TWI249861B - Wavelength converting substance and light emitting device and encapsulating material comprising the same - Google Patents

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Description

I249861 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種波長轉換物、包括此種波長轉換物之 發光裝置、以及包括此種波長轉換物之發光二極體裝置用 之封裝材料。 g 【先前技術】 近年來發光二極體（以下簡稱LED)的應用領域不斷地 被開發。不同於一般白熾燈泡，LED係屬冷發光，具有耗 $$低、元件壽命長、無須暖燈時間、反應速度快等優點， 再加上其體積小、耐震動、適合量產，容易配合應用需求 製成極小或陣列式的元件，因此LED已普遍使用於資訊、 通-凡及/肖費性電子產品的指示燈與顯示裝置上。l耶除應 鲁用於戶外各種顯示器及交通號諸燈外，在汽車工業中也佔 、有一席之地，另外在可攜式產品，如行動電話、PDA螢幕 θ光原的應用上’亦有亮麗成績。尤其是目前當紅的液晶 顯示器產品，在選擇與其搭_背光模組零件時，LED更 是不可或缺的關鍵零組件。 1249861 “發光二極體封裝體一般包含一發光二極體元件以發 光。光線自發光二極體元件發射出來之後，必須於封裝材 :内進行-連串的光學擴散、反射、混色、或光波長轉換 等過程，最後才能得到令人滿意的色調以及亮度。所以， 封裝材料的選擇，也是設計發光二極體封I體時的重要參 數0 習知之發光二極體裝置用之封裝材料大多是包括波長 轉換材料以及散光劑。波長轉換材料亦可稱為被動發光^ 料，例如螢光粉系列，係用以將發射光源，通常為藍光或 紫外線(uv)，轉換為另一夜長之光線，通常為黃、紅、藍、 或綠光。部分穿透出的藍光與黃光混合成白光。有的是以 紅或藍或綠光為主動光源。有的是加入部分紅或藍或綠光 •之波長轉換材料，以混合成白光。第！圖顯示—習知之勞 光材料顆粒之示意圖。螢光材料顆粒1〇接 】，然後將光線轉換為波長的,2的光發射 裝材料中通常會再加入光純性且反光性佳之材料顆粒或氣 泡’使光之混合更均勻’此即一般所稱的散光劑，例如，
Si02、PMMA、Si3N4、GaN、InGaN、A1InGaN、及氣泡（Air
Bubble)。但此等散光劑多多少少消乾掉若干光量，而降低 發光二極體裝置之亮度。 1249861 第2圖顯示一習知燈泡型發光二極體封裝體20之示意 圖。習知之燈泡型發光二極體封裝體20包括一發光二極體 晶片21，一黏著引腳24以及一引腳25，且黏著引腳24之 中又包含有一杯型槽26，黏著引腳24係用來作為一負電 極，而引腳25係用來作為一正電極。發光二極體晶片21 係被設置於黏著引腳24之杯型槽26内，且發光二極體晶 • 片21中之一 P型電極以及一 N型電極（未顯示於圖中）係分 別經由導線23被電連接至黏著引腳24以及引腳25。杯型 槽26係被一封裝材料22所填滿，且封裝材料22之中又包 含有許多散佈於其中的螢光材料（未顯示於圖中）。環氧樹 脂27位於最外部，包覆住整個發光二極體、導線、杯形槽、 及引腳，僅露出二引腳之各一端。 *· 第3圖顯示一習知之表面黏著型發光二極體封裝體30
之示意圖。此種表面黏著型發光二極體封裝體30包括一發 光二極體晶片31以及一杯體32，且杯體32中另包含有一 正金屬端子34以及一負金屬端子35，正金屬端子34係用 來作為一正電極，而負金屬端子35係用來作為一負電極。 發光二極體晶片31係被設置於杯體32之一凹槽36内，並 位於正金屬端子34之上，且發光二極體晶片31中之一 P 12奶861 ^極以及-N型電極（未顯示於圖中）係分別經由導線43 、皮兔連接至正金屬端子34以及負金屬端子％。凹槽36係 ，〜封裝材料37所填滿，且封裝材料”之中又包含有許 多散佈於其中的螢光材料及散光劑（未示出）。 义上述之燈泡型發光二極體封裝體2〇以及表面黏著型 _ ^光—極體封裝體30，具有不同的封裴結構，而均可達到 匕色以產生白光或其他色光的目的〇但是，不肖的封裝結 構對於最後的發光特性而言，也會產生㈣的結果。然而， 不官是採用哪一種封裝結構，均有因為螢光材料與封裝基 貝材料之界面性質或是散光劑或擴散層之性質之故，使發 光能量損失，進而使裝置亮度下降之問題。 因此，雖然發光二極體及其封裝技術不斷進步，但是 肇目前在提升亮度及封裝材料本身仍具發展空間。 【發明内容】 因此，本發明之目的係提供一種波長轉換物，其異於 典型螢光材料之構造，係同時具有波長轉換與兼具散混光 效果之材料，使用於發光裝置或其封裝材料中時，可增進 發光裝置之亮度以及混光效果，並且具有較佳之抗熱性。 