TW201510178A - 用於發光裝置之磷光體組件 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示用於製造發光裝置之方法。該發光裝置包含發光二極體(LED)。該方法包含佈置以輻射方式耦合至該LED之分層磷光體複合物或厚磷光體複合物以形成發光裝置。該分層磷光體複合物在包含錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之第二磷光體層上包含包括發黃光磷光體之第一磷光體層。該第二磷光體層經佈置更靠近該LED。此發光裝置之該PFS之質量比參考發光裝置的該PFS之質量小至少15%，該參考發光裝置具有與下文所提及之發光裝置相同之色溫，但包含PFS與該發黃光磷光體之摻合物而非分層組態或具有減小的厚度。
Description
本發明概言之係關於發光裝置。更具體而言，本發明係關於磷光體粉末在包含發光二極體(LED)之發光裝置中之組件。
發光二極體(LED)係通常用作其他光源(例如白熾燈)之替代品之半導體光發射器。LED所產生光之色彩取決於其製造中所用半導體材料之類型。業內已自III-V族合金(例如氮化鎵(GaN))來製造有色半導體發光裝置，包含發光二極體及雷射(二者在本文中通常稱為LED)。在基於GaN之LED中，光通常係在電磁光譜之UV及/或藍光範圍內發射。
在一項將LED發射之光轉換成有用光之技術中，LED塗覆或覆蓋有磷光體層。一些磷光體因應電磁輻射之激發而發射處於電磁光譜之可見部分中之輻射。
藉由插入由LED產生之輻射激發之磷光體，可產生處於光譜之可見範圍內不同波長之光。通常需要有色LED來產生自定義色彩及較高發光度。除有色LED外，可使用LED產生之光與磷光體產生之光的組合來產生白光。最流行之白光LED係由發藍光之GaInN晶片組成。該等發藍光之晶片塗覆有將一些藍光輻射轉換成互補色(例如黃綠發射或黃綠與紅光發射之組合)之磷光體。總而言之，藍光、黃綠及紅光輻射產生白光。業內亦存在利用發射UV之晶片及經設計以將UV輻射轉換成可見光之磷光體摻合物(包含發紅光、綠光及藍光之磷光體)的
白光LED。
磷光體通常包含稀土元素。世界範圍內稀土化合物之集中礦床有限，此導致該等材料稀少且成本較高。用於在LED裝置中產生白光之磷光體的成本係該裝置價格之極重要部分。因此，業內需要減小磷光體質量而不降低其中使用磷光體之裝置的光品質及效率。
在一實施例中，揭示製造發光裝置之方法。發光裝置包含發光二極體(LED)。該方法包含佈置以輻射方式耦合至LED之分層磷光體複合物以形成發光裝置。分層磷光體複合物在包含錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之第二磷光體層上包含包括發黃光磷光體之第一磷光體層。第二磷光體層經佈置更靠近LED。此發光裝置之PFS之質量比參考發光裝置中PFS之質量小至少15%，該參考發光裝置具有與上文所提及之發光裝置相同之色溫，但包含PFS與發黃光磷光體之摻合物而非分層組態。
在一實施例中，揭示製造發光裝置之方法。發光裝置包含發光二極體(LED)。該方法包含佈置以輻射方式耦合至LED之磷光體複合物以形成發光裝置，以使得該磷光體複合物包含基質材料及包含錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之磷光體。所佈置磷光體複合物具有介於約50微米至約5毫米範圍內之厚度，且磷光體之質量比參考發光裝置中磷光體的質量小至少15%，該參考發光裝置具有與上文所提及之發光裝置相同之色溫，但磷光體複合物厚度小於約15微米。
