TW494582B - White light illumination system with improved color output - Google Patents
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494582 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A 7 ______B7五、發明説明(1 ) 發明背景 本發明大體上關於一種白光照射系統,且特別地關於 一種陶瓷YAG:Ce:Gd磷光體,用於將發光二極體("LED")所 發出的監光轉變成爲白光。 白LED係用當作液晶顯示器中的背光及用當作小的傳 統燈和螢光燈的替代物。如S· Nakamura等人在「藍色雷射 —*極體」之弟10.4早弟216-221頁(Springer 1997)中所目寸論 的,其倂於本文中作參考,白光LED之製造係藉由在藍發 光半導體LED的輸出表面上形成一種陶瓷磷光體層。傳統 地,藍LED係一種InGaN單量子井LED,而磷光體係一種 經鈽摻雜的釔鋁石榴石("YGA"),即Y3Ah〇12:Ce3+。LED所 放出的藍光激發磷光體導致其放出黃光。LED所放出藍光 係透射經過磷光體且與磷光體所放出的黃光混合。觀察者 將藍光和黃光的混合光看成白光。 藍LED、黃YAG磷光體以及LED和磷光體之白光合倂 輸出的色度座標可繪在周知的CIE色度圖上,如第1圖中所 示。在一些教科書中有詳細解釋色度座標和CIE色度圖, 如Κ· H. Butler的「螢光燈磷光體」(賓夕凡尼亞州立大學 出版部1980)第98-107頁,及G. Blasse等人的「發光物質 」(Springer-Verlag 1 994)第109-110頁,兩者皆倂於本文中 作參考。如第1圖中所示,先前技藝用於發出白光的藍led 之色度座標係在於第1圖中的CIE色度圖上的圓圈1。換言 之,LED的色度座標將由圓圈1內的單點所表示,特定點 的位置係取決於LED的波峰發射波長。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝_
、1T 線 -4- 494582 A7 B7 五、發明説明(2 ) 丫0八:。63 +磷光體的色度座標係由第1圖中沿著線:3的點 所表示,取決於Y晶格位置上的Gd摻雜物之含量及/或A1 晶格位置上的Ga摻雜物之含量。例如,含高含量Gd及/或 低含量Ga摻雜物的YAG磷光體之色度座標可位於點5處, 而低含量Gd及/或高含量Ga摻雜物的YAG磷光體之色度座 標可位於點7處。含中量Gd及/或Ga摻雜物的YAG磷光體 之色度座標可位於沿著點5與7之間的線4上之任何點,例 如點 9、1 1、13 或 15。 藍LED和YAG磷光體的組合輸出之色度座標可在第1 圖中的CIE色度圖上的扇形區域內變動,邊界爲線1 7和1 9 。換言之,LED和磷光體的輸出之組合色度座標可在第1 圖中的圓圈1、線1 3、線1 7和線1 9爲邊界的區域內之任何 點,如Nakamura等人的教科書之第220頁所述者。然而, Nakamura等人所述的LED-磷光體係有數個缺點。 如第1圖中所示,CIE色度圖含有眾所周知的黑體軌跡 ("BBL"),由線21所表示。沿著BBL的色度座標(即色點)會 服從普朗克方程式:Ε(λ) = Αλ_5/(6(Β/τ)-1),其中E係發射強 度,λ係發射波長,Τ係黑體的色溫,而Α和Β係常數。第 1圖中的BBL上顯示色溫T(凱氏度)的不同値。再者,位置 在BBL上或接近BBL者的點或色座標會產生令觀看內愉悅 的白光。典型的白光照明源係選自於具有色溫在範圍2500K 至7000K內的BBL上之色度點。例如,在BBL上具有色溫 3900K的點之燈係稱爲「自然白」,色溫300.0K係稱爲「標 準暖白」,等等。然而,位置離開BBL的點或色座標係爲 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Γ r 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -5- 494582 經濟部智慧財產局員工消費合作社印t A7 ___ B7 ____五、發明説明(3 ) 觀看人較不能接受的白光。因此,第1圖中所示的LED-磷 光體含有許多介於線1 7和1 9之間的點和色座標,它們不會 產生令人可接受的照明用白光。 爲了可用當作白光源,LED-磷光體系統的色度座標必 須位於BBL上或接近BBL。在磷光體的製造期間,LED-磷 光體系統的色輸出會由於頻常、不可避免的、與所欲參數 之例行偏差(即製造的系統性誤差),而大大地變化。 例如,LED-磷光體系統的色輸對於磷光體的厚度係非 常敏感的。若磷光體太薄,則LED所發出之超過適量的藍 光將穿透過磷光體,而組合的LED-磷光體系統之光輸出將 顯現淺藍色的,因爲其由LED的輸出所主控。在此情況中 ,系統的輸出波長之色度座標將靠近LED色度座標而離開 CIE色度圖上的BBL。與之成對比地,若磷光體太厚度,則 少於適量的藍LED光將穿透過厚的磷光體層。於是組合的 LED-磷光體系統將顯現淺黃色的,因爲其由磷光體的黃色 輸出所主控。 因此,磷光體的厚度係爲一種影響系統之色輸出的關 鍵變數。不幸地,在大規模製造LED-磷光體系統時係難以 控制磷光體的厚度,而磷光體的變化常常造成系統的輸出 不適合於白光照明用途或呈現非白色的(即淡藍色或淡黃色) ,此導致一種令人不能接受的低LED-磷光體生產良率。 第2圖顯示一種CIE色度圖’其包含先前技藝YAG:Ce3 + 磷光體層之點1 1的色度座標’其位於一具有在點23的色度 座標之藍LED上。因此在第2圖中’此系統的色度座標將 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝 、1Τ 線 -6 - 494582 A7 B7 五、發明説明(4 ) 沿著連接點1 1和23的線25。若磷光體層係比產生白光者 所需者薄的話,則太多的藍LED光將穿透過磷光體層,而 系統的光輸出之色度座標將接近LED座標,如在點27,位 於BBL下方。