TW201842163A - 利用ｐ ｆ ｓ 磷光體之低ｃ ｃ ｔ 的ｌ ｅ ｄ 設計 - Google Patents
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Abstract
LED組件，包括具有具特徵光譜的第一光輸出之LED光源，以及第一光輸出係通過彼之黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以將該第一光輸出轉換成具有預定相關色溫之第二光輸出。
Description
所揭示之例示實施態樣大致關於照明系統，尤其是關於發光二極體(LED)照明系統。
LED照明技術持續發展以獲致改良的效率及較低的成本。LED光源的照明應用範圍從極小點源到運動場照明。LED典型地為半導體發光體，且可稱作LED晶片。LED晶片所產生之光的顏色可取決於其之製造所用之半導體材料種類。發射各種顏色之LED晶片可由III-V族合金諸如氮化鎵(GaN)製得。GaN-系LED晶片可化學地調整以發出電磁波譜(electromagnetic spectrum)中UV或藍色範圍的光。將LED晶片發出的光轉成白光的一技術包括使用發光材料，其能將一部分UV或藍色範圍波譜的光轉成其他顏色(包括綠、黃及紅)的光，彼等全進一步摻混且變成白光。例示之發光材料包括磷光體(phosphor)，其因應UV或藍色範圍之電磁輻射的激發而發出電磁波譜中可見光部分的輻射。具有一或更多發光材料之LED晶片可稱作LED組件。
至少一種白色發光LED組件包括塗覆有磷光體或磷光體之摻混物的藍色發光InGaN晶片，其將一些藍色輻射轉成互補色例如黃-綠色發光或者黃-綠色與紅色發光之組合。藍色、黃-綠色與紅色輻射一起產生了白光。白光LED組件亦可由UV發射晶片以及包含紅色、綠色和藍色發光磷光體之磷光體摻混物(用以將UV輻射轉成可見光)所構成。LED組件可建構為使得光輸出具有某些特徵諸如特定的相關色溫(correlated color temperature) (CCT)、演色指數(Color Rendering Index) (CRI)、以及照明偏好指數(Lighting Preference Index) (LPI)。LPI為比色(color metric)，其使得能藉由修飾光源之光譜能量分佈(spectral power distribution)而達顏色偏好之量的最佳化(quantitative optimization)，如2014年9月9日申請且公開號為WO 2015/035425之PCT/US2014/054868(其整體以引用方式併入本文)中所揭示。
紅色發光之以Mn4+
活化的氟化物磷光體，諸如美國專利第7,358,542號及美國專利第7,648,649號中所揭示的那些，可用以與黃色或綠色磷光體(諸如YAG:Ce或其他石榴石組成物)組合以在與藍色LED組合時獲致暖白光(CCTs＜5000K，接近黑體軌跡)。該等紅色磷光體材料吸收藍光且在約610-635 nm的窄範圍有效發射並伴有少量較長波長(＞650 nm)之深紅/近紅外光發射。因此，與在眼睛敏感度極低之較深紅色具有顯著發射之具寬發射譜(emission spectrum)的紅色磷光體相比，發光效率(luminous efficacy)係最大化。通常，LED晶片封裝之目標CCT愈低，需要愈多紅色磷光體。然而，由於其與其他另外的紅色磷光體相比具有較差的吸收能力(absorbability)，要達到所欲之低CCT(諸如2700K)、及特定LPI(諸如大於110)所需之紅色氟化物磷光體(諸如K2
SiF6
:Mn)的量會大幅增加且會受LED晶片封裝尺寸及成本兩者所限。因此，需要在現今與未來封裝尺寸與成本限制內能提供所欲之CCT及LPI的發光材料。
因此，需要提供能解決至少部分上述問題之LED組件設計。
如本文所述，例示之實施態樣克服了一或更多上述的或其他本領域已知的缺點。
所揭示實施態樣之態樣係關於LED組件。於一實施態樣中，LED組件係包括具有具特徵光譜(characteristic spectrum)的第一光輸出之LED光源，以及黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑(neodymium fluorine absorber)組合(第一光輸出係通過彼)，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以將第一光輸出(first light output)轉換成具有預定相關色溫(predetermined correlated color temperature)之第二光輸出(second light output)。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可用以提供具有特定照明偏好指數(Lighting Preference Index)之第二光輸出。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可用以提供具有照明偏好指數為至少110之第二光輸出。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可用以提供具有照明偏好指數為至少120之第二光輸出。
