TW201603322A - 應用至背光源之ｌｅｄ發光結構 - Google Patents

Abstract

本發明之目的係為使背光模組之白光於CIE1931色度座標中位於標準D65位置，藉此供後續結合顯示模組後運用。技術手段主要係利用可激發出紅光之紅色螢光粉、可激發出黃光之黃色螢光粉，以及一藍光發光二極體晶片，並將該紅色螢光粉和該黃色螢光粉所參雜之比例範圍控制在(2.33~1)：1，使原始LED白光落於CIE1931座標中，ccy≦1.8*ccx-0.12、ccy≧1.8*ccx-0.336、ccy≦0.33及ccy≧0.15所圍成的區域範圍內。由於本發明使用之該紅色螢光粉特性上完全不會與黃光作吸收轉換反應，因此可降低黃色螢光粉激發後之黃光亮度損失，且在該範圍內搭配任何一彩色濾光片，皆可有效達到較高NTSC效果以及LED發光效率。

Description

應用至背光源之LED發光結構

本發明係與LED發光結構領域相關，特別是關於一種為達CIE1931色度座標D65標準白光，且兼顧NTSC效果與發光效率表現而應用至背光源之LED發光結構。

半導體發光元件之物理特性普遍係發出具有狹窄光譜分布範圍之光，特性上非如一般日光之白色光(自然光)由具有廣泛光譜分布範圍之光所組成。然而一般情況下人眼多數時間是處於日光照明的環境中，因此設計人工光源用以照明或顯示時，皆希望能與一般日光照明之效果相仿。目前在照明或背光模組之光源選擇，多數皆採用發光二極體元件作為設計依據，然遷就於發光二極體元件僅能發出固有色調光之材料特性，故為形成白光之顯示或照明效果目前即係利用色彩學混色之原理達成。例如早期日本Nichia公司即提出利用InGaN藍光晶粒塗佈一層YAG螢光物質，進而激發出黃光與藍光互補產生白光。而不論是利用RGB獨立之晶片將三原色混合成白光；亦或是利用互補二原色原理搭配螢光粉激發不同顏色之光而混合成白光等方式，如何致力於將白色光效果製成與一般日光照射效果相近係為改善重點之一。目前國際照明委員會(COMMISSION INTERNATIONALE DE L’ECLAIRAGE,CIE)係定義有標準日光D55、D65與D75之規格，故顯示器或照明廠商可依此些標準做為產品設計之依據。

在顯示器領域中，由於液晶顯示模組本身並不發光，因此需搭配背光源和RGB彩色濾光片來實現色彩重現。因此，在顯示器產品中為提昇NTSC色域效果，係可直接針對原始光源即背光源白光之光譜位置做調整，亦或是於後階段中更換不同色組厚度或材料之彩色濾光片。例如以LED背光源為例，傳統以藍色發光二極體搭配黃色螢光粉之發光效率最佳且成本低廉，但由於其白光僅由藍光與黃光組成，故紅光與綠光成份較少進而導致其NTSC效果較差。又藍光發光二極體之技術已臻成熟，故若欲提昇NTSC效果且維持僅利用單一藍光發光二極體做主動光源據此激發螢光粉，根據色度座標之混色理論需將螢光粉由黃色更換成綠色與紅色螢光粉，藉此用以激發出綠光或紅光。惟儘管改變白光之組成可提升NTSC效果，但受限目前常用之紅色螢光粉材質，例如(Ca,Sr)AlSiN₃：Eu²⁺或Sr₂Si₅N₈：Eu²⁺之吸收波長範圍特性所致，當在提升NTSC效果時亦會使其亮度同時降低。傳統黃色螢光粉之放射波長多限制在約540nm~570nm之間，故紅色螢光粉之放射波長需達約650nm以上才能達到接近NTSC為80%的效果，因此為了要提升NTSC色域範圍，紅色螢光粉之放射波長理論上須往較長之放射波長方向進行調整。進一步地，若要使NTSC效果大於80%，黃色螢光粉亦需更換為放射波長小於約540nm以下之綠色螢光粉。然一體兩面者，上述提升NTSC效果之作法皆會導致整體亮度下降；而為了單方面提升亮度又必須選擇更大尺寸之藍色發光二極體晶片，進而使成本及消耗功率提高。

