用選自由網版印刷、喷 墨印刷、凸版印刷、凹版印刷及柔版印刷組成之群的方 法在該光反射表面上提供該填光體材料區域圖案。 .丨7·如請求項16之發光裝置，其中該光反射表面之反射率為 至少0.9。 18. 如請求項16之發光裝置，其中該光反射表面係選自由 銀、鋁、鉻、光反射聚合物、光反射紙、光反射塗料及 光反射金屬組成之群。 19. 如請求項1之發光裝置，其中該至少一個光發射體包含 LED，該LED可操作以產生具有處於38〇 nm至 480 nm波 長範圍内之峰值波長的藍光。 20. —種波長轉換組件，其係用於轉換由光發射體產生之光 的波長’在其一表面上包含經組態為實質上非重疊區域 之圖案的至少兩種峨光體材料。 21. 如請求項20之波長轉換組件，其中該填光體材料區域之 總重疊面積係小於〇. 1 〇/。。 22. 如請求項20之波長轉換組件，其中鄰近磷光體材料區域 係由不含任何磷光體材料之區域隔開。 ' 23.如請求項22之波長轉換組件，其中該等使鄰近磷光體區 域隔開之區域係選自由光透射性、光阻斷性及光反射性 區域組成之群。 24.如請求項22之波長轉換組件，其中該使鄰近磷光體區域 隔開之區域係小於約〇. 5 mm。 159009.doc 201251136 25. 如請求項20之波長轉換組件，其中該等磷光體材料區域 之一維度小於約5 mm。 26. 如請求項20之波長轉換組件，其中鄰近磷光體材料區域 係經組態為彼此鄰接。 27. 如請求項20之波長轉換組件’其包含光透射基板，在該 光透射基板上提供該磷光體材料區域圖案作為至少一個 層。 28. 如請求項27之波長轉換組件，其進一步包含波長選擇性 反射濾波器，其經組態以至少對由該等磷光體材料產生 之光波長呈反射性且對由該至少一個光發射體產生之光 實質上呈透射性。 29. 如請求項28之波長轉換組件’其中該波長選擇性反射濾 波器包含與各磷光體材料相關聯的各別反射濾波器，其 中與第一鱗光體材料相關聯之反射渡波器係經組態以至 少對由該第一磷光體材料產生之光波長呈反射性且對由 該至少一個光發射體產生之光實質上呈透射性，且其中 與第二填光體材料相關聯之反射遽波器係經組態以至少 對由該第二磷光體材料產生之光波長呈反射性且對由該 至少一個光發射體產生之光實質上呈透射性。 3 0.如請求項28之波長轉換組件，其中該波長選擇性反射濾 波器係位於該光透射基板與該等磷光體材料區域之間。 3 1.如請求項27之波長轉換組件，其中使用選自由網版印 刷、喷墨印刷、凸版印刷、凹版印刷及柔版印刷組成之 群的方法在該基板上提供該磷光體材料區域圖案。 159009.doc 201251136 32. 33. 34. 35. 36. 如請求項27之波長轉換組件’其中該光透射基板係選自 由丙烯酸系樹脂、聚碳酸酯、環氧樹脂、聚矽氧及玻璃 組成之群。 如請求項20之波長轉換組件，其包含光反射表面，在該 光反射表面上提供該磷光體材料區域圖案作為至少一個 層0 如請求項33之波長轉換組件，其中使用選自由網版印 刷、喷墨印刷、凸版印刷、凹版印刷及柔版印刷組成之 群的方法在該光反射表面上提供該磷光體材料區域圖 案。 如請求項33之波長轉換組件，其中該光反射表面之反射 率為至少0.9。 如請求項33之波長轉換組件，其中該光反射表面係選自 由銀、銘、鉻、光反射聚合物、光反射紙、光反射塗料 及光反射金屬組成之群。 159009.doc