氟化釹吸收劑(neodymium fluoride absorber)可用以減弱黃光發射以提供具有特定照明偏好指數之第二光輸出。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可用以提供具有低於黑體軌跡(black body locus)的色度色坐標(chromaticity color coordinate)之第二光輸出。
LED光源可包含一或更多藍色LED(blue LED)或紫色LED(violet LED)。
黃-綠色磷光體可包含石榴石磷光體(garnet phosphor)。
石榴石磷光體可包含釔鋁石榴石磷光體(yttrium aluminum garnet phosphor)。
石榴石磷光體可包含鈰活化之釔鋁石榴石磷光體。
紅色磷光體可包含摻雜錳之氟矽酸鉀磷光體(manganese-doped potassium fluoro-silicate phosphor)。
釹氟吸收劑可包含NdF3
。
釹氟吸收劑可包含NdF3
及另一釹化合物之組合。
釹氟吸收劑可包含NdF3
及NdOF之組合。
釹氟吸收劑可包含NdF3
及Nd2
O3
之組合。
釹氟吸收劑可用以吸收在約560-610 nm範圍之黃光。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可包含接近LED光源之黃-綠色磷光體及紅色磷光體部分以及與LED光源間隔開之釹氟吸收劑部分。
所揭示實施態樣之其他態樣係關於LED組件，其包括具有具特徵光譜的第一光輸出之LED光源，以及黃-綠色及紅色磷光體組合，其將第一光輸出轉換成具有第一相關色溫及第一照明偏好指數之第二光輸出，其中，將釹氟吸收劑添加至該黃-綠色及紅色磷光體組合，獲致具有低於第一相關色溫的第二相關色溫及高於第一照明偏好指數的第二照明偏好指數之第三光輸出。
第一相關色溫可為約4000K，第一照明偏好指數可為約111，第二相關色溫可為約3500K，第二照明偏好指數可為約128。
相關色溫可為約3350K，第一照明偏好指數可為約107，第二相關色溫可為約3000K，第二照明偏好指數為約120。
第一相關色溫為約3050K，第一照明偏好指數為約109，第二相關色溫為約2755K，第二照明偏好指數為約120。
黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合可提供於CIE 1931色空間色度圖(color space chromaticity diagram)中具有低於黑體軌跡的色度色坐標(chromaticity color coordinate)之第三光輸出。
黃-綠色磷光體可包含0.3至0.7 mg的鈰活化之釔鋁石榴石磷光體。
紅色磷光體可包含1.0至2.0 mg的摻雜錳之氟矽酸鉀磷光體。
釹氟吸收劑組合可包含0.05至0.15 mg之氟化釹。
所揭示實施態樣之另外的態樣係關於LED組件，其包括具有具特徵光譜的第一光輸出之LED光源，以及黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合(第一光輸出係通過彼)，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以將第一光輸出轉換成具有大於110之照明偏好指數及4000K-2700K的相關色溫之第二光輸出。
參照所附圖式考量以下詳細說明會清楚例示之實施態樣的該等及其他態樣和優點。惟，咸瞭解圖式僅用於說明之目的而非為定義本發明之限制，本發明之限制應參照所附之申請專利範圍。本發明之其他的態樣和優點會於以下說明中提出且部分能由說明而明白，或可由本發明之實踐而獲悉。再者，本發明之態樣和優點可藉由所附之申請專利範圍中具體指出的手段與組合而實現與獲得。
如本文所述，例示之實施態樣克服了一或更多上述的或其他本領域已知的缺點。
所揭示實施態樣之態樣提供LED光組件，其藉由使用以下之新穎的組成物而有利地提供了想要的CCT及照明偏好指數(LPI)：黃色、綠色、或組合黃色與綠色之磷光體，紅色磷光體，以及包含釹及氟之化合物，用以藉由過濾LED光源所產生的光以提供想要的光譜。