1249861 本毛明之波長轉換物包括一波長轉換材料顆粒及一位 於波長轉換材料顆粒上之透明層。 本I明之發光二極體裝置用之封裝材料包括一基質及 至少如上述之波長轉換物。波長轉換物係散佈於基質中。 【實施方式】 叫參考第4及5圖，其顯示製造本發明之波長轉換物 之流程不意圖，並且顯示本發明之波長轉換物結構之示意 圖。本發明之波長轉換物46、56包括一波長轉換材料顆粒 40、50及一透明層42a及42b、52。透明層是位於波長轉 換材料顆粒表面上。 可使用於本發明之波長轉換材料顆粒係被動發光材料 形成之顆粒，例如螢光材料、磷光材料、染料、或其組合， 成顆粒狀’以能夠進行波長轉換功能為前提。波長轉換材 料可舉例有以一般式⑷^㈣⑼“+〜⑹心卜3U+3V:D表示 之材料，其中，0<t<5，〇<u<15，0<v<9，A 係由 Y、Ce、 Tb、Gd、及Sc中所選出的至少一種，b，係由Al、Ga、ΤΙ、 In、及Β中所選出的至少一種，C係由Ο、S、及Se中所 1249861 選出的至少一種，及D係由Ce及Tb中所選出的至少一種。 接著將微米至奈米級之微粒狀的透明材料42附著於 波長轉換材料顆粒表面上，再經由燒結製程，以使透明層 '是二σ卩刀之波長轉換材料顆粒表面。例如第*圖所示，以 連績（例如透明層部分42a)或島狀(例如透明層部分42b)等 _ 方式覆盍於波長轉換材料顆粒40之部分表面。又如第5圖 斤示，在波長轉換材料顆粒表面進行化學氣相沉積、蒸鐘、 或’賤鍍，可得透明層52覆蓋波長轉換材料顆粒5()全部表 ，可進一步予以熱處理，使透明層52表面較平整。 透明層42a、42b與52除了具散光效果之外，另一個 月匕疋使波長轉換材料40或50的表面鈍化，進而使其發 • 光輝度的抗熱能力增加。因此，本發明揭露的波長轉換物 ，、有％c佳之耐熱性。
透明層之厚度較佳在約50人至2//m之範圍。波長轉 換材料顆粒粒徑可為，但不限於，5〇〇〇人至3〇//m。當透 月層之量占波長轉換物總重量之0.1%至10%時，是最適當 的’此時的波長轉化材料顆粒大小可為5至30//m，可與 城米級的透明材料顆粒(例如ITO)混合燒結；或可為5000A 1249861 至l//m，可與奈米級的透明材料顆粒（例如IT〇)混合燒 結，但是本發明並不侷限於此。透明層之材料可舉例有銦 錫氧化物(ΙΤΟ)或銦鋅氧化物(ιζο)。 本發明中之透明層具散光效果，且藉由選擇具有適當 的折射率的材料，能控制菲涅耳(FresnelM&量損失，提升 亮度。本發明所使用之透明層之折射率較佳為與波長轉換 材料顆粒之折射率相差較小者。請參閱第6圖，其顯示相 3位於相丨與相2之間之示意圖。當僅有相i與相2直接 相鄰B守’具有波長為又之光線由相1經折射即進入相2。 假叹相1、相2分別具有折射率ni、n2，Fresnei反射係數 (Fresnel reflectance) R1可經由下列算式獲得：Rl = [(n2_nl)/(n2+nl)]2;穿透係數=4/(2+nl/n2+n2/nl)。而於相 1 (例如波長轉換材料顆粒)與相2 (例如波長轉換材料顆粒外 界之環境)之間有相3 (例如透明層）存在時，可減少在此界 面的Fresnel(反射）能量損失(增加穿透係數），亮度更為提 升0 因此，本發明之波長轉換物具有透明層於波長轉換材 料顆粒之表面上（transparent film 〇n wave_c〇nvert substance) ’兼具波長轉換功能及散光功能，應用便利。不 12 1249861 2用於人射源為uv或可見㈣線之轉換，亦可應用於 ^電子束紅射狀轉換。_於發絲料，可將複數 :如本舍明之波長轉換物安置於能夠接受光發射元件所發 =光線處’當光發射元件被驅動時，發射出光線，波長 =換物吸收光線而以另—波長之光線放射出。在電子束之 ^兄亦相同’當電子束發射科被驅動時，發射出電子束 ::長㈣物吸收電子束而以另-波長之光線放射出去。上 <光备射兀件可為—發光二極體或其他發光元件。 本發明之波長轉換物^細 ::是進-步使用-封裝材料以-併封裝發先二: :換物。此外，在實際划上，亦可將本 波 =與—基質"合，使波長轉換物散佈於基質中= 封衣材料，以適用於各種發 ^成 ，物習知之燈_ 事置、“習知之表面黏著型發光二極體發光 =進而取代習知之波長轉換材料與散： 例如環氧…機W 料之複合材Γ璃材料、絕緣私之讀材㈣是前述材 13 1249861 實施例本發明之波長轉換物之製造 取（Tb，Y)3Al5012:Ce+3 加上 不水級乳化銦錫（ITO)顆粒 (重量比10 : 1)約10至15 g，加入 g加入2〇〇ml之PVA(聚乙烯
