TW201403878A - 一種發光元件 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種發光元件，其包含一發光二極體晶片以及一能量轉換層，其中能量轉換層包含複數個含硫無鎘量子點以及複數個螢光粉，且該複數個含硫量子點被激發會產生紅光，而該複數個螢光粉被激發會產生特定波長範圍光線；另外，該能量轉換層置於可接收該發光二極體晶片發出之光線的位置，並將至少一部分接收來自發光二極體之光線轉換成其他波長範圍光線，如此本發明之發光元件可產生特定光色光源或高演色性之白光，並且不會因使用含鎘材料而危害健康。

Description

一種發光元件

    本發明係一種發光元件，尤指一種具含硫量子點及螢光粉之發光元件。

    發光二極體（Light Emitting Diodes；LEDs）為一種半導體材料製成之固態發光元件，具有小尺寸、低功耗和高可靠性之特點。其係使用磷化鎵、氮化鎵等III-V族化學元素之組合，透過將此化合物半導體施加電壓，使電洞與電子於不同之電極電壓作用下相遇而產生復合，此時電子會降落至較低能階，同時以光子的模式釋放，讓電能轉換為光能，達成發光的效果。
    日本日亞(Nichia)化學公司於1996年申請之美國專利號US 5998925係揭示一種以藍光發光二極體晶片激發鈰摻雜之釔鋁石榴石(Cerium-doped yttrium aluminum garnet；Y₃Al₅O₁₂:Ce；YAG:Ce)螢光粉，其可產生黃色之放光，而此黃光會與發光二極體所產生之藍光混合產生白光。此種白光發光元件的優點為製作方法簡單且成本較低，目前已成為市場發展之主流，然因其光譜缺少紅光成分，故演色性(Color Rendering Index；CRI)並不佳。
    就演色性而言，若僅使用傳統之藍光LED晶片激發黃色螢光粉，其演色性將會低於80。解決方法之一係於製備LED發光元件時使用多元之螢光粉，例如於美國專利公開號US 2010/0163896中揭示了使用藍光LED激發黃色與紅色螢光粉，以及於美國專利號US 6252254揭示了使用藍光LED激發綠色與紅色螢光粉，其演色性將可高於80。但此些裝置之缺點為紅色螢光粉之顆粒普遍較小，於封裝時造成紅色螢光粉較易懸浮於上方而其他螢光粉則沉降至下方，而導致效率降低。
    量子點(Quantum Dots；QDs)為一種奈米晶體(Nanocrystals)半導體材料，是由Ⅱ-Ⅵ、Ⅲ-Ⅴ或 I-III-VI族元素所組成，其與一般塊狀(Bulk)半導體特性不同。量子點晶粒直徑大約2~10 奈米，相當於10~50個原子寬度。通常塊狀半導體之價電帶(Valence band)及導電帶(Conduction band)之能階是呈現連續性狀態；然而量子點晶粒小，價電帶及導電帶之能階都是呈現不連續狀態，此物理現象為量子侷限效應(Quantum confinement)。量子點自1980年代開始被科學家關注及研究，於1993年已被成功合成高品質之鎘化合物，例如硫化鎘、硒化鎘等，加速此領域之發展。又因量子點有不同尺寸大小，故可設置不同波段位置之量子點，藉由其單一波長與高量子效率之優點，作為極佳的發光材料。
    然而，過去已有廣泛研究顯示鎘化合物之量子點尚具許多缺點，其因含鎘元素，造成生物健康及環境之危害。因此本發明提出一種有使用含硫量子點之發光元件，其不含鎘元素且係為具高演色性之白光發光元件。

    本發明之主要目的，係提供一種具含硫量子點及螢光粉之發光元件，其係於能量轉換層中添加含硫量子點，讓發光二極體晶片所發出之光線可以激發含硫量子點發出紅光，並搭配使用螢光粉組合達成使本發明之發光元件可以發白光的表現。
    本發明之另一目的，係提供一種具含硫量子點及螢光粉之發光元件，其所使用的量子點為一殼核之結構，外殼為硫化鋅、內核為硫化銅銦，並不含鎘元素，因此不會造成生物體健康以及環境的危害，具有環保性。
    為了達到上述之目的，本發明揭示了一種具含硫量子點及螢光粉之發光元件，其係包含：一發光二極體晶片；以及一能量轉換層，置於可接收該發光二極體晶片所發出光線之位置，其係為包含複數個含硫量子點以及複數個螢光粉之一膠體；其中，該發光二極體晶片發出之光線、該複數個含硫量子點被激發產生之紅光，以及該複數個螢光粉被激發產生之特定波長範圍光線經混合後，可產生白光。透過使用此含硫量子點之作用，發光元件的演色性將可因紅光部分被補足而獲得提升。