在另一實施例中，揭示製造包含發光二極體(LED)之發光裝置之方法。該方法包含在聚矽氧基質中形成具有發黃光磷光體之第一磷光體層；部分固化第一層；在聚矽氧基質中形成具有錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之第二磷光體層；將第一層與第二層固化在一起；及將所固化之第一及第二層遠離佈置在LED上，以使得第二層經佈置比第一層更
靠近LED。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧發光二極體(LED)晶片
14‧‧‧導線
16‧‧‧導線框架
18‧‧‧殼
20‧‧‧囊封劑材料
22‧‧‧磷光體
26‧‧‧白光
28‧‧‧輻射
30‧‧‧磷光體複合物
32‧‧‧容積
60‧‧‧厚組態
62‧‧‧第一層
64‧‧‧第二層
70‧‧‧薄組態
72‧‧‧黑體
74‧‧‧3000K色溫線
80‧‧‧分層組態
82‧‧‧磷光體複合物/帶
86‧‧‧厚度
88‧‧‧厚度
90‧‧‧分層組態
當參考附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明之該等及其他特徵、態樣及優點。
圖1係發光裝置之示意性剖視圖；圖2係根據本發明之一實施例之發光裝置之示意性剖視圖；圖3繪示根據本發明之一實施例之一些磷光體層配置之剖視圖；且圖4繪示圖3中所顯示實例之不同組態之色坐標。
本發明實施例包含在發光裝置中配置磷光體之方法以使得可減小任何所需磷光體之質量。
可應用如本文中貫穿本說明書及申請專利範圍使用之近似語言來修飾任一定量表示，其可獲準地變化而不導致與其相關之基本功能改變。因此，由一或多個術語(例如「約」)修飾之值並不限於所指定之精確值。在一些情況下，近似語言可對應於用於量測該值之儀器之精確度。
除非上下文另外明確表示，否則在以下說明書及隨附申請專利範圍中，單數形式「一」(「a」、「an」)及「該」包含複數個指示物。
磷光體係吸收電磁光譜之一部分中之輻射能量且發射電磁光譜之另一部分中的能量之發光材料。磷光體材料可將UV或藍光輻射轉換成較低能量之可見光。所產生可見光之色彩取決於所使用之磷光體材料。磷光體可包含僅單一磷光體材料或兩種或更多種基本色磷光體，例如含有黃光及紅光磷光體中之一或多者之具體混合物，以發射期望色彩(色調)之光。
參考圖1，顯示本發明一實施例之發光裝置10。發光裝置10包括
半導體UV或藍光輻射源，例如發光二極體(LED)晶片12及電附接至LED晶片之導線14。導線14可包括藉由較粗導線框架16支撐之細線，或導線可包括自支撐電極並可省略導線框架。導線14向LED晶片12提供電流，且因此使LED晶片12發射輻射。
燈可包含在將其發射之輻射引導至磷光體上時能夠產生白光之任何半導體藍光或UV光源。在一些實施例中，半導體光源係摻雜有多種雜質之發藍光LED。因此，LED可係基於任何適宜III-V、II-VI或IV-IV半導體層且具有約250nm至550nm之發射波長之半導體二極體。具體而言，LED可含有至少一個包括GaN、ZnSe或SiC之半導體層。例如，LED可包括由式IniGajAlkN(其中0i；0j；0k且i+j+k=1)表示之具有大於約250nm且小於約550nm之發射波長之氮化物化合物半導體。具體而言，晶片可係具有約400nm至約500nm之峰值發射波長之近UV或發藍光LED。該等LED半導體為業內已知。為方便起見，在本文中將輻射源闡述為LED。然而，如本文所使用，該術語意欲涵蓋所有半導體輻射源，包含例如半導體雷射二極體。
可將LED晶片12囊封於殼18內，該殼封閉LED晶片及囊封劑材料20。殼18可為例如玻璃或塑膠。較佳地，LED晶片12實質上在囊封劑20之中心。囊封劑材料20較佳為環氧化物、塑膠、低溫玻璃、聚合物、熱塑性、熱固性材料、樹脂、聚矽氧或如業內已知之其他類型之LED囊封劑材料。視情況，囊封劑20為旋塗玻璃或一些其他高折射率材料。囊封劑材料20可為環氧化物或聚合物材料(例如聚矽氧)。殼18及囊封劑20二者較佳對LED晶片12所產生光之波長透明或實質上透光，且進一步對LED晶片12與磷光體22之組合所產生光之波長透明或實質上透光。