此系統的輸出將呈現淡藍色。若磷光體層係 比產生白光者所需者厚的話,則太少的LED光將被磷光體 所吸收,而系統的色度座標將接近磷光體座標,如在點29 ,位於BBL上方。系統的輸出將呈現淡黃色。只要磷光體 層的厚度幾乎完全等於產生可接受的白光所需者,則系統 的色度座標將靠近在點31的BBL或在BBL上。因此,第2 圖顯示系統色輸出對於磷光體層厚度變化的敏感度。 再者,先前技藝的LED-磷光體系統係有許多的其它缺 陷。爲了獲得色度座標在或接近BBL的具有不同色溫度白 光照明系統(即一種產生用於照明目的之可接受的白光),必 須改變磷光體的組成。例如,若先前技藝的系統包含一種 具有色座標位於第2圖中的點1 1之組成的磷光體,則含此 特定磷光體的LED-磷光體系統將具有接近BBL的色座標, 僅有介於約5 800K和6800K之間的窄色溫範圍。就此色溫 範圍之外的照明用途而言,具有該特定磷光體組成的系統 係不會產生一種令人可接受的白光。因此,必須改變磷光 體組成,俾獲得一種令人可接受的白光,其適合於範圍 5 800K和6 800K之外的適宜色溫之照明用途。磷光體組成所 需的改變會增加製程的成本和複雜性。本發明之目標爲克 服或至少減少上述問題。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210x297公釐) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言
T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明(5 ) t明簡述 本發明之一觀點爲提供一種白光照射系統,其包括一 輻射源及一發光物質,其中輻射源的發射光譜代表CIE色 度圖上的第一點,發光物質的發射光譜代表CIE色度圖上 的第二點,而一連接第一點與第二點的第一條線係接近CIE 色度圖上的黑體軌跡。 本發明另一觀點爲提供一種白光照射系統,其包括 (Ai,xGdx)3D5Ei2:Ce,其中 A 包括 Y、Lu、Sm和 La 中的至 少一者,D包括Al、Ga、Sc和In中的至少一者,E包括 氧’ x>0.4,及提供一種具有尖峰發射波長大於470nm的發 光二極體。 _ 本發明又一觀點爲提供一種產生白光照射系統之方法 ,該系統包含一輻射源及一發光物質,該方法包括:選擇 一接近CIE色度圖上的黑體軌跡之第一線,形成輻射源, 其中射源的發射光譜係由第一線上的第一點所表示,及 形成發光物質,其中發光物質的發射光譜係由第一線上的 第二點所表示。 圖式之簡單說明 第1-2圖係爲先前技藝照射系統之CIE色度圖。 第3和5圖係爲依本發明較佳實施例的照射系統之CIE 色度圖。 第4和6圖係爲依本發明較佳實施例的照射系統之CIE 色度圖的中央區域之特寫視圖。 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(21〇X29<7公釐) --1------丨批衣------1T------^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -8 - 494582 A7 B7 五、發明説明(6 ) 第7-9圖係爲本發明之照射系統的較佳結構之剖面示意 圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 主要元件對照表 1 圓圈 3 線 5 點 7 點 9 點 11 點 13 點 15 點 17 線 19 線 21 B B L曲線 23 點 25 線 27 點 29 點 31 點 33 線 35 點 37 點 39 LED色度座標39 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝_ 訂 線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -9- 494582 A7 B7 五、發明説明(7 ) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 41 發光物質色度座標 43 線 45 線 47 線 49 點 5 1 點 55 線 57 線 59 點 65 線 66 點 67 點 69 點 70 點 71 LED晶片 73 導線 75 引線框 77 殼 79 包膠材料 81 發光物質 83 白光 85 藍或藍-綠光 發明之詳細說明 _ 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) -10- 494582 A7 B7 五、發明説明(8 ) 鑒於先前技藝的問題,茲希望能夠獲得一種白光輻射 源-發光物質照射系統,其之色輸出係較不敏感於系統製程 期間的誤差,尤其發光物質的厚度誤差和變化。再者,希 望能夠獲得一種白光輻射源-發光物質照射系統,其可提供 ~種適於照明用途的可接受之白光,有寬廣範圍的色溫, 而不改變發光物質的組成。較宜地,輻射源包括LED。 本案發明人已經發現當一連接代表LED色度座標的點 與一代表發光物質色度座標的點之線係接近CIE色度圖上 的BBL時,則LED-發光物質系統的色輸出係較不敏感於製 造誤差。再者,這樣的系統係能提供一種可用於照明用途 的令人可接受之白光,具有廣範圍的色溫而不改變發光物 質的組成。 術語發光物質包括粉未形式(磷光體)和固體‘形式(閃爍 體)的發光物質。術語”LED色度座標”係指CIE色度圖上的 LED發射光譜之色度座標。術語”發光物質色度座標”係指 CIE色度圖上的發光物質發射光譜之色度座標。 連接LED和發光物質色度座標的線係可能以許多不同 的方式來接近BBL曲線。在本發明一較佳實施例中,一與 BBL曲線相交兩次的線係接近BBL曲線,如第3和4圖中所 示。第4圖係爲第3圖之中央部位的特寫。例如,線3 3可 在點35和37與BBL曲線21相交兩次。線33連接LED色度 座標39與發光物質色度座標41。當然,所示的線33係僅 爲說明之目的。