如下表所示，此即利用傳統1113結構之氮化物紅色螢光粉例如(Ca,Sr)AlSiN₃：Eu²⁺，搭配一般常用之綠色螢光粉所為實驗，其中由 (Ca,Sr)任一或Eu的濃度可調整激發波長，且濃度越高其波長越長。由於綠光之純度尚可接受，因此整體NTSC色域效果並不差，然在此條件下其發光效率相較於120lm/W(亦即每瓦(W)的光通量為120流明(lm))比對標準下，普遍僅能達約70%之亮度表現。

另外，若將綠色螢光粉置換成黃色螢光粉，而紅色螢光粉仍採用1113結構之氮化物，其亮度表現雖可大幅提升，但其NTSC效果則明顯衰退嚴重，即如下表所示。

因此，本發明係致力於兼顧NTSC效果與亮度表現，且對於提升NTSC之傳統作法反其道而行選擇了大於約540nm放射波長之黃色螢光粉搭配約630nm放射波長之紅色螢光粉，在不需更換更大尺寸的藍色發光二極體之原封裝條件下即能達到NTSC超過80%的效果且兼顧整體LED亮度。藉此降低整體製程成本，同時亦能提升較佳之色域及發光效率表現。

有鑑於此，本發明係為提供一種可應用至背光源之LED發 光結構，且該結構可供業者任意搭配各式彩色濾光片後顯示多種色彩表現，且在呈現效果上可達到白光D65標準，而對於NTSC之色域表現及發光效率亦皆能同時獲致極高之顯示水準。

為達上述目的，本發明係提出一種應用至背光源之LED發光結構，包含：一基座；一藍光發光二極體晶片，其設於該基座上；一紅色螢光粉，並藉由吸收自該藍光發光二極體晶片所發射的藍光而激發出紅光；一黃色螢光粉，係藉由吸收自該藍光發光二極體晶片所發射的藍光而激發出黃光；及一封膠，係用以封裝該藍光發光二極體晶片、該紅色螢光粉和該黃色螢光粉；其中該紅色螢光粉所被激發出之光係為波長約630nm的紅光，且主波長半波寬小於約10nm，該黃色螢光粉所被激發出之黃光波長約540nm~550nm，且該黃色螢光粉相對於該紅色螢光粉參雜比例範圍控制在(2.33~1)：1，而使該藍光發光二極體晶片發出之藍光、該紅色螢光粉所激發出之紅光，和該黃色螢光粉所激發出之黃光於相互混合後形成之白光落於CIE 1931色度座標上ccy≦1.8*ccx-0.12、ccy≧1.8*ccx-0.336、ccy≦0.33及ccy≧0.15所圍成的區域範圍內，其中ccx代表CIE 1931色度座標X軸；ccy代表CIE 1931色度座標Y軸。

為達以上之特性，其中該紅色螢光粉之化學通式為T₂XF₆：Mn⁴⁺，且T可選自Li、Na,、K、Rb其中之一；而X可選自Ge，Si，Sn，Zr，Ti其中之一。且該黃色螢光粉之材質其化學式係可採用(Sr,Ba,Ca)₂SiO₄：Eu。

利用前述背光源所得之白光強度及色域座標位置屬性，可再進一步結合一彩色濾光片供顯示模組使用，而當該白光通過該彩色濾光片 後將形成三原色光，即紅、藍、綠光，其中藍光落於於CIE 1931色度座標(0.15±0.05,0.08±0.05)所界定的四方型區域中；紅光落於於CIE 1931色度座標(0.67±0.05,0.3±0.05)所界定的四方型區域中；而綠光落於CIE 1931色度座標(0.30±0.05,0.63±0.05)所界定的四方型區域中。

