TWI412685B - 提高輸出色彩演色性之單一封裝發光二極體光源 - Google Patents

Description

提高輸出色彩演色性之單一封裝發光二極體光源

本揭示內容是有關於一種發光電子裝置，且特別是有關於一種提高輸出色彩演色性之單一封裝發光二極體光源。

發光二極體晶片所形成之白光光源在發光效率以及省電特性的表現上，已經逐漸地取代傳統鎢絲燈源，而廣為應用在室內與戶外的照明。但是要做為照明的光源，在光源的亮度及色彩演色性(Color Rendering Index；CRI)上必須具有嚴格的要求，以達到適合人眼觀看的水準，才是最佳的照明設備。

目前的白光發光二極體光源之色彩演色性尚不及傳統的白光燈泡。色彩演色性為光源照射到物體時，物體所能顯現出的演色色塊種類。色彩演色性愈高，即表示光源內包含愈多不同種類與波長的光強度，照射到物體上時物體所能顯示的顏色色塊種類愈多則色彩將愈鮮艷。因此，如果能夠提升發光二極體光源的演色性，將可以大幅提升其適用於照明的程度。

因此，如何設計一個新的發光二極體光源，使其具有高色彩演色性，乃為此一業界亟待解決的問題。

因此，本發明提供一種提高輸出色彩演色性之單一封裝發光二極體光源，包含：基板、至少一主要光源、至少一次要光源、至少一披覆層區塊以及 總輸出光源。該至少一主要光源形成於該基板之一表面，該至少一次要光源形成於該基板之該表面上。該至少一披覆層區塊披覆於該主要光源上，以提供一第一輸出光源；該至少一披覆層區塊披覆於該次要光源上，以提供一第二輸出光源。總輸出光源藉由該第一輸出光源及該第二輸出光源混合產生。

其中該第一輸出光源位於CIE 1931色彩空間色度圖之X座標及Y座標之一特定區域中，該特定區域為以(0.29,0.50)、(0.44,0.42)、(0.37,0.38)及(0.22,0.40)四個座標點為邊界。該第二輸出光源波長範圍在610~640nm。

該總輸出光源達到2700~4000K色溫時具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。

在一實施例中，該至少一披覆層區塊包括一第一披覆層區塊及一第二披覆層區塊，該第一披覆層區塊及該第二披覆層區塊依序覆蓋該至少一主要光源，以提供該第一輸出光源。該第一披覆層區塊覆蓋該至少一次要光源，以提供該第二輸出光源，該第一披覆層區塊包括至少一可透光材料。

該第二披覆層區塊包括至少一可透光材料以及至少一混合材料，該混合材料係為一散射材料、一螢光材料、一轉換波長材料、一非晶體材質或其組合。

依據本揭示內容一實施例，其中基板之結構為平面、凹槽、凸面或斜面，基板之材質為銅、鋁或陶瓷。基板用以導熱及提供主要及次要光源之電路連接功能。

依據本揭示內容另一實施例，其中主要光源包含至少一第一發光二極體晶片，也可更包括至少一披覆層區塊。次要光源包含至少一第二發光二極體 晶片，可更包括至少一披覆層區塊。主要光源之發光效率大於次要光源之發光效率。發光效率分別由主要及次要光源之輸出光強度除以輸入功率所決定。主要及次要光源間之輸出光強度比例大於1。

依據本揭示內容又一實施例，其中主要及次要光源之發光二極體晶片提供紫外光、紫光、藍光、綠光、黃光、橘光、或紅光。主要及次要光源根據直流電源或交流電源驅動。主要及次要光源之電路控制可為一起或各別獨立控制。主要及次要光源晶片間具有大於0.1公釐之間距。主要及次要光源間之位置分佈可為：由主要光源圍繞次要光源、由次要光源圍繞主要光源、主要與次要光源交錯分佈、主要與次要光源對稱分佈或主要與次要光源隨意分佈。