可以有許多其它的線來連接不同的LED色 度座標與不同的發光物質色度座標,且其與BBL曲線相交 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 丁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -11 - 494582 Α7 Β7 五、發明説明(9 ) 兩次。例如,可藉改變尖峰發射波長,及因此改變沿著線 43的LED之色度座標,或藉由改變沿著線3的尖峰發光物 質發射波長,而改變線的斜度。 被視爲可用於照明用途的白光源典型上係在BBL的+/-O.Oly單位內,且較佳在BBL的+/-0.〇〇5y單位內。”y單位” 係一種沿著CIE色度圖的y軸之單位。線,如線3 3,係與 BBL曲線相交兩次而接近BBL曲線,因爲此線上的許多點 係與BBL曲線相隔O.Oly單位或更小,且較佳與BBL曲線相 隔0.005y單位或更小。 例如介於約7000K和3500K間的線33上之點對於觀看 人而言係呈現白色,而對應於一令人可接受的白光源,因 爲這些點係位於線45和47之間,其描繪出含有色度座標爲 與BBL曲線21相隔O.Oly單位或更小的CIE色度圖上之空 間。 較宜地,線33與BBL曲線相交,俾其含有對應於至少 2000K分開的色溫之兩點,且它們係與BBL曲線21相隔 0.0 1 y單位或更小,如第4圖中所示。例如,對應於約 6000K和4000K溫度的點49和51係位於線33上,與BBL曲 線21相隔O.Oly單位或更小。位於點49和51間的線33上 之點係亦位於線45和47間,在與BBL曲線相隔O.Oly單位 內,如第4圖中所示。因此,所有這些點係對應一令人可 接受的用於照明用途之白光源。再者,藉由選擇一種具有 色座標在對應於約1 0,800K和3 800K(點53)的色溫之線33上 的任一點之系統,則可以獲得一種具有寬色溫範圍而不改 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) — 穿-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A7 B7 五、發明説明() 變發光物質組成的白光照射系統。 最宜地,線33與BBL曲線相交,俾其含有對應於至少 2000K分開的色溫之兩點,且它們係與BBL曲線21相隔 0.〇05y單位或更小,如第5圖中所示。例如,對應於約 6000K和4000K溫度的點49和51係位於線33上,與BBL曲 線21相隔0.005y單位或更小。位於點49和51間的線33上 之點係亦位於線55和57間,在與BBL曲線相隔〇.〇〇5y單位 內,如第5圖中所示。因此,所有這些點係對應一令人可 接受的用於照明用途之白光源。 對照下,沿著線25的介於4000K和6000K間的大部分 色座標之位置並不在與BBL相隔O.Oly單位之內。例如,先 前技藝線25上僅介於約5200K(第4圖中的點59)和6400K( 第4圖中的點61)間的色座標係位於與BBL相隔〇.〇ly單位 之內。再者,先前技藝線2 5上僅介於約5 7 7 0 K (第5圖中的 點63)和67 80K間(第5圖中的點64)的色座標係位於與BBL 相隔0.005y單位之內。具有低5200K(點59上方)的相關色 溫之可達到的色座標之位置係超過與BBL相隔O.Oly單位處 (即,在描述與BBL相隔O.Oly單位的線45之上方。點59上 方的線2 5上之點因此不會是一種適合於照明用途的可接受 .之白光源。因此,先前技藝系統係本發明第一較佳實施例 的系統更敏感於製造誤差。再者,先前技藝系統的磷光體 組成必須被改變,俾獲得一種具有對應於5200至6400K範 圍外的色溫之色座標的系統,該範圍係可用於照明用途的 〇 本紙張尺度通用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公董) _ ^ 13- 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494582 A7 B7 五、發明説明(11 ) 在本發明的第二較佳實施例中’ 一接近B B L曲線的線 係與B B L曲線相切的,如第6圖中所示。例如,線6 5係與 B B L.曲線2 1相切。當然,所示的線6 5係僅用於說明之目的 。可以有許多其它的線來連接不同的LED色度座標與不同 的發光物質色度座標,且其係與BBL曲線相切。例如,可 藉由改變改變沿著線43的LED之尖峰發射波長或藉由改變 沿著線3的發光物質尖峰發射波長,而改變線的斜度。 線’如線65,係與BBL曲線相切,其接近BBL曲線, 因爲此線上的許多點係與B B L曲線相隔〇. 〇 1 y單位或更小, 且較佳0.005y單位或更小。例如,約6000K和3500K間的 線6 5上之任一點係對應於一可接受的白光,因爲這些點係 位於線45和47間。較宜地,線65係與BBL曲線相切,俾 其含有對應於至少2000K分開的色溫之兩點,且它們係與 BBL曲線21相隔O.Oly單位或更小,較佳〇.〇〇5y單位或更 小。例如,對應於4000K和6000K的色溫之點之間的CIE色 度圖上的線65上之點,應位於第6圖中的線45和47之間。 換言之,點66和67之間的線65上之所有點係位於與BBL 相隔O.Oly單位之內,即介於線45和47之間,如第6圖中 所示。因此,點66和67之間的線65上之所有點係對應於 可用於照明用途的白光。