如本文所使用，術語「磷光體」意欲包含單一磷光體材料及磷光體材料群二者。此外，磷光體22可包含一或多種磷光體材料或呈具
體順序之兩種或更多種磷光體材料之配置。如本文所使用，「磷光體材料」係藉由吸收UV或可見區中之能量來發射可見區中之光的特定化合物。磷光體可包含一或多種不同的磷光體材料。例如，紅光磷光體可包含一或多種在紅光波長區域中發射之不同磷光體材料。
另一選擇為，發光裝置10可僅包含不具外殼18之囊封劑材料。LED晶片12可由例如導線框架16、自支撐電極、殼18之底部或安裝於殼或導線框架之底座(未顯示)來支撐。在一些實施例中，將LED晶片12安裝在反射杯(未顯示)中。該杯可自反射材料(例如氧化鋁、二氧化鈦或業內已知之其他介電粉末)製造或經其塗覆。反射材料之實例為氧化鋁。
可將磷光體22散佈於囊封劑材料20內。可將磷光體(呈粉末形式)散佈於囊封劑材料20之單一區域(未顯示)中或囊封劑材料之整個體積中。來自LED晶片12之UV/藍光輻射可由磷光體22完全或部分地吸收並在可見區中重新發射。在一實施例中，遠離LED附近配置磷光體22。如本文所定義，「遠離」意指不存在直接物理接觸。因此，磷光體22不與LED晶片12直接物理接觸，但以輻射方式耦合至LED晶片12。如本文所使用，「以輻射方式耦合」意指來自LED晶片12之輻射28之至少一部分由磷光體22吸收。磷光體22部分地吸收LED晶片12發射之光，自磷光體發射之光可與LED晶片12發射之未吸收光混合且以來自發光裝置10之白光26呈現。在圖2所顯示之一特定實施例中，將磷光體22與囊封劑材料20混合以形成磷光體複合物30。磷光體複合物30可包含呈粉末形式之磷光體22及作為基質之囊封劑材料。基質材料可包含聚矽氧、聚合物、玻璃或該等之任何組合。在一實施例中，遠離LED附近配置磷光體複合物30。在此實施例中，囊封劑材料20可僅覆蓋其中形成磷光體複合物30之體積的一部分。LED晶片12與磷光體複合物30之間之容積32可由空氣或真空來填充。
在一實施例中，磷光體22係以具體組態組裝於發光裝置10中。發現以不同組態而非已知組態組裝磷光體22會減小用於發射某一品質之光之一些或所有磷光體的所需質量。組裝磷光體之組態可包含改變系統10中磷光體複合物30之厚度、在複合物30中以分層組態配置磷光體或改變厚度及分層配置二者。
在一組態中，發光裝置10中磷光體複合物30之厚度大於具有磷光體22及LED晶片12之類似發光裝置中之磷光體複合物。當磷光體複合物30之厚度增加時，為吸收固定量之LED輻射且達到特定色點所需之磷光體22之總質量顯著減小。在此實施例中，即使所用磷光體顯著減少，所發射光之品質(色點、顯色指數(CRI)及效率)亦無變化。此觀察極其出人意料，此乃因通常由磷光體吸收之LED輻射及發射之輻射的總量應僅取決於磷光體複合物30內磷光體22之總質量。
在一實施例中，磷光體22之質量對囊封於囊封劑材料20中之磷光體厚度的比率介於約150mg/mm至約630mg/mm範圍內。倘若使用聚矽氧材料作為基質，則磷光體複合物30具有以介於約50微米至約5毫米範圍內之厚度分散之磷光體22，該分散係使用比在發光裝置10之較薄磷光體複合物中獲得相同的光品質所需之磷光體少約20重量%之磷光體來達成。若在恆定正面面積A之磷光體複合物30中磷光體22之質量為「M」，且厚度為「T」，則在一實施例中，磷光體22之密度M/(AT)介於約0.25g/cm3至約1.10g/cm3範圍內。此外，密度M/AT可介於約0.25g/cm3至約0.75g/cm3範圍內。