    為使　貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：
    由於演色性之高低決定發光元件能否提供使用者舒適之照明，因此在一般發光二極體構成的發光元件演色性不足之下，本發明針對此一不足之處，提供此具含硫量子點及螢光粉之發光元件，以其良好的演色性和環保性取代過往產品。
    首先，請參考第一圖，本發明實施例發光元件的主要結構包含了一基板1；一發光二極體晶片2；一能量轉換層3；複數個含硫量子點31；複數個螢光粉32以及一膠體33。
    於此圖的實施例中，發光二極體晶片2係為一藍光發光二極體晶片並設置於基板1之上，而能量轉換層3則包覆此發光二極體晶片2的表面。此能量轉換層3的主體是膠體33，當中則摻雜或均勻散布著含硫量子點31以及螢光粉32。
    於本實施例中，基板1是為了承載具有發光能力的物件，其亦能兼具有散熱的功能，可選擇使用陶瓷基板、碳化矽基板或氮化鋁基板等。
    發光二極體晶片2係為習知的元件，其由上而下依序具有第一半導體層、發光層以及第二半導體層，係由氮化鎵（GaN）和氮化銦鎵（InGaN）等材料所構成，透過施以正向電壓，發光層將可產生藍光、紫光或紫外光等特定波長範圍光線。於本實施例中，係採用此藍光發光二極體晶片2以和其他色光混色後使發光元件得到發白光的效果。
    本發明實施例的能量轉換層3的組成，其係在透過膠體33將藍光發光二極體晶片2封裝的同時，均勻混入或摻雜了含硫量子點31以及螢光粉32於其中。此含硫量子點31為包含選擇自銅、銦、銅銦之同族元素或其組合的硫化物，如硫化銅銦(CuInS₂)所構成，並不含有可能危害健康的鎘元素，而其較佳的構成方式是以包含選擇自鋅或鋅之同族元素的硫化物為外殼的方式，如以硫化鋅(ZnS)作外殼，包覆以包含選擇自銅、銦、銅銦之同族元素或其組合的硫化物所組成的內核，如硫化銅銦作內核。而此具殼核結構的含硫量子點31的粒徑大小約為3~6奈米。此部分可參考第二圖，其係為本發明所設置的含硫量子點透過高解析掃描式電子顯微鏡圖。
    藍光發光二極體晶片2的發光層獲得正向電壓後，會產生藍光向外行進，而其在行進中將會通過能量轉換層3。請參考第三圖的示意，當此藍光遇上含硫量子點31後，此含硫量子點31將會受到激發而產生紅光。另可參考第四圖，其係揭示了含硫量子點CuInS₂/ZnS的吸收與放射光譜，其確實會發出波長範圍約580~650奈米的紅光。
    能量轉換層3除了含硫量子點31以外，還含有黃色或綠色螢光粉32，此螢光粉的粒徑大小約為5~20微米。含硫量子點31與此螢光粉32一起添加於能量轉換層3的數量比例可以根據使用者設計或光色需求等使用等於或近似於1比2或2比1的比例。此螢光粉32係為一種氧化物或氮化物，例如釔鋁石榴石系螢光體(Y₃Al₅O₁₂:Ce；YAG:Ce)、矽酸鹽系螢光體(Sr₂SiO₄:Eu、Ba₂SiO₄:Eu)等氧化物，或包含選擇自鑭系、矽、鋁、氧、鑭矽鋁氧之同族元素或其組合的氮化物，如La₃Si₆N₁₁:Ce、β-SiAlON:Eu等氮化物所組成，可受藍光發光二極體晶片2的照射激發而產生特定波長範圍之光線。
    再請參考第三圖，在藍色發光二極體晶片2所提供的藍光、含硫量子點31受激發而產生之紅光以及螢光粉32受激發而產生之黃光混合之下，最終離開能量轉換層3之光線將混合表現使發光元件成白光發光源，且具有高演色性，適合用於照明。另外，第三圖中的藍、紅、黃等色光路徑為示意之用，使用者所觀察到的光線實為三者已混和後之白光。
    接著，請參考第五A圖，其係為使用藍光發光二極體晶片2單獨激發黃色螢光粉32之發光元件（下稱為A形式）之電激光譜圖，其演色性僅有76，並未達到80的水準。相較之下，請參考第五B圖，其係為使用藍光發光二極體2激發同時具有含硫量子點31以及螢光粉32之發光元件(下稱為B形式)之電激光譜圖，如圖所示，其演色性突破了80的門檻而來到86，有明顯的提升，證實具有良好的效果。
    請參考第六圖，其係為第A形式和B形式在色度圖上的座標差異，如圖所示，A形式為前述演色性較低的發光元件，其座標為(0.3016，0.3259)；B形式為前述演色性較高的發光元件，也就是本發明的技術內容，其座標為(0.3370，0.3073)兩者所表現的色度並不相同。
    除了結構闡釋以及功效舉證以外，此具含硫量子點及螢光粉之發光元件的製作程序，在此一併揭示如下：
步驟S1：分散含硫量子點於氯仿中，並和膠體混合，形成一量子點膠；
步驟S2：加入螢光粉於量子點膠中並混合均勻，形成一混和膠，其中，螢光粉與含硫量子點的數量比例為1：2，而螢光粉以及含硫量子點兩者，其與膠體之重量百分比為12；
步驟S3：放置混合膠於真空消泡機中進行消泡，此消泡過程之儀器參數為：轉速400 rpm，壓力0.2MPa，時間4分鐘；
步驟S4：放置消泡後之混合膠於針筒中，並利用點膠機將混合膠設置於藍光發光二極體晶片上；
步驟S5：烘烤該覆蓋有混合膠之元件於烘箱，溫度為80度，時間2小時；以及
步驟S6：提升烘烤溫度至150度，時間1小時。
    透過此些步驟，即可獲得本發明所揭示之具含硫量子點及螢光粉之發光元件，其可透過含硫量子點提供原本一般發光元件所缺乏的紅光，因而提升其演色性，讓此白光發光元件給予使用者更舒適的照明環境；並且本發明所採用的材料並不含鎘元素，符合環保上的需求，有利推廣於高環保檢驗標準的地區和應用範圍，具有實質的經濟效益。
    惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1．．．基板