依據本揭示內容再一實施例，其中披覆層區塊可為單層結構或多層結構，披覆層區塊包含可透光材料及混合材料，混合材料為散射材料、螢光材料、轉換波長材料、非晶體材質或其排列組合。混合材料之分佈型態為均勻分佈、不均勻分佈、濃度漸層分佈、集中分佈於上或集中分佈於下。披覆層區塊由點塗、噴灑、網印、灌膜、壓膜或轉置翻印成形方式形成。披覆層區塊為平面、凹面、凸面、規則面、不規則面、鏡面、梯形、圓形或多邊形。披覆層區塊具有交錯排列、完全覆蓋、局部覆蓋、連續排列、不連續排列或交錯排列之排列形式。

本發明又提供一種提高輸出色彩演色性之單一封裝之發光二極體光源，包含：一第一輸出光源；以及一第二輸出光源；其中一總輸出光源，藉由該第一輸出光源及該第二輸出光源混合產生；以及其中該第一輸出光源位於CIE 1931色彩空間色度圖之X座標及Y座標之一特定區域中，該特定區域為以(0.29,0.50)、(0.44,0.42)、(0.37,0.38)及(0.22,0.40)四個座標點為邊界。

其中該第二輸出光源或波長範圍在610~640nm。該總輸出光源達到2700~4000K色溫時具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。

該總輸出光源之產生方式為混合經至少一披覆層區塊所覆蓋之至少一主要光源及至少一次要光源、由該主要光源混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光源或/及該次要光源、由該次要光源混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光源或/及該次要光源、由該主要光源或/及該次要光源覆蓋該披覆層區塊混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光或/及該次要光源。

應用本揭示內容之優點係在於藉由在單一封裝體內，發光二極體晶片與披覆層區塊的結合，以混合成具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標的總輸出光，而輕易地達到上述之目的。

1‧‧‧發光二極體光源

10‧‧‧基板

11‧‧‧第一輸出光源

12‧‧‧主要光源

13‧‧‧第二輸出光源

14‧‧‧次要光源

16、18‧‧‧披覆層區塊

40a、40b、40c‧‧‧披覆層區塊

42a、42b、42c‧‧‧披覆層區塊

44a、44b、44c、44d‧‧‧披覆層區塊

46‧‧‧擴散元件

50‧‧‧基板

5‧‧‧發光二極體光源

54、56‧‧‧披覆層區塊

52‧‧‧發光二極體晶片

為讓本揭示內容之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下：第1A圖為本發明一實施例中之發光二極體光源之俯視圖；第1B圖為第1A圖之發光二極體光源之側剖面圖；第2圖為CIE 1931色彩空間色度圖；第3A圖至第3C圖為不同實施例中，發光二極體光源中之主要及次要光源晶片之配置方式之俯視圖；第4A圖至第4C圖中繪示不同之實施例中，主要及次要光源晶片與披覆層區塊之俯視圖及側剖面圖；第5A圖為本揭示內容另一實施例中之發光二極體光源之俯視圖；以及第5B圖為第5A圖之發光二極體光源之側剖面圖。

請同時參照第1A圖及第1B圖。第1A圖為本發明一實施例之發光二極體光源1之俯視圖，第1B圖為第1A圖中之發光二極體光源1沿虛線A-A之側剖面圖。發光二極體光源1包含基板10、主要光源12、次要光源14及披覆層區塊。

主要及次要光源12及14分別包含至少一第一發光二極體晶片及至少一第二發光二極體。基板10用以導熱及提供主要及次要光源12及14電路連接之功能。基板10之結構係可為平面、凹槽、凸面或斜面，材質係可為銅、鋁或陶瓷。主要及次要光源12及14可根據直流電源或交流電源(未繪示)發光。於不同之實施例中，主要及次要光源12及14可由同一供應電源驅動，或是由兩個以上的供應電源驅動。

於本實施例中，主要光源12形成於基板10上，主要光源12經披覆層區塊16及18覆蓋，以提供第一輸出光源11；次要光源14形成於基板10上，次要光源14經披覆層區塊16覆蓋，以提供第二輸出光源13。主要光源12之發光效率大於次要光源14之發光效率。其中主要光源12及次要光源14之發光效率分別由主要及次要光源12及14之輸出光強度除以輸入功率決定。主要及次要光源12及14之輸出光強度比例大於1。

如第1A圖及第1B圖所示，該至少一披覆層區塊可分成複數個披覆層區塊。披覆層區塊16覆蓋主要光源12與次要光源14。披覆層區塊18覆蓋於該披覆層區塊16及主要光源12。