磷光體複合物30可包含一種以上之磷光體22，其各自發射不同波長之光。磷光體22可均勻分佈於磷光體複合物30中，或可以分級組態來配置。
在一實施例中，磷光體複合物30係不同磷光體之特定配置。在實例性實施例中，磷光體複合物30包含一個以上之層，每一層皆具有
至少一種磷光體。磷光體複合物30可呈具有至少兩層(例如第一層(未顯示)及第二層(未顯示))之分層形式。第一及第二層之磷光體組合在一起形成磷光體複合物30之磷光體22。第一層可具有第一磷光體且第二層可具有第二磷光體。在一實施例中，磷光體複合物30包含第一磷光體，其經組態以自LED晶片12吸收能量並在不同於自LED晶片12吸收能量之第二磷光體之發射波長範圍的波長範圍內發射。例如，第一磷光體層可具有包含一或多種發紅光磷光體材料之發紅光磷光體。類似地，第二磷光體層可具有包含一或多種發黃光或綠光磷光體材料之發黃光或黃綠光磷光體。在一實施例中，第一磷光體層實質上覆蓋第二磷光體層以使得第二磷光體層發射之光穿過第一磷光體層。
在一實施例中，包含第二磷光體之第二層比包含第一磷光體之第一層更靠近LED晶片12。第二磷光體可發射與發射較短波長光之第一磷光體相比較長波長之光。另一選擇為，第二磷光體可發射與發射較長波長光之第一磷光體相比較短波長之光。在一實施例中，第一磷光體藉由自藍光LED晶片12吸收能量在紅光區域中發射，且第二磷光體藉由自LED晶片12吸收能量在黃光或綠光區域中發射。另一選擇為，藉由自藍光LED晶片12吸收能量，第一磷光體可在黃光或綠光區域中發射且第二磷光體可在紅光區域中發射。
發綠光或黃光之磷光體材料可包含一或多種銪摻雜或鈰摻雜稀土元素氧化物或氧氮化物磷光體。適宜材料之實例包含(Sr,Ba,Ca)2SiO4：Eu2+、(Y,Lu,Gd,Tb)3(Al,Ga)5O12：Ce3+、(Ca,Lu)3(Sc,Mg)2Si3O12：Ce3+及(Sr,Ca)3(Al,Si)O4(F,O)：Ce3。
發紅光磷光體材料可包含Mn4+摻雜之錯合氟化物磷光體。Mn4+摻雜磷光體之實例包含K2[SiF6]：Mn4+、K2[TiF6]：Mn4+、K2[SnF6]：Mn4+、Cs2[TiF6]、Rb2[TiF6]、Cs2[SiF6]、Rb2[SiF6]、Na2[TiF6]：Mn4+、Na2[ZrF6]：Mn4+、K3[ZrF7]：Mn4+、K3[BiF6]：Mn4+、
K3[YF6]：Mn4+、K3[LaF6]：Mn4+、K3[GdF6]：Mn4+、K3[NbF7]：Mn4+、K3[TaF7]：Mn4+。在具體實施例中，發紅光磷光體係具有式K2SiF6：Mn4+之錳摻雜氟矽酸鉀。
如藉由光散射量測之磷光體粒子之中值粒徑可為約0.1微米至約80微米。本文所闡述之磷光體材料市面有售，或製備磷光體材料之方法闡述於文獻中，例如藉由組合作為起始材料之例如元素氧化物、碳酸鹽及/或氫氧化物之固態反應方法。
與磷光體複合物30中將第一及第二磷光體摻和在一起配置相比，當第一及第二磷光體以分層方式配置時，以等效功效發射具體色點及CRI的光所需之磷光體質量的量較少。因此，兩個單獨層中第一及第二磷光體之總質量小於單一層中第一及第二磷光體之摻合物的總質量。
在具體實施例中，進一步發現，當以分層方式置放時，與磷光體摻合物中第二磷光體之質量相比，可顯著減小第二層(其最靠近LED晶片12)中第二磷光體之質量，而不使複合物30之色彩品質及功效發生任何變化。此外，與磷光體摻合物相比，可稍微增加第一層中第一磷光體之所需質量，且可顯著減小第二層中第二磷光體之質量，而使用磷光體複合物30之照明系統之光品質或功效不具任何可觀察到之變化。