在本發明第三較佳實施例中,一接近BBL曲線的線係 含有至少2000K分開的兩點且係位於與BBL曲線相隔O.Oly 單位或更小。例如,如第6圖中所示,線68含有兩點69和 70,其分別對應於6000和4000K的色溫,其之位置與BBL 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -14- 494582 A7 B7 五、發明説明(12 ) 曲線相隔0.0 ly單位或更小(即,點69和70係位於線45和 47之間)。當然,所示的線68係僅用於說明之目的。可以 有許多其它的線來連接不同的LED色度座標與不同的發光 物質色度座標,至少2000K分開的兩點,它們係與BBL曲 線相隔0.0 1 y單位或更小。例如,可藉由改變改變沿著線4 3 的LED之尖峰發射波長或藉由改變沿著線3的發光物質尖 峰發射波長,而改變線的斜度。再者,一接近BBL曲線的 線可位於BBL曲線21和線47之間。 應注意的是,可以用與第一、第二和第三較佳實施例 不同的方式使線接近BBL曲線。較宜地,LED-發光物質系 統所放出的輻射之CIE色座標之範圍爲從x = 0.31和 y 二 0.33(T:6700K 或”晝光”)至 χ = 0·44 和 y:〇.4(T:3000K 或”標 準暖白”)。然而,若需要,此系統所放出的輻射可具有其它 座標,它們被視爲係對應於白色。 在本發明的第一較佳觀點中,發光物質包括 (Ai-xGdxhDdaCe,其中 A包括 Y、Lu、Sm和 La 中的至 少一者,D包括Al、Ga、Sc和In中的至少一者,E包括 氧,而x>0.4。在本發明的第二較佳觀點中,發光二極體較 佳包括一種具有尖峰發射波長大於47Onm的發光二極體。 較宜地,尖峰發射波長係介於4 7 0和5 0 0 n m之間,且最佳介 於475和480nm之間,如47 8nm。在本發明的第三較佳觀點 中,白光照射系統含有第一較佳觀點的發光物質和第二較 佳觀點的發光二極體。 在第一較佳觀點的發光物質中,Ce離子係充當激活離 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(21〇χ297公釐) — ―一------— 裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
、1T 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -15- 494582 A7 B7 五、發明説明(13 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 子,且係負責由發光物質發出黃光。Gd離子影響照射系統 的輸出顏色(即色座標)。本案發明人已經判定,當Gd離子 的原子比(即”x”)大於0.4時,發光物質所發出的光線係容許 一連接這些座標至LED色座標的線能接近BBL曲線。例如 ,具x>0.4的(Ai.xGdx)3D5Ei2:Ce發光物質係發出具有色座標 大約在第1圖中的點5和1 5之間的光線。與含很少量或沒 有Gd的發光物質比較下,高Gd含量會減少發光物質效率 一些百分率。然而,藉由增加Gd含量可以達成照射系統製 造良率的改良,而抵銷系統效率的小減少。 較宜地,發光物質不含有或含有微量的Ga且包括 (YnzGdxCe小Al5〇i2,其中 0·7>χ>0.4 且 0.1>z>0。然而,若 需要,値可增加至高達於0.8。若在製造發光物質時使 用一種基於氟的助熔劑,如氟化銨、YF3或A1F3,則發光物 質可含有其它元素,如少量的氟。最宜地,發光物質包括 (Y〇.37Gd〇.6Ce〇.03)3Ah〇12磷光體。然而,若需要,發光物質可 包含一種閃爍體。 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 第二較佳觀點的LED可包括任何具有尖峰發射波長大 於47 0nm且當其發出輻射時係能產生白光朝向發光物質者 的LED。換言之,該LED可包括一種基於適合的III-V、 II-VI或IV-IV半導體層的半導體二極體。較宜地,該LED 可含有至少一個包含GaN、ZnSe或SiC的半導體層。更宜 地,LED包括單量子井LED,其具有InGaNp-n接點,具有 大於47 0nm但小於500nm的尖峰發射波長。然而,亦可使 用多量子井LED或無量子井LED。介於475和480nm間, 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) -16- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A7 B7 五、發明説明(14 ) 如47 8 nm的尖峰發射波長係最佳的。沿著第3和5圖中的線 43之介於470和5 OOnm間的尖峰發射波長係容許一連接LED 色座標與發光物質色座標的線接近B B L曲線。 最宜地,依本發明第三較佳觀點,發光物質包括 (Ai_xGdx;hD5Ei2:Ce,其中x>0.4且LED尖峰發射波長大於 47Onm者,係容許一連接發光物質和LED色座標的線接近 BBL曲線,如以上就第一、第二和第三較佳實施例所說明 者。再者’ % 3-6圖中所不的光輸出色座標之發光物質包括 (A^xGdxhDsEaCe其中x〉0.4者,而第3-6圖中亦顯示LED 的色座標具有大於47Onm的尖峰發射波長者係能讓線33 ' 6 5和6 8接近第3 - 6圖中的B B L曲線2 1。 對照下,先前技藝LED-磷光體白光照射系統利用具有 至多465nm的較佳尖峰發射波長之藍LED,如第1和2圖中 的圓圈1所示。再者,具有高Gd含量的YAG:Ce3 +磷光體在 先前技藝中係不被喜愛的,因爲與具有低Gd含量的磷光體 比較下,高G d含量會減少系統效率的一些百分率。在該先 g[J技藝系統中,連接磷光體和LED色座標的線係不會接近 BBL曲線。 依本發明較佳觀點的照射系統(如表1中所示)係與 Nakamura教科書中所述的先前技藝照射系統(如表2中所示) 作比較。 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS )八4規格(21〇><297公釐) _ 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -17- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 Α7 _____________________________________ Β7 五、發明説明(15 ) 表1 系統=具有 47 8nm 發射的 LED + (YQ.37GduCe〇_(n)3Ah〇 磷光體 色溫 ; 與BBL的色座標距離(Υ-單位) 3800 Κ 0.005 4000 Κ 0.003 5000 Κ -0.003 _— 6000 Κ_ -0.004 __ 7000 Κ_ -0.002 8000 Κ -.00009 9000 Κ 0.002 _ 10,000 Κ__ 0.004 10,800 Κ 0.005 表2 先前技藝系統=具有460nm發射的 LED + (Y〇.”Ce〇.