又由於本發明之技術特徵主要係關於白光背光源效果呈現之改善，因此對於不同類型之基座皆可適用之，例如該基座可為一平板結構或一杯體結構。

本發明之功效在於提供一種應用至背光源之LED發光結構，以藍光發光二極體晶片所發出之藍光激發黃色螢光粉與紅色螢光粉，並於光色混合後形成白光，藉此可供顯示器領域應用而使NTSC效果達80%以上，且以120lm/W(亦即每瓦(W)的光通量為120流明(lm))為比對標準下，本發明亦可同時兼顧發光效率達80%以上。

1‧‧‧應用至背光源之LED發光結構

11‧‧‧基座

12‧‧‧藍光發光二極體晶片

13‧‧‧紅色螢光粉

14‧‧‧黃色螢光粉

15‧‧‧封膠

第1圖，係本發明基板為杯體結構之第一實施例剖面示意圖。

第2圖，係本發明基板為杯體結構之第二實施例剖面示意圖。

第3圖，係本發明基板為平板結構之第一實施例剖面示意圖。

第4圖，係本發明基板為平板結構之第二實施例剖面示意圖。

第5圖，係本發明與習知技術相對於紅、藍、綠彩色濾光片之光譜比較圖。

為使 貴審查委員能清楚了解本創作之內容，以下係以文字搭配圖式進行說明。又為使便於理解，下述實施例中之相同元件皆係以相 同之數字標號表示。

請參閱第1圖及第2圖，係分別為本發明基板為杯體結構之第一及第二實施例剖面示意圖；以及請一併參閱第3圖及第4圖，係分別為本發明基板為平板結構之第一及第二實施例剖面示意圖。如圖所示，本發明應用至背光源之LED發光結構1，包含：一基座11、一藍光發光二極體晶片12、一紅色螢光粉13、一黃色螢光粉14及一封膠15。其中該基座11可為一平板結構(第3、4圖參照)或是一杯體結構(第1、2圖參照)。而無論係平板結構或杯體結構，對於本發明之具體實施而言皆有其適用性。又該藍光發光二極體晶片12係設於該基座11上，該紅色螢光粉13其化學通式為T₂XF₆：Mn⁴⁺，且T可選自Li、Na,、K、Rb其中之一；而X可選自Ge，Si，Sn，Zr，Ti其中之一。至於該黃色螢光粉14則選擇一般業界常用之矽酸鹽類螢光粉即可，例如(Sr,Ba,Ca)₂SiO₄：Eu。由於顯示器業者在選擇以白光發光二極體為背光源時，皆會要求該背光源於顯示器終端表現時可符合所欲達到之標準白光位置以及NTSC色域表現與整體發光效率。是以，在搭配一彩色濾光片(圖未顯示)後若白光之標準欲控制落點於CIE1931色度座標D65位置，本發明之該黃色螢光粉14受藍光激發後之黃光波長需控制於約540nm~550nm；該紅色螢光粉13受藍光激發出之紅光波長為約630nm，且主波長半波寬小於約10nm。藉此可使該藍光發光二極體晶片12發出之藍光、該紅色螢光粉13所激發出之紅光，和該黃色螢光粉14所激發出之黃光相互混合形成之白光落於CIE 1931色度座標上ccy≦1.8*ccx-0.12、ccy≧1.8*ccx-0.336、ccy≦0.33及ccy≧0.15所圍成的區域範圍內，且為了能同時兼顧NTSC效果超過80%，以及發光效率相對於120lm/W標準亦超過 80%，其中該黃色螢光粉14相對於該紅色螢光粉13參雜比例範圍須控制在(2.33~1)：1。

請參照下表，係選擇該黃色螢光粉14控制其激發波長約「550nm~560nm」所對應之NTSC變化及發光效率之表現圖表。其中該紅色螢光粉13係選用K₂SiF₆：Mn⁴⁺為例，且激發波長約630nm，主波長半波寬小於約10nm。

由上表可知，無論該黃色螢光粉14與該紅色螢光粉13比例如何調整皆無法使發光效率與NTSC效果達80%以上。

請再參照下表，係選擇該黃色螢光粉14控制其激發波長約「560nm~570nm」所對應之NTSC變化及發光效率之表現圖表。其中該紅色螢光粉13係選用K₂SiF₆：Mn⁴⁺為例，且激發波長約630nm，主波長半波寬小於約10nm。