於本實施例中，披覆層區塊18為可透光材料且內含混合材料，混合材料包含可轉換波長材料，覆蓋主要光源12及局部的披覆層區塊16，不覆蓋次要光源。披覆層區塊16與18包括可透光材料，該可透光材料折射係數大於1，由於發光二極體晶片之折射率約為2而空氣的折射率為1，因此發光二極體晶片所發出的光直接折射到空氣中會因折射率差異導致降低發光二極體的 出光比例，因此披覆層區塊16覆蓋在主要及次要光源上可增加光源折射到空氣之光強度。主要光源12為披覆層區塊16及披覆層區塊18所覆蓋，以提供第一輸出光源11。主要光源12藉由披覆層區塊18中的可轉換波長材料而進行波長轉換及強度之調整，且此第一輸出光源11所發的光將對應在如第2圖所示之CIE 1931色彩空間色度圖之X座標及Y座標的一個特定區域中，此特定區域係為以(0.29,0.50)、(0.44,0.42)、(0.37,0.38)及(0.22,0.40)四個座標點為邊界。

第一輸出光源11所發的光可搭配經披覆層區塊18覆蓋的主要光源12或未經披覆層區塊18覆蓋的次要光源14所產生之第二輸出光源13(其波長範圍在610~640nm)做互相混合。由於所覆蓋的披覆層區塊16為可透光材料，且折射係數大於1，因此披覆層區塊16覆蓋在主要及次要光源12、14上可增加光源折射到空氣之光強度。第一輸出光源11將混合第二輸出光源13成為一個總輸出光源(未繪示)。而該總輸出光源於色溫(CCT)介於2700K至4000K之範圍時，具有高流明值且平均演色性指標(CRI)大於80以及特殊演色性指標(R9)大於40之值。因此，具有上述的平均演色性指標及特殊演色性指標的總輸出光，將可呈現極高的演色性，使人眼能夠觀察到鮮艷的顏色。

請參照表格1，為本揭示內容中發光二極體光源1的主要光源12產生波長約為449nm至459nm間的光源1波長，搭配披覆層區塊16與18得到第一輸出光源11(第一輸出光座標)標示於第2圖CIE 1931色彩空間色度圖之X及Y座標中四點圍繞的特定區域。第二輸出光源13(光源2波長)為經披覆層區塊18覆蓋的主要光源或未經披覆層區塊18覆蓋的次要光源發出，第二輸出光源13波長範圍在615~640nm。第二輸出光源13(光源2波長)以不同之輸入功率(光源2功率)混合第一輸出光源11得到一總輸出光源(總輸出光座標 )的狀態下，其總輸出光源之色溫介於2700K至4000K之範圍時，具有高流明值且平均演色性指標大於80及特殊演色性指標(R9)大於40之值。

於表格1中可以觀察到，第一輸出光源11(第一輸出光座標)標示於第2圖CIE 1931色彩空間色度圖中之X及Y座標四點圍繞的特定區域，將與不同功率輸入的第二輸出光源13之不同光強度(光源2功率)做互相混合，得到的總輸出光源值將會落在黑體幅射線20上約為(0.43,0.40)、(0.44,0.40)及(0.44,0.41)的位置。並且總輸出光源之色溫介於2700K至4000K之範圍時，具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。因此單一封裝體內，具有不同發光效率之發光二極體光源晶片，將可調整波長的披覆層區塊覆蓋於對應的發光二極體晶片後，達到適合人眼且具有較佳演色性的光輸出。

舉例來說，發光二極體晶片(主要光源)發出具第一波長的光(例如藍光)，經由包括具可轉換波長材料(例如螢光粉)的披覆層區塊，將部份第一波長 的光轉換為第二波長的光(例如黃光)，未轉換的第一波長光結合第二波長光以成為第一輸出光源11。第一輸出光源11再混合第二輸出光源13(波長範圍在615~640nm)則達到色溫介於2700K至4000K之範圍時，具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。