圖1A顯示根據所揭示之實施態樣的例示之LED組件100。LED組件可包含半導體UV或藍光輻射源諸如發光二極體(LED)晶片105以及電性連接至LED晶片之導線(lead)110。導線110可供電至LED晶片105，其可使LED晶片105發出輻射。
LED組件100可包含任何半導體藍光或UV光源，其係在其所發出之輻射導向通過發光材料(luminescent material)115時能產生白光。於至少一實施態樣中，半導體光源可包含摻雜各種雜質(impurity)之藍色發光LED晶片。例如，LED晶片105可具有至少一包含GaN、ZnSe或SiC的半導體層。於一些實施態樣中，LED晶片可為具有峰值發光波長(peak emission wavelength)為約400至約470 nm的UV或藍色發光LED。
LED晶片105可封裝於包封該LED晶片之殼120中。殼120可由例如玻璃或塑膠材料製成且可為透明的或實質上透光的(對於LED晶片105及發光材料115所產生之光的波長而言)。LED晶片105及殼120可接置於基材125上。
根據所揭示之一些實施態樣，發光材料115可包含黃色、綠色、或黃色與綠色之組合的磷光體。就所揭示實施態樣之目的，黃色、綠色、或黃色與綠色之組合的磷光體可稱作黃-綠色磷光體。就所揭示實施態樣之目的，石榴石磷光體(garnet phosphor)亦可認為是黃-綠色磷光體。發光材料亦可包含紅色磷光體，以及氟化釹(NdF3
)。意料之外的發現將包含釹及氟之化合物(例如NdF3
或是NdF3
與任一釹化合物(諸如NdOF或Nd2
O3
)之組合)添加至各種黃-綠色及紅色磷光體之組合，使得光輸出會移往較低CCT、較高色度x坐標(chromaticity x coordinate) (CCx)、以及較高LPI。通常，釹化合物諸如NdF3
、NdOF或Nd2
O3
可使LPI增加，而NdF3
可特別造成移往較低CCT。於一態樣中，包含釹及氟之化合物(亦稱作釹氟化合物(neodymium fluorine compound))係作用為吸收劑以使色譜(color spectrum)中之黃色部分減弱以改良LPI。作用為吸收劑之釹氟化合物可稱作釹氟吸收劑(neodymium fluorine absorber)。於一些實施態樣中，添加釹氟吸收劑可使欲達成較低CCT及較高LPI值所需之紅色磷光體的量減少。
圖1B顯示根據所揭示之實施態樣的另一例示之LED組件130。可包含半導體UV或藍光輻射源諸如發光二極體(LED)晶片135且可透過電性連接的導線140而供電至LED晶片，使LED晶片135發出輻射。
與圖1A所示之實施態樣類似，LED組件130可包含在其所發出之輻射導向通過發光材料145時能產生白光之任何半導體藍光或UV光源。根據至少一些所揭示之實施態樣，發光材料145可包含接近LED晶片135之第一部分(first portion)150以及與LED晶片135間隔開之第二部分(second portion)155(例如，位於或置於包封該LED晶片135之殼160)。於至少一實施態樣中，第一部分150可包含黃-綠色及紅色磷光體，而第二部分155可包含釹氟吸收劑。應瞭解於一些實施態樣中，第一及第二部分可位於任何合適之位置，只要來自LED晶片135的光能通過第一部分150、然後通過第二部分155。就所揭示實施態樣之目的，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑之組合稱作發光材料115(如用於圖1A中)以及發光材料145(如用於圖1B中)。
殼160可由例如玻璃或塑膠材料製成且可為透明的或實質上透光的(對於LED晶片135及第一部分發光材料150所產生之光的波長而言)。基材165可支承LED晶片135以及殼160。
以下由圖2A、2B、3A、3B、4A及4B所示之實例係說明將釹氟吸收劑添加至黃-綠色及紅色磷光體組合以產生發光材料115的影響。以下的說明實例利用鈰活化的釔鋁石榴石磷光體(YAG:Ce)以及摻雜錳之氟矽酸鉀(K2
SiF6
:Mn4+
或“PFS”)磷光體，但應瞭解所揭示之實施態樣可利用其他合適的石榴石磷光體或任何合適的黃色、綠色或黃-綠色磷光體，且可利用任何合適的紅色磷光體。
圖2A顯示光譜圖(spectrum plot)210說明兩光譜215、220(分別為無添加及有添加釹氟吸收劑)之間的比較。光譜215代表具有YAG及PFS組合之LED組件的輸出(output)，獲致CCT為4000K、0.000 Duv