〇3)3Al5〇i2 憐光體 色溫 與BBL的色座標距離(Y-單位) __4000 K_ 0.072 5000 K 0.020 一 5800 K 0.005 6000 K 0.002 — 6800 K '0005 如表1和2中所計算的,依本發明一範例系統係發出具 有與BBL相隔〇.〇iy單位內,較佳〇.〇〇5y單位內的色座標, 其之色溫範圍(約3,800K至1 0,800K)係比先前技藝的系統( 約5,800至6,8 00Κ)寬。因此,依本發明較佳實施例的系統 將比先前技藝系統較不敏感於發光物質的厚度誤差和變化 。此造成與先前技藝系統比較下,依本發明所製造的系統 係具有改良的製造良率。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210X297公釐) 批衣 訂 "線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -18- 494582 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明(16 ) 例如,假定系統所發出的適宜光色係對應於位置接近 第4圖中點3 1和49的色座標。爲了獲得所欲的顏色,發光 物質的厚度應等於預定値。然而,由於製造誤差,所製造 的發光物質之厚度可能大於預定値。 比所欲之發光物質厚度大時將造成系統的色座標移動 朝向一線(此線連接發光物質色座標與L E D色座標)的發光 物質色座標,即朝向第3圖中的線3)。例如,依第一較佳 實施例的系統之色座標將由點4 9移動,沿著線3 3朝向第3 圖中的線3上之點4 1。同樣地,先前技藝系統的色座標將 由點49移動,沿著線25朝向線3上的點1 1。 如第3和4圖中所示,第一較佳實施例的系統在發光物 質厚度方面係比先前技藝系統容許與預定値有較大的誤差 ,同時保持一令人可接受的白系統色輸出。例如,厚度的 偏差可使第一較佳實施例的系統之色座標移動直到點5 3, 其中線3 3與線45相交,同時仍保持一種令人可接受的白色 系統輸出(即,系統色座標仍介於線4 5和4 7間)。對照下, 厚度的偏差僅可使先前技藝系統的色座標移動至59,而仍 保持一適合於照明用途的白色系統輸出。任何更進一步的 厚度偏差將導致先前技藝系統的輸出不適合於照明用途(即 系統色座標將位於點5 9和1 1之間,在第3 - 4圖中的線4 5上 方)。 本發明的其它較佳實施例亦可獲得優於先前技藝系統 的相同優點,當發光物質的厚度低於預定値時亦如此。在 此情況中,色座標將移動至左邊(朝向線43)而非朝向右邊( 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) ~ _ ' -19 - I--------批衣------、玎------^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A 7 _ _ B7 五、發明説明(W) 朝向線3)。再者,依本發明較佳實施例的系統係能提供一 種令人可接受的適於照明用途之白光,其之色溫範圍係比 先前技藝系統者廣,不改變發光物質的組成。 依本發明較佳觀點的白光照射系統可具有不同的結構 。一種較佳結構係如第7圖中所示意表示。照射系統包括 一 LED晶片71及一電氣連接至LED晶片的導線73。導線 7 3可包括被較厚的引線框7 5所支撐的細線,或導線可包括 自我支撐的電極而可省略引線框。導線73供應電流給LED 晶片7 1,而因此造成LED晶片7 1發出輻射,如具有波長介 於470和5OOnm間的藍或藍-綠光。 LED晶片71較佳係被包封在一殼77內,此殻包圍LED 晶片及一包膠材料79。殼77例如可爲透明玻璃或塑膠。包 膠材料例如可爲環氧樹脂或聚合物材料,如聚矽氧。然而 ,爲了簡化加工,可以省略殼或包膠材料。再者,殼可包 括不透明的底部及透明的頂部(含玻璃、塑膠或開口)。再者 ,除了以下圖中所示的形狀,殼7 7亦可具有任何適宜的形 狀。L E D晶片7 1可被支撐,例如被引線框7 5、自我支撐性 電極、殼7 7底部或一固定於殼或引線框的基座所支撐。 照射系統的第一較佳結構包括一發光物質8 1。發光物 質可包括(A「xGdx)3D5Ei2:Ce磷光體或閃爍體,其中x>0.4, 形成LED晶片附近。若發光物質8 1係一種磷光體,則磷光 體可覆蓋或直接在LED晶片71的發光表面上。若發光物質 8 1係一種固態閃爍體,則閃爍體可附著於或在LED晶片7 1 的發光表面上。殼77和包膠劑79應爲透明的,以便讓光線 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公楚) 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -20- 494582 A7 B7 五、發明説明(18 ) 83透射經過這些元件。 弟8圖顯不本發明的第二較佳結構。第8圖的結構係相 同於第7圖者,但是發光物質8 1係散佈於包膠材料7 9中, 而非形成在LED晶片7 1上。發光物質8 1可包括一種磷光體 粉末,其係散佈於包膠材料7 9的單一區域內或遍及於包膠 材料的整個體積內。LED晶片71所發出的藍或藍-綠光85 係與磷光體8 1所發出的黃光混合,而呈現白光83。 弟9圖顯不本發明的第二較佳結構。第9圖的結構係與 相同於第7圖者,但是發光物質8 1係塗覆於殼77上,而非 形成在LED晶片7 1上。發光物質8 1較佳係一種磷光體8 1 ’其塗覆在殼77之內表面上,但是若需要亦可將發光物質 塗覆在殼之外表面上。磷光體81可塗覆在殼的整個表面上 或僅在殼的表面之頂部上。LED晶片71所發出的藍或藍-綠 光85係與磷光體81所發出的黃光混合,而呈現白光83。 另可選擇地,殼77可由閃爍體形式的發光物質81製成 。當然,第7-9圖的實施例可以被合倂,且發光物質可位於 任二個或所有的三個位置中或在任何其它適合位置中,如 與殼分開或整合入LED內。 依本發明的第四較佳實施例,白光照射系統可由以下 方法製得。首先,選擇一接近BBL的線。例如,依本發明 第一、第二或第三較佳實施例的線係接近B B L。然而,可 選擇其它接近BBL的線。根據所選擇的線’形成一種LED ,其具有接近BBL的線上之點所表示的發射光譜。再者,