由上表可知，無論該黃色螢光粉14與該紅色螢光粉13比例如何調整亦皆無法使發光效率與NTSC效果達80%以上。

請續以參照下表，係本發明調整螢光粉相對比例後所對應之NTSC變化及發光效率之表現圖表。其中該紅色螢光粉13係選用K₂SiF₆：Mn⁴⁺為例，且激發波長約630nm，主波長半波寬小於約10nm；該黃色螢光粉14則控制其激發波長約「540nm~550nm」。

由實驗結果可知，當該黃色螢光粉14波長控制於約540nm~550nm時，透過與該紅色螢光粉13比例調整後，始能得NTSC效果與發光效率兼具80%以上之功效。以(Sr,Ba,Ca)₂SiO₄：Eu之黃色螢光粉為例，由於該結構可透過(Sr,Ba,Ca)其中任一或Eu的濃度調整波長，當濃度越高時其波長越長。因此雖該黃色螢光粉14可控制形成於約520nm~590nm間之特性產品，惟本發明僅取其約540nm~550nm間為權利限定。又當該黃色螢光粉14相對於該紅色螢光粉13參雜比例範圍控制在(2.33~1)：1時，其NTSC與發光效率皆有80%的表現。而在該黃色螢光粉14相對於該紅色螢光粉13參雜比例大於2.33比例大小時，雖亮度仍維持較佳水平，但其NTSC效果表現則明顯較差，因此在該種條件下並非可有效適用於顯示領域。且在該黃色螢光 粉14相對於該紅色螢光粉13參雜比例小於1之比例大小時，雖NTSC色域表現仍能維持80%以上水平，惟其發光效率則明顯衰退嚴重，在現今顯示器高亮度之視覺要求下，此種條件亦不敷其顯示器業者適用。而究其原因，主要係因本發明之紅色螢光粉13僅吸收約540nm波長以下之光進而再為激發的特性，且該紅色螢光粉13以吸收紫外光(約380nm)的轉換效率最佳，藍光(約450nm)次之。因此在完全不與黃光(約540nm~570nm)作吸收轉換激發反應之前提下，可降低該黃色螢光粉14在激發出黃光後因被再次吸收而造成亮度損失。

承前所述，利用本發明之配比，可將NTSC色域效果即發光效率皆控制達到80%以上之極高水平。且控制該白光之色度座標呈現位置後，無論搭配目前任一規格之彩色濾光片，皆仍可有效維持較高顯示水準。同時將該白光通過彩色濾光片後所形成之三原色光，可有效控制藍光落於於CIE 1931色度座標(0.15±0.05,0.08±0.05)所界定的四方型區域中；紅光落於於CIE 1931色度座標(0.67±0.05,0.3±0.05)所界定的四方型區域中；而綠光落於CIE 1931色度座標(0.30±0.05,0.63±0.05)所界定的四方型區域中。而該些位置即可呈現更貼近理論上之三原色光位置，達到廣色域且顏色更為真實之功效表現。

為使能更清楚知悉本發明之功效，以下另試舉一本發明與習知技術之光譜比對進行說明。請委員一併參照下表以及第5圖所示，其中第5圖係本發明與習知技術相對於紅、藍、綠彩色濾光片之光譜比較圖，且X軸為光之波長表示；Y軸為光之相對強度表示。