醇(p—inyU^h，及加人氧聽球作為滚筒難均句 的媒介，經混合約2小時；經過6〇(rc燒結2小時，PM 蒸發，而形成本發明之波長轉換物。 將做為對照組之(習知之YAG)與上 述實施例所得之本發明之波長轉換物，分別與做為封膠之 矽膠混合烤乾後，以烘箱分別在約5〇、80、1〇〇、及15〇 C下熱處理約24小時。測定經過各次熱處理之對照組及本 發明之相對亮度。使用455nm藍色LED為光源，TOP LED 封裝型，20mA電流，以本發明之波長轉換物剛封裝完成之 元成12 口之/¾度為參考值’結果請夢閱弟7圖。在熱處理之 前’本發明與對照組即具有5%之亮度差異。在50°c之熱 處理後，本發明與對照組具有7%之亮度差異。於各次熱處 理後，差異逐漸擴大。在150°C之熱處理後，本發明與對 照組已具有14%之亮度差異。由結果可知，本發明之波長 轉換物具有較佳之耐熱性。 14 1249861 比車交(習知之YAG)與上述實施例所 得之本發明之波長轉換物應用時之亮度差異。使用455至 46〇nm波長之光源，Π密耳（mil)x13密耳之尺寸，2〇mw 之功率，在10、15、20、25、及30 mA之各種驅動電流下， ’貝J畺冗度，結果如第8圖所示。清楚顯示使用依據本發明 之波長轉換物，可獲得較高之亮度。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範 圍0 【圖式簡單說明】 第1圖顯示一習知之螢光材料顆粒之示意圖。 籲 2 2圖顯示―習知燈泡型發光二極體封裝體之示意圖 * 3 ®顯示―習知之表面黏著型發光二極體封裝體之 示意圖。 f 4圖顯示—依據本發明之波長轉換物之示意圖。 f 5圖顯示另—依據本發明之波長轉換物之示意圖。 f 6圖顯示在相i與相2與相 '介質之間之關係。 弟7圖顯示習知之YA G與依據本發明之波長轉換材料 的抗熱特性。 15 1249861 第8圖顯示習知之YAG與使用依據本發明之波長轉換 材料封裝的LED亮度差異。 【主要元件符號說明】 10:螢光材料顆粒 20 :燈泡型發光二極體封裝體 Φ 21、31 :發光二極體晶片 22、 37 :封裝材料 23、 33 :導線 24 :黏著引腳 25 :引腳 26 :杯型槽 27 :環氧樹脂 參 30 ··表面黏著型發光二極體封裝體 32 :杯體 34 :正金屬端子 35 :負金屬端子 36 ··凹槽 40、50 :波長轉換材料顆粒 42 :透明4才料 42a、42b、52 ··透明層 16 1249861 46、56 :波長轉換物

Claims (1)

1249861 十、申請專利範圍： 1. 一種波長轉換物，包括： 一波長轉換材料顆粒；及 一透明層，位於該波長轉換材料顆粒表面上。 2. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該波長 轉換材料顆粒包括螢光材料、磷光材料、染料或其組合。 3. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該透明 層係部分覆蓋該波長轉換，材料顆粒表面。 4. 如申請專利範圍第3項所述之波長轉換物，其中該透明 層係以連續或島狀等方式覆蓋於該波長轉換材料顆粒 部分表面。 5. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該透明 層係完全覆蓋該波長轉換材料顆粒表面。 6. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該透明 層為銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物(IZO)。 18 1249861 7·如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該波長 轉換材料顆粒之折射率大於该透明層之折射率。 8·如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該透明 層厚度為50Α至2 // m。 9·如申請專利範圍第丨項所述之波長轉換物，其中該波長 轉換材料顆粒粒徑為5000A觅3〇// m。 10·如申請專利範圍第i項所述之波長轉換物，其中該波
般式 (A)3+t+u(B )5+u+2v(C)i2+2t+3u+3v.D 表不之材料，其中，