根據所選擇的線,形成一種發光物質,其具有有接近BBL 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -21 - 494582 A7 B7 五、發明説明(19 ) 的線上另一點所表示的發射光譜。 在本發明第四較佳實施例的方法中,術語「被形成」 或「形成」係涉及LED及/或發光物質的製造,以及將現存 的LED及/或現存的發光物質置入白光照射系統內。例如, 藉由選擇或買入一現存的LED(其具有接近BBL的線上之點 所表示的尖峰發射波長)’然後將LED置入白光照射系統內 ’則LED可’’被形成’’爲系統的一部分。可將LED晶片置入 殼內及連接至導線。再者,以一接近BBL的單線爲基準, 可形成數個LED及/或發光物質。例如,在選擇一接近BBL 的單線後,數個LED及/或發光物質可被製得或選擇或置入 以單選擇線爲基準的照射系統內。 磷光體形式的發光物質例如可由任何陶瓷粉未方法製 得’如液相(流動)方法或固態方法。較宜地,磷.光體的製法 包括以下步驟。首先,磷光體材料的起始化合物係在坦堝 或另一適合的容器內混合,如球磨機,以形成第一複合粉 末。較佳的起始磷光體化合物包括化學計量的氧化鈽Ce〇2 、氧化釓Gd〇2、氧化釔Y2〇3、及氧化鋁AI2O3。若需要, 亦可添加一種助熔劑,如氟化銨、氟化釔YF3及/或氟化鋁 A1F;,其改良磷光體的發光度及效率,其濃度較佳爲每莫 .耳所製造的磷光體使用0.02-0.2莫耳百分率。另可選擇地, 稀土元素可由一種酸溶液中共沈澱以形成一種複合稀土氧 化物粉末,其然後與氧化鋁粉末混合或視需要可與助熔劑 如A1F3混合。 摻合後的第一粉末然後在1 000至1 600 °C的爐或坩堝中 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) 裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -22- 494582 A7 B7 五、發明説明(2〇 ) 燒結約2至10小時,較佳在1 500 °C燒結六小時,以形成一 種燒結體或餅。若使用助熔劑,則燒結較佳係在還原氣氛 中進行,如在形成氣中或在木炭蒸氣中。然後將燒結體硏 磨成爲第二粉末。較宜地,第二粉末係被硏磨直到具有約6 微米的平均粒子大小者。第二粉末較佳係以丙醇或水當作 硏磨介質而作硏磨,隨後經乾燥。然而,其它硏磨介質, 如甲醇,係可替代地使用。 然後’將第二粉末置於白光照射系統內。第二粉末可 置於LED晶片上,散佈於包膠材料中,或塗覆在殼的表面 上’如以上就本發明第一、第二和第三較佳結構所述者。 較宜地’使用第二粉末和液體的懸浮液來塗覆LED晶片或 殼表面。懸浮液亦可視需要地含有一種在溶劑中的黏合劑 。較宜地’黏合劑包括一種有機物質,如硝基纖維素,在 溶劑中’如在醋酸丁酯、醋酸戊酯、甲基丙醇或丙二醇單 甲醚醋酸酯中,爲9 0 - 9 5 %含量且具有1 - 2 %變性乙醇。黏合 劑可增進粉末粒子的互相黏附性及與LED或殼的黏附性。 然而’若需要,可省略黏合劑以簡化加工。在塗覆後,懸 浮液被乾燥且可被加熱以蒸發黏合劑。在乾燥溶劑後,所 塗覆的第二粉末係充當磷光體。 若磷光體欲散佈於包膠材料中,則磷光體可當作第二 粉末加到聚合物前驅物,然後可使聚合物前驅物硬化以固 化聚合物材料。另可選擇地,第二粉末可與環氧樹脂包膠 劑混合。亦可使用其它磷光體散佈方法。 可藉由任何閃爍體製造方法來製造閃爍體形式的發光 本紙張尺度適用中^'^標準(〇奶)八^>格(210'乂297公釐) " ~— -23- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝- 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 經濟部智慧財產局工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明(21 ) 物質。例如’可由柴氏浮區法或其它晶體成長法來形成閃 爍體。然後可將閃爍體置於led晶片上或用當作殼或當作 殼的頂部。 已經將白光照射系統的輻射源敘述爲半導體發光二極 體。然而,本發明的輻射源不限於半導體發光二極體。例 如,白光照射系統可包括一種有發光二極體(OLED)、一種 電漿顯示裝置或一種螢光燈。輻射源可包括一種氣體,其 產生輻射放電以響應電極所放出的帶電粒子之碰撞。氣體 所發出的輻射係投射到塗在系統一部分上的發光物質上, 此導致發光物質發出黃光。黃光與氣體所產生的輻射混合 ,而對觀看人呈現白色。 再者,上述較佳的系統含有單一輻射源及單一發光物 質。然而,若需要,在系統中可以使用具有不同發射色座 標的數個輻射源及/或數個發光物質,俾改良所發出的白光 或使所發出的光與不同顏色的光作合倂。例如,在顯示裝 置中,白光發射系統可與紅及/或藍發光二極體組合。 爲了說明之目的,已經揭示較佳的實施例。然而,此 說明應非視爲本發明範圍的一種限制。因此,熟悉技藝者 可作出各種修飾例、變化例和替代例而仍不脫離本發明之 精神和觀念範圍。 本紙張尺度適用中國國家標準^奶^料見格丨210〆29^*) -- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ
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Claims (1)