通常，磷光體複合物30中每一個別磷光體之比率可端視期望光輸出之特徵而變化。可調節不同實施例中個別磷光體之相對比例，以使得當將其發射摻和並用於LED照明裝置中時，在CIE色度圖上產生預定x及y值之可見光。如上所述，較佳產生白光。此白光可具有例如介於約0.30至約0.55範圍內之x值及介於約0.30至約0.55範圍內之y值。在一實施例中，第一磷光體質量對第二磷光體質量在裝置10中之比率大於在包括於磷光體複合物中呈摻合物形式之第一及第二磷光體
之發光裝置10中的比率。
在一實施例中，在具有第一及第二層分別具有第一及第二磷光體之磷光體複合物30之裝置中，第二磷光體之質量比具有於磷光體複合物中呈摻合物形式之第一及第二磷光體的發光裝置中第二磷光體之質量小至少20%。在一實施例中，可使用一種以上之基質來對發光裝置10中之磷光體複合物30分層。此外，第一及第二層可具有不同的基質且具有不同的磷光體。
可藉由任何適宜方法將磷光體複合物30沈積在發光裝置10中。例如，可形成磷光體之懸浮液且將其作為磷光體層施加至發光裝置10之殼18中。在一該方法中，將磷光體粒子懸浮於基質中之聚矽氧漿液塗覆在圍繞LED之殼18上。殼18及基質二者皆可透明以允許可見光透過彼等元件。
在製造分層磷光體複合物30之發光裝置之一方法中，使用導線14安裝LED，且遠離LED周圍沈積第一及第二磷光體層。若將磷光體22散佈在基質材料內，則可將磷光體22添加至聚合物前驅物中，該前驅物可經固化，且然後可將磷光體複合物遠離LED晶片12周圍放置。
在一實施例中，將複合物30之包含第一磷光體之第一層與基質材料混合，且沈積在殼18之內部上方並部分固化。可將複合物30之在基質中包括第二磷光體之第二層沈積在部分固化之第一磷光體層上，且然後可將第一及第二磷光體層固化在一起。第一及第二層可經佈置以使得第二層經配置比第一層最靠近LED或反之亦然。亦可使用其他已知之磷光體散佈方法，例如轉移負載。
以下實例闡釋特定實施例之方法、材料及結果，且因此不應理解為對申請專利範圍加以限制。所有組份可自普通化學品供應商購得。
圖3(A、B、C、D)繪示一些所研究之遠離磷光體組態之實例。所使用磷光體係發紅光K2SiF6：Mn4+(PFS)及發綠光/黃光(Sr,Ca)3(Al,Si)O4(F,O)：Ce3+(SASOF)。比較呈厚組態60(圖3A)與薄70組態(圖3B)之該等磷光體之摻合物。此外，比較發黃光磷光體更靠近LED之分層組態80(圖3C)與發紅光磷光體更靠近LED之分層組態90(圖3D)。因此，在組態80中，第一層62含有發紅光磷光體且第二層(更靠近LED)64含有發黃光磷光體材料。在組態90中，發黃光磷光體製成第一層62且發紅光磷光體材料製成第二層(更靠近LED)64。將呈摻合物或分層形式之磷光體納入聚矽氧帶中來製造磷光體複合物82。除帶82之厚度外之所有尺寸皆經組態以在所有變化形式中恆定。厚摻合物及兩種分層組態之厚度86為2.3mm，而薄摻合物之厚度88為0.82mm。在所有情況60、70、80、90下，兩種磷光體之量經最佳化以在約3000K附近且與黑體之距離(dbb)小於0.004下達成相關色溫(CCT)。不同情況之色坐標係如圖4中所顯示。與黑體72之距離及3000K色溫線74顯示於圖4中以供參考。
表1概述組態60、70、80及90之實驗結果。用於每一組態之磷光體之色溫(CCT)、與黑體之距離(dbb)、顯色指數(CRI)R9(指示光顯現深紅色之程度之度量)、功效及量列示於該表中。該等百分比顯示相對於細帶組態70中摻合物之百分比增加(+)或減小(-)。觀察到分層或增加帶厚度之磷光體效應可使磷光體之所需量減小高達約45%。在分層磷光體之情形下，更靠近LED之層(第二層)顯示顯著的質量減小。