(於黑體軌跡(black body locus))、演色指數(CRI)為90、以及LPI為111。光譜220代表有將釹氟吸收劑添加至同樣的YAG PFS組合之LED組件的輸出。將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合導致在560-600 nm範圍的減弱(attenuation)。
圖2B顯示色度圖(chromaticity diagram)230說明因添加釹氟吸收劑所致之變化。色點235及240顯示將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合致使CCT由4000K移至3500K，以及0.000 Duv
移至-0.004 Duv
。PFS、YAG及釹氟吸收劑組合導致在CIE 1931色空間色度圖中之低於黑體軌跡的色度色點(chromaticity color point)240。來自光譜圖210及色度圖230之數據可用於確定釹氟吸收劑的添加亦導致CRI為81、以及LPI由111提高至128，換來附加的24%流明損失(lumen loss)。
圖3A顯示光譜圖310說明另外的兩光譜315、320(分別為無添加及有添加釹氟吸收劑)之間的比較。光譜315代表具有YAG PFS組合之LED組件的輸出，獲致CCT為3350K、+0.004 Duv
(高於黑體軌跡)、演色指數(CRI)為90、以及LPI為107。光譜320代表有將釹氟吸收劑添加至該YAG PFS組合之LED組件的輸出。將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合導致在560-600 nm範圍的減弱，如前文所述。
圖3B顯示色度圖330說明因添加釹氟吸收劑所致之變化。色點335及340顯示將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合致使CCT由3350K移至3000K，以及+0.004 Duv
移至0.000 Duv
。PFS、YAG及釹氟吸收劑組合降低了色度色點340的y值，使得色度色點340可能落於或恰低於黑體軌跡。來自光譜圖310及色度圖330之數據可用於確定釹氟吸收劑的添加亦導致CRI為80、以及LPI提高為120，在可接受的20%流明損失(lumen loss)內。
圖4A顯示另一光譜圖410說明又另外的兩光譜415、420(分別為無添加及有添加釹氟吸收劑)之間的比較。光譜415代表具有YAG PFS組合之LED組件的輸出，獲致CCT為3050K、0.000 Duv
(於黑體軌跡)、演色指數(CRI)為90、以及LPI為109。光譜420代表有將釹氟吸收劑添加至該YAG PFS組合之LED組件的輸出，如同其他實例，將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合導致在560-600 nm範圍的減弱。
圖4B顯示色度圖430說明因添加釹氟吸收劑所致之例示LED組件的輸出之變化。色點435及440顯示將釹氟吸收劑添加至YAG及PFS組合致使CCT由3050K移至2755K，以及0.000 Duv
移至-0.003 Duv
。於此實施態樣，PFS、YAG及釹氟吸收劑組合導致低於黑體軌跡之色度色點440。來自光譜圖410及色度圖430之數據可用於確定釹氟吸收劑的添加亦導致CRI為84、以及LPI由109提高至120，在可接受的20%流明損失(lumen loss)內。
所用之各磷光體及釹氟吸收劑的量可視下列者而有所變化：LED晶片之光譜特性(spectral characteristics)、各磷光體之確切的化學組成及特性尤其是量子效率(quantum efficiency)及吸收能力(absorbability) (於激發波長(excitation wavelength))那些、以及所欲之光輸出特性。各種實施態樣中之磷光體及釹氟吸收劑的相對比例可經調整以使得在用於LED組件時，可產生可見光為具有在CIE色度圖之預定x及y值，且LPI為至少約120。於一些實施態樣中，各磷光體之量與組成以及釹氟吸收劑之量可加以變化以達成特定的CCT及LPI。例如，石榴石磷光體(garnet phosphor)、紅色磷光體與釹氟吸收劑之組合可獲致照明偏好指數為大於110、較佳為大於120，CCT為介於4000K-2700K，以及於CIE 1931色空間色度圖之色度色坐標(chromaticity color coordinate)低於黑體軌跡。
表1顯示獲致特定CCT值之磷光體及釹氟吸收劑的量之各種例示範圍，其中，紅色磷光體為PFS，石榴石磷光體為YAG:Ce，以及釹氟吸收劑為NdF3
。
磷光體及NdF3
可以各種合適形式使用，例如粉末形式，且可組合且利用任何合適方法沉積於LED晶片135上或者可選擇性地沉積於LED晶片135及殼160上。