2．．．發光二極體晶片

3．．．能量轉換層

31．．．含硫量子點

32．．．螢光粉

33．．．膠體

第一圖：其係為本發明之一較佳實施例之結構示意圖；
第二圖：其係為本發明之一較佳實施例之含硫量子點之掃描式電子顯微鏡圖；
第三圖：其係為本發明之一較佳實施例之各色光線產生示意圖；
第四圖：其係為本發明之一較佳實施例之含硫量子點之吸收與放光光譜圖；
第五A圖：其係為先前技術之電激光譜圖；
第五B圖：其係為本發明之一較佳實施例之電激光譜圖；以及
第六圖：其係為先前技術與本發明之一較佳實施例之色度比較。

1．．．基板

2．．．發光二極體晶片

3．．．能量轉換層

31．．．含硫量子點

32．．．螢光粉

33．．．膠體

Claims (19)

1. 一種發光元件，其係包含：
   一發光二極體晶片；以及
   一能量轉換層，係包含複數個含硫量子點以及複數個螢光粉，且該複數個含硫量子點被激發會產生紅光，該複數個螢光粉被激發會產生特定波長範圍光線；
   其中，該能量轉換層置於可接收該發光二極體晶片發出之光線的位置，並將至少一部分接收來自該發光二極體晶片所發出光線轉換成其他波長範圍光線。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其進一步包含一基板，設置於該發光二極體晶片之下。
3. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個含硫量子點係為包含選擇自銅、銦、銅銦之同族元素或其組合的硫化物。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個含硫量子點係為硫化銅銦(CuInS₂)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個含硫量子點係包含一外殼以及一內核。
6. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該外殼係為包含選擇自鋅或鋅之同族元素的硫化物。
7. 如申請專利範圍第6項所述之發光元件，其中該外殼係為硫化鋅(ZnS)。
8. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該內核係為包含選擇自銅、銦、銅銦之同族元素或其組合的硫化物。
9. 如申請專利範圍第5項所述之發光元件，其中該內核係為硫化銅銦。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個含硫量子點之粒徑大小為3~6奈米。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個螢光粉之粒徑大小為5~20微米。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該能量轉換層中，該複數個含硫量子點與該複數個螢光粉之數量比例係等於或近似於2:1或1:2。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該複數個螢光粉係為一氧化物或一氮化物。
14. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該氧化物係為釔鋁石榴石系螢光體或矽酸鹽系螢光體。
15. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該氮化物係為包含選擇自鑭系、矽、鋁、氧、鑭矽鋁氧之同族元素或其組合的氮化物。
16. 如申請專利範圍第13項所述之發光元件，其中該氮化物係為La₃Si₆N₁₁:Ce或β-SiAlON:Eu。
17. 如申請專利範圍第1項所述之發光元件，其中該能量轉換層係為不含鎘。
18. 如申請專利範圍第17項所述之發光元件，其中該發光二極體晶片係為發藍光。
19. 如申請專利範圍第18項所述之發光元件，其中該複數個螢光粉被激發會產生黃光或綠光。