由第5圖觀察可知，本發明相較於習知技術之LED光譜，於藍光、綠光及紅光之峰值波長位置，大致與藍色濾光片、綠色濾光片及紅色濾光片可通過之波長位置一致。其中因本發明與習知技術皆採用藍光發光二極體晶片為藍光光源，故該光譜位置較為一致且透過藍色濾光片後之藍光表現亦無太大差異。然，相對於綠色濾光片與紅色濾光片之光譜波長位置而言，本發明可通過彩色濾光片之顏色表現明顯較佳。例如第5圖中，本發明光譜與綠色濾光片之交點X1距離相較於習知技術與綠色濾光片之交點X2距離較短，此即說明本發明通過該綠色濾光片之波長較接近該綠色濾光片之峰值位置。白話而言即該綠光之表現較為貼近綠色濾光片所欲呈現者；而習知技術相較於本發明將產生部分非綠色濾光片峰值位置之綠光穿透，比例上即如第5圖之斜線區域所示。由於該部分係非原始綠色濾光片所欲主要呈現者，因此其綠光之整體表現會明顯形成偏差，造成一般所謂綠光表現不純之現象。

進一步再觀察本發明光譜與習知技術相較於紅色濾光片之光譜比對，明顯可見者，本發明之紅色光譜主波長半波寬較窄，峰值強度較高，因此通過紅色濾光片後所得之紅光表現明顯較佳；反之，習知技術之紅色光譜半波寬遠較於本發明寬，且峰值強度遠低於本發明，因此所得 之紅光表現理論上即明顯較差。由於本發明通過彩色濾光片後所得之三原色光明顯較習知技術接近理論上之三原色光色度座標位置，且其三原色光所涵蓋之範圍亦較習知技術為廣，因此對於顏色真實性之表現及NTSC色域效果明顯較佳。同時由於本發明之該紅色螢光粉13不會吸收黃光，故亮度之表現亦較習知技術為佳。

以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明實施之範圍，故該所屬技術領域中具有通常知識者，或是熟悉此技術所作出等效或輕易的變化者，在不脫離本發明之精神與範圍下所作之均等變化與修飾，皆應涵蓋於本發明之專利範圍內。

1‧‧‧應用至背光源之LED發光結構

11‧‧‧基座

12‧‧‧藍光發光二極體晶片

13‧‧‧紅色螢光粉

14‧‧‧黃色螢光粉

15‧‧‧封膠

Claims (4)

1. 一種應用至背光源之LED發光結構，包含：一基座；一藍光發光二極體晶片，其設於該基座上；一紅色螢光粉，並藉由吸收自該藍光發光二極體晶片所發射的藍光而激發出紅光；一黃色螢光粉，係藉由吸收自該藍光發光二極體晶片所發射的藍光而激發出黃光；及一封膠，係用以封裝該藍光發光二極體晶片、該紅色螢光粉和該黃色螢光粉；其中該紅色螢光粉所被激發出之光束係為波長630nm的紅光，且主波長半波寬小於10nm，且該紅色螢光粉其化學式是T₂XF₆：Mn⁴⁺，T可選自Li、Na,、K、Rb其中之一；而X可選自Ge，Si，Sn，Zr，Ti其中之一；該黃色螢光粉所被激發出之黃光波長為540nm~550nm，且該黃色螢光粉相對於該紅色螢光粉參雜比例範圍控制在(2.33~1)：1，使該藍光發光二極體晶片發出之藍光、該紅色螢光粉所激發出之紅光，和該黃色螢光粉所激發出之黃光相互混合形成之白光落於CIE 1931色度座標上ccy≦1.8*ccx-0.12、ccy≧1.8*ccx-0.336、ccy≦0.33及ccy≧0.15所圍成的區域範圍內，其中ccx代表CIE 1931色度座標X軸；ccy代表CIE 1931色度座標Y軸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之應用至背光源之LED發光結構，其中，前述之白光通過一彩色濾光片後形成三原色光，其中藍光落於於CIE 1931色度座標(0.15±0.05,0.08±0.05)所界定的四方型區域中；紅光落於於CIE 1931色度座標(0.67±0.05,0.3±0.05)所界定的四方型區域中；而綠光落於CIE 1931色度座標(0.30±0.05,0.63±0.05)所界定的四方型區域中。
3. 如申請專利範圍第2項所述之應用至背光源之LED發光結構，其中，該黃色螢光粉之化學式係為(Sr,Ba,Ca)₂SiO₄：Eu。
4. 如申請專利範圍第3項所述之應用至背光源之LED發光結構，其中，該基座為一平板結構或一杯體結構。