- 494582 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 1. 一種白光照射系統,包括一輻射源及一發光物質, 其中: 輻射源的發射光譜代表CIE色度圖上的第一點; 發光物質的發射光譜代表CIE色度圖上的第二點;及 一連接第一點與第二點的第一條線係接近CIE色度圖 上的黑體軌跡。 2. 如申請專利範圍第1項之系統,其中輻射源包括發 光二極體。 3 .如申|靑專利範圍第2項之系統,其中第一條線係與 黑體軌跡相交兩次。 4. 如申請專利範圍第2項之系統,其中第一條線係與 黑體軌跡相切。 5. 如申請專利範圍第2項之系統,其中: 第一條線上的第三點和第四點之位置係與CIE色度圖 上的黑體軌跡相隔0.01 y單位以下; 第三點對應於第一色溫;及 第四點對應於第二色溫,其係比第一色溫大至少2 0 0 0 K 〇 6. 如申請專利範圍第5項之系統,其中第一條線上的 第三點和第四點之位置係與CIE色度圖上的黑體軌跡相隔 0.005y單位以下。 7. 如申請專利範圍第6項之系統,其中第一色溫係 4000K,而第二色溫係6000K。 8. 如申請專利範圍第2項之系統,其中: 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -25- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A8 B8 C8 _ D8 六、申請專利範圍 (a) 發光物質包括: (Ai-xGdx)3D5Ei2:Ce ’ 其中A包括Y、Lu、Sm和中的至少一者; D包括Al、Ga、Sc和In中的至少一者; E包括氧;及 x>0.4 ;及 (b) 發光二極體的尖峰發射波長大於47〇nm。 9 ·如申請專利範圍第8項之系統,其中發光物質包括 (Yi-x_zGdxCez)3Al5〇i2 ’ 其中 〇·7>χ>〇·4 且 〇.ι>ζ>〇。 1 0.如申請專利範圍第9項之系統,其中發光物質更含 有氟。 1 1.如申請專利範圍第9項之系統,其中發光物質包括 (丫。.37〇(1〇.6〇6。.。3)^15〇12磷光體。 1 2.如申請專利範圍第8項之系統,其中發光二極體含 有一種包含至少一個包含GaN、ZnSe或SiC的半導體層, 其具有大於470nm但小於500nm的尖峰發射波長。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之系統,其中發光二極體的 尖峰發射波長係475至480nm。 1 4 ·如申請專利範圍第1 2項之系統,其中發光二極體包 括InGaN p-n接點。 1 5 .如.申請專利範圍第8項之系統,其中: 發光物質包括(YnzGdxCez)3Ah〇12,其中〇.7>χ>〇.4且 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格(210 X 297公釐) r 111— 11 - n 11 I 訂 - 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -26- 494582 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 _ 六、申請專利範圍 〇.1〉z > 0 ;及 發光二極體的尖峰發射波長大於大於4 7 0 n m但小於 5OOnm 。 16.如申請專利範圍第15項之系統,其更包括一殼,此 殼含有發光二極體及一介於殼與發光二極體之間的包膠材 料,及其中: (a) 發光物質係一種塗覆在發光二極體表面上的磷光體 (b) 發光物質係一種散佈在包膠材料內的磷光體;或 (c) 發光物質係一種塗覆在殼上的磷光體;或 (d) 發光物質係一種覆蓋在發光二極體表面上的閃爍體 〇 1 7.如申請專利範圍第2項之系統,其中系統所發出的 輻射係接近CIE色度圖上的黑體軌跡,實質上與色溫範圍 4000K至6000K的發光物質之厚度無關。 1 8.如申請專利範圍第2項之系統,其中系統所發出的 輻射之CIE色座標之範圍爲從x = 0.31和y = 0.33至x = 〇.44和 y=0.4 ° 1 9.如申請專利範圍第1項之系統,其中輻射源包括雷 射源、有機發光二極體或電漿顯示器或螢光燈中的輻射氣 體放電之一。 2 0.—種白光照射系統,包括: (a)發光物質,其包括: 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ; 裝 訂 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -27- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (Ai-xGdx)3DsEi2:Ce j 其中A包括Y、Lu、Sm和La中的至少一者; D包括A1、Ga、Sc和In中的至少一者; E包括氧;及 x>〇.4 ;及 (b)具有尖峰發射波長大於47Onm的發光二極體。 2 1 ·如申請專利範圍第2 0項之系統,其中發光物質包括 (YnzGdxCez)3Al5〇i2,其中 0·7〉χ〉0·4 且 〇·1>ζ>〇。 2 2 ·如申請專利範圍第2 1項之系統,其中發光物質更含 有氟。 2 3 ·如申請專利範圍第2 1項之系統,其中發光物質包括 (Y〇.37Gd〇.6Ce〇.0 3)3Al5〇12 磷光體。 2 4.如申請專利範圍第2 0項之系統,其中發光二極體含 有〜種包含至少一個包含GaN、ZnSe或SiC的半導體層, 其具有大於4 7 0 n m但小於5 0 0 n m的尖峰發射波長。 25.如申請專利範圍第24項之系統,其中發光二極體的 尖峰發射波長係475至480nm。 2 6.如申請專利範圍第20項之系統,其中: 發光物質包括(YmGdxCez)3Ah〇12,其中〇.7>x>〇.4且 〇. 1 >z>〇 ;及 發光二極體的尖峰發射波長大於大於47Onm但小於 5〇〇nm。 