參照所附圖式閱讀以上說明，所屬技術領域中具有通常知識者可清楚各種修改與調適。惟對所揭示實施態樣之教示的所有此等及類似的修改仍落於所揭示實施態樣之範疇內。
本文描述之不同實施態樣的各種特徵係可彼此互替。各種所述特徵、以及任何已知相當者可混合與搭配以構建另外的實施態樣及技術(根據本揭示內容之原則)。
此外，例示實施態樣的一些特徵可在無需相應使用其他特徵下有利地使用。就此，應認知以上描述僅係用於說明所揭示之實施態樣的原則而非對其之限制。
100‧‧‧LED組件
105‧‧‧LED晶片
110‧‧‧導線
115‧‧‧發光材料
120‧‧‧殼
125‧‧‧基材
130‧‧‧LED組件
135‧‧‧LED晶片
140‧‧‧導線
145‧‧‧發光材料
150‧‧‧第一部分
155‧‧‧第二部分
160‧‧‧殼
165‧‧‧基材
所附圖式例示說明本揭示內容目前較佳的實施態樣，連同前文之概述與下文之詳述，以闡述本揭示內容之原則。如所有圖式中所示，類似元件符號係表示類似或對應之部件。
圖1A顯示根據所揭示之實施態樣的LED組件；
圖1B顯示根據所揭示之實施態樣的另一LED組件；
圖2A、2B、3A、3B、4A及4B說明將釹氟吸收劑添加至石榴石及紅色磷光體組合對產生所欲之LED組件的光譜能量分佈(SPD)、CCT及LPI的影響。
Claims (15)
- 一種LED組件，其包括： LED光源，具有具特徵光譜(characteristic spectrum)的第一光輸出；以及 黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑(neodymium fluorine absorber)組合，第一光輸出係通過彼，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以將該第一光輸出轉換成具有預定相關色溫(correlated color temperature)之第二光輸出。
- 如申請專利範圍第1項之LED組件，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以提供具有特定照明偏好指數(Lighting Preference Index)之第二光輸出。
- 如申請專利範圍第1或2項之LED組件，其中，氟化釹吸收劑係用以減弱黃光發射以提供具有特定照明偏好指數之第二光輸出。
- 如申請專利範圍第1項之LED組件，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係用以提供具有低於黑體軌跡(black body locus)的色度色坐標(chromaticity color coordinate)之第二光輸出。
- 如申請專利範圍第1項之LED組件，其中，該LED光源包含一或更多藍色LED或紫色LED。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該黃-綠色磷光體包含石榴石磷光體(garnet phosphor)。
- 如申請專利範圍第6項之LED組件，其中，該石榴石磷光體包含釔鋁石榴石磷光體(yttrium aluminum garnet phosphor)。
- 如申請專利範圍第6項之LED組件，其中，該石榴石磷光體包含鈰活化之釔鋁石榴石磷光體。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該紅色磷光體包含摻雜錳之氟矽酸鉀磷光體。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該釹氟吸收劑包含NdF3 。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該釹氟吸收劑包含NdF3 及另一釹化合物之組合。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該釹氟吸收劑包含NdF3 及NdOF之組合。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該釹氟吸收劑包含NdF3 及Nd2 O3 之組合。
- 如申請專利範圍第1、2或4項之LED組件，其中，該釹氟吸收劑係用以吸收在約560-610 nm範圍之黃光。
- 如申請專利範圍第1項之LED組件，其中，黃-綠色磷光體、紅色磷光體及釹氟吸收劑組合係包含接近LED光源之黃-綠色磷光體和紅色磷光體部分以及與LED光源間隔開之釹氟吸收劑部分。
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