〇<t<5，0<u<15，0<v<9，A 係由 Y、Ce、Tb、Gd、及 Sc中所選出的至少一種，B’係由A1、Ga、ΤΙ、In、及B 中所選出的至少一種，C係由〇、S、及Se中所選出的 至少一種，及D係由Ce及Tb中所選出的至少一種。 11·如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，其中該波 長轉換材料顆粒為具有波長轉換功能者及該透明層為 具有散光功能者。 19 1249861 12.—種發光裝置，包括： 一光發射元件，當驅動時，發射出光，·及 複數個波長轉換物，該等波長轉換物係位於能 光發射元件所發射之^ 先線之處，吸收該第一光線 而以另-波長之第二光線放射出，且各該波長轉換物 均，括-波長轉換材料顆粒及—以連續式或島狀式 覆盍於該波長轉換材料顆粒表面上之透明層。 I3·如申請專利範圍们2項所述之發光裝置，其中各該波 長轉換材料顆粒包括螢光材料、磷光材料、染料、或其 組合。 14.如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中各該透 明層為銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物(ιζο)。 15·如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中各該波 長轉換材料顆粒之折射率大於各該透明層之折射率。 16·如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中各該透 明層厚度為50A至2/zm。 20 1249861 17·如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中該波長 轉換材料顆粒粒徑為5000人至30// m。 18·如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中該波長 轉換材料顆粒包括一以一般式 (A)3+t+u(B ’)5+u+2v(C) 12+2t+3u+3v:D 表不之材料5其中’ 0<t<5，0<u<15，0<v<9，A 係由 Y、Ce、Tb、Gd、及 Sc中所選出的至少一種，B’係由A1、Ga、ΤΙ、In、及 B中所選出的至少一種，C係由Ο、S、及Se中所選出 的至少一種，及D係由Ce及Tb中所選出的至少一種。 19·如申請專利範圍第12項所述之發光裝置，其中該光發 射元件為一發光二極體。 20. 如申請專利範圍第19項所述之發光裝置，其中該波長 轉換物係做為封裝材料以封裝該發光二極體。 21. 如申請專利範圍第19項所述之發光裝置，其進一步包 括一封裝材料以封裝該發光二極體及該波長轉換物。 21 1249861 22. —種發光二極體裝置用之封裝材料，包括： 一基質；及 至少一如申請專利範圍第1項所述之波長轉換物，散 佈於該基質中。 23. 如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該波長 轉換材料顆粒包括螢光材料、磷光材料、染料、或其 鲁 組合。 24. 如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該透明 層為銦錫氧化物(ITO)或銦鋅氧化物(IZO)。 25. 如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該波長 轉換材料顆粒之折射率大於該透明層之折射率。 26. 如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該透明 層厚度為50A至2 // m。 27. 如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該波長 轉換材料顆粒粒徑為5000A至30// m。 22 1249861 28·如申請專利範圍第22項所述之封裝材料，其中該波長 轉換材料顆粒包括一以一般式 (A)3+t+u(B表示之材料，其中， 0<t<5，0<u<15，〇<v<9，A 係由 Y、Ce、Tb、Gd、Sc 中所選出的至少一種，B，係由A1、Ga、T1、；[n、及B 中所選出的至少一種，c係由0、S、及Se中所選出的 至少一種，及D係由Ce及Tb中所選出的至少一 # 29·如申凊專利範圍第項所述之封裝材料，其中該波長 轉換材料顆粒為具有波長轉換功能者及該透明層為具 有散光功能者。 包括環氧樹脂 〇·如申請專利範圍第22項所述之封装材料，其中該基質 31· 一種發光裝置，包括·· 電子束發射元件，當驅動時，發射出電子束；及 個波長轉換物，料波長轉換物餘於能夠接受 =電子束發射元件所發射之電子束之處，吸收該電子 而以光線放射出，且各該波長轉換物均包括一波長 轉換材料難m續式或島狀式覆蓋於該波長 23 1249861 轉換材料顆粒表面上之透明層。 十一、圖式：
24
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