27 ·如申請專利範圍第26項之系統,其更包括一殼,此 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ' 一 -28- J I 訂 線 (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A8 B8 C8 D8 、申請專利托圍 殼含有發光二極體及一介於殼與發光二極體之間的包膠材 料,及其中: (a) 發光物質係一種塗覆在發光二極體表面上的磷光體 , (b) 發光物質係一種散佈在包膠材料內的磷光體;或 (c) 發光物質係一種塗覆在殼上的磷光體;或 (d) 發光物質係一種覆蓋在發光二極體表面上的閃爍體 〇 28·如申請專利範圍第20項之系統,其中系統所發出的 輻射係接近CIE色度圖上的黑體軌跡,實質上與色溫範圍 4000K至6000K的發光物質之厚度無關。 29 ·如申請專利範圍第20項之系統,其中系統所發出的 輻射之CIE色座標之範圍爲從x = 0.31和y = 0.33至x = 0.44和 y 二0.4 0 30·—種製造含有輻射源和發光物質的白光照射系統之 方法,包括: 選擇一接近CIE色度圖上的黑體軌跡之第一條線; 形成該輻射源,其中輻射源的發射光譜係由第一條線 上之第一點所代表;及 形成該發光物質,其中發光物質的發射光譜係由第一 條線上之第二點所代表。 3 1 ·如申請專利範圍第30項之方法,其中輻射源包括發 光二極體。 3 2 .如申S靑專利¥E圍弟3 1項之方法,其中第一'條線係與 土紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) - ' -29 - ^ 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 494582其中第一色溫係 其中 A8 B8 C8 D8 、申請專利範圍 黑體軌跡相交兩次。 3 3 ·如申請專利範圍第3 1項之方法,其中第一條線係與 黑體軌跡相切。 34·如申請專利範圍第31項之方法,其中: 第一條線上的第三點和第四點之位置係與CIE色度圖 上的黑體軌跡相隔〇.〇1 y單位以下; 第三點對應於第一色溫;及 第四點對應於第二色溫,其係比第一色溫大至少2000K 〇 3 5 ·如申請專利範圍第3 4項之方法,其中: 第一條線上的第三點和第四點之位置係與CIE色度圖 上的黑體軌跡相隔〇.〇〇5y單位以下。 36.如申請專利範圍第35項 4000K,而第二色溫係6000K。 37·如申請專利範圍第31項之 U)發光物質包括: (Ai-xGdx)3D5Ei2:Ce 5 其中A包括Y、Lu、Sm和La中的至少一者 D包括Al、Ga、Sc和In中的至少一者; E包括氧;及 χ>0·4 ;及 (b)發光二極體的尖峰發射波長大於470nm ° 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) : 裝 訂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -30- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 494582 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 3 8 .如申請專利範圍第3 7項之方法,其中: 發光物質包括(丫1^0心〇€小八15〇12,其中〇.7>}〇0.4且 0 · 1 >z>0 ;及 發光二極體的尖峰發射波長大於大於470nm但小於 5 OOnm 0 39. 如申請專利範圍第38項之方法,其中發光物質包括 (Y〇.37Gd〇.6Ce〇.(n):jAl5〇12磷光體,而發光二極體包括一種具有 尖峰發射波長爲475至480nm的InGaN p-n接點。 40. 如申請專利範圍第37項之方法,其中發光物質的形 成步驟包括: 混合Y 2 0 3混末、C e 0 2粉末、A12 ◦ 3粉末、G d 0 2粉末及 A1F 3助熔劑以形成第一粉末; 在還原氣氛中燒結第一粉末以形成一種燒結體;及 將燒結體轉變成爲第二粉末。 41. 如申請專利範圍第40項之方法,其中: 形成發光二極體的步驟包括: 將發光二極體置入一殼內;及 用包膠材料塡滿殼內; 且其中形成發光二極體的步驟更包括: (a) 將第二粉末和溶劑的懸浮液塗覆在發光二極體的表 面上,及使懸浮液乾燥; (b) 將第二粉末散佈在包膠材料內;或 (c) 將第二粉末和溶劑的懸浮液塗覆在殼上,及使懸浮 液乾燥。 ^紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) ~ — -31 - ——Μ-------¾------訂------0 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 494582 AB<CD 六、申請專利範圍 42·如申請專利範圍第31項之方法,其中系統所發出的 輻射係接近CIE色度圖上的黑體軌跡,實質上與色溫範圍 4000K至6000K的發光物質之厚度無關。 4 3 ·如申請專利範圍第3 1項之方法,其中形成發光二極 體的步驟包括: 選擇一種現存的發光二極體,其具有第一條線上第一 點所代表的發射光譜;及 將發光二極體置入照射系統內。 44 ·如申請專利範圍第3 1項之方法,其中形成發光二極 體的步驟包括: 選擇一種現存的發光二極體,其具有第一條線上第二 點所代表的發射光譜;及 將發光二極體置入照射系統內。 45.如申請專利範圍第3 1項之方法,其更包括以選擇接 近黑體軌跡的第一條線之單一步驟爲基礎,形成數發光二 極體和數發光物質的至少之一。 4 6 ·如申請專利範圍第3 0項之方法,其中輻射源包括雷 射源、有機發光二極體或電漿顯示器或螢光燈中的輻射氣 體放電之一· 〇 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) A4規格(210X297公釐) • 0¾ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、言· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -32-
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