因此，可藉由在磷光體複合物中使用較少量之磷光體藉由改變磷光體複合物之結構對準及/或厚度來獲得極相似的色溫、dbb及CRI。換言之，可藉由在較厚磷光體複合物形式中使用與在較薄磷光體複合物形式中所使用相同量之磷光體材料來獲得較高功效。此外，可藉由使用用於定位發光系統中之磷光體材料之分層方式(與摻合物相比)，藉由使用較少量(與摻合物相比)之昂貴磷光體材料，藉由使該磷光體材料比較不昂貴之磷光體材料對應物更靠近LED定位來獲得所需品質之光。
儘管本文僅闡釋並闡述了本發明之某些特徵，但彼等熟習此項技術者可作出許多修改及改動。因此，應理解，隨附申請專利範圍意欲涵蓋屬本發明真正精神內之所有該等修改及改動。
10‧‧‧發光裝置
12‧‧‧發光二極體(LED)晶片
14‧‧‧導線
16‧‧‧導線框架
18‧‧‧殼
20‧‧‧囊封劑材料
22‧‧‧磷光體
26‧‧‧白光
28‧‧‧輻射
30‧‧‧磷光體複合物
32‧‧‧容積
Claims (15)
- 一種用於製造包括發光二極體(LED)之發光裝置之方法，該方法包括：佈置以輻射方式耦合至該LED之分層磷光體複合物以形成發光裝置，該分層磷光體複合物包括：包括發黃光磷光體之第一磷光體層，其在包括錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之第二磷光體層上；及該第二磷光體層，其經佈置更靠近該LED，其中該PFS之質量比參考發光裝置中PFS之質量小至少15%，該參考發光裝置具有與該發光裝置相同之色溫且包括PFS與該發黃光磷光體之摻合物。
- 如請求項1之方法，其中該發黃光磷光體包括(Sr,Ba,Ca)2SiO4：Eu2+、(Y,Lu,Gd,Tb)3(Al,Ga)5O12：Ce3+、(Ca,Lu)3(Mg,Sc)2Si3O12：Ce3+、(Sr,Ca)3(Al,Si)O4(F,O)：Ce3+或其組合。
- 如請求項1之方法，其中該分層磷光體複合物遠離佈置在該LED上方。
- 如請求項1之方法，其中該分層磷光體複合物進一步包括基質材料。
- 如請求項1之方法，其中該PFS之質量比該參考發光裝置中該PFS之質量小至少25%。
- 一種裝置，其係使用如請求項1之方法來製備。
- 一種用於製造含有發光二極體(LED)之發光裝置之方法，該方法包括：佈置以輻射方式耦合至該LED之磷光體複合物以形成發光裝 置，該磷光體複合物包括：基質材料；及磷光體，其包括錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)，其中該磷光體複合物具有介於約50微米至約5毫米範圍內之厚度，且該磷光體之質量比參考發光裝置中該磷光體之質量小至少15%，該參考發光裝置具有與該發光裝置相同之色溫，並具有小於約15微米之磷光體複合物厚度。
- 如請求項7之方法，其中該磷光體複合物中磷光體之密度介於約0.25g/cm3至約1.10g/cm3範圍內。
- 如請求項7之方法，其中該磷光體在整個該複合物中均勻分佈。
- 如請求項7之方法，其中該磷光體複合物進一步包括發黃光磷光體。
- 一種裝置，其係使用如請求項7之方法來製備。
- 一種用於製造包括發光二極體(LED)之發光裝置之方法，該方法包括：在聚矽氧基質中形成包括發黃光磷光體之第一磷光體層；部分固化該第一層；在聚矽氧基質中形成包括錳摻雜氟矽酸鉀(PFS)之第二磷光體層；將該第一層及該第二層固化在一起；及將該等固化之第一及第二層遠離佈置在該LED上，該第二層經佈置比該第一層更靠近該LED且以輻射方式耦合至該LED。
- 如請求項12之方法，其中該第一層與該第二層之組合厚度介於約50微米至約5毫米範圍內。
- 如請求項12之方法，其中該磷光體複合物中該磷光體之密度介於約0.25g/cm3至約0.75g/cm3範圍內。
- 一種裝置，其係使用如請求項12之方法來製備。
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