於一實施例中，主要及次要光源12及14間具有大於0.1公釐之間距，以避免不同的光源晶片將對彼此之輸出光造成遮蔽之效應。

主要及次要光源12及14可提供紫外光、紫光、藍光、綠光、黃光、橘光或紅光等各種波長的輸出光，並在經由披覆層區塊之調整後，達成上述之演色性。並且實質上，主要及次要光源12及14之數目以及分佈之方式，於不同實施例中，可具有不同之配置。舉例來說，請參照第3A圖，為發光二極體光源1具有三個主要光源12及一個次要光源14之配置方式。於此實施例中，三個主要光源12環繞次要光源14。而於第3B圖中，為發光二極體光源1具有六個主要光源12及三個次要光源14之配置方式。於此實施例中，由分為兩組，各三個主要光源12擺設於三個次要光源14之兩側。而第3C圖中，為發光二極體光源1具有五個主要光源12及四個次要光源14之配置方式。於此實施例中，四個次要光源14集中於一角隅，並由五個主要光源12圍住兩側邊。於其他實施例中，主要及次要光源12及14間之位置分佈可為：由主要光源12圍繞次要光源14、由次要光源14圍繞主要光源12、主要與次要光源12及14交錯分佈、主要與次要光源12及14對稱分佈或主要與次要光源12及14隨意分佈。實質上，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種適當的配置方式，以達到最佳的總輸出光效果。

披覆層區塊16或18實質上可為單層結構或多層結構，並可具有平面、凹面、凸面、規則面、不規則面、鏡面、梯形、圓形或多邊形等形狀，且可具有交錯排列、完全覆蓋、局部覆蓋、連續排列、不連續排列或交錯排列之 排列形式。其形成方式可由點塗、噴灑、網印、灌膜、轉置翻印或壓膜成形方式形成。如以混合材料形成，可包含可透光材料、散射材料、螢光材料、轉換波長材料、非晶體材質或其組合之混合材料，並且可以具有均勻分佈、不均勻分佈、濃度漸層分佈、集中分佈於上或集中分佈於下之分佈形式。

第4A圖至第4C圖中繪示不同之實施例中，主要及次要光源與披覆層區塊之俯視圖及側剖面圖，以呈現不同之配置方式。由於第4A圖至第4C圖之主要目的在說明披覆層區塊可能之實施方式，因此不再對主要或次要光源進行標號。

如第4A圖所示，該發光二極體光源1具有披覆層區塊40a、40b以及40c三種披覆層區塊，並分別為單層，以弧形設置於主要及次要光源上。如第4B圖所示，該發光二極體光源1具有披覆層區塊42a、42b及42c三種披覆層區塊，其中披覆層區塊42b具有互相嵌合，一凹一凸之形狀，披覆層區塊42c則為單層之弧形形狀。如第4C圖所示之發光二極體光源1具有披覆層區塊44a、44b、44c以及44d四種披覆層區塊，44b、44c以及44d分別混合不同之混合材料可對應放置於不同之晶片位置，並將相同或不同發光波長的發光二極體光源轉換成不同之波長光輸出並在單一封裝體內做混合。因為不同的混合材料會吸收不同波長的發光二極體光源但在波長轉換時唯有吸收相對應波長才可進行轉換，而吸收非對應波長的混合材料將浪費發光二極體光源輸出功率，即如果在相同發光波長的發光二極體光源上披覆一層內含不同混合材料的披覆層區塊，會使不同的混合材料吸收發光二極體光源但不一定會進行波長的轉換且會因為吸收而降低光輸出功率，使內含混合材料之披覆層區塊受限於發光二極體光源的發光波長。

而上述方式中為了使內含混合材料之披覆層區塊不再受限於發光二極體光 源的發光波長，可使用內含不同之混合材料披覆層區塊選擇覆蓋於對應轉換波長之發光二極體光源上分別使發光二極體光源轉換為較佳的光輸出，將不同的光輸出做混合達到最佳的總輸出光效果，任何熟習此技藝者在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種適當的配置方式，對於各實施例中的披覆層區塊上，可如第4A圖或第4C圖所示，再將擴散元件(diffusing element)46封裝於披覆層區塊，以使總輸出光達到更佳之輸出效果。

請參照第5A圖及第5B圖。第5A圖及第5B圖分別為本揭示內容另一實施例中，發光二極體光源5之俯視圖及側視圖。發光二極體光源5包含：基板50、兩個發光二極體晶片52以及兩個披覆層區塊54及56。發光二極體晶片52形成於基板50上，以提供相同之輸出光(未繪示)。披覆層區塊54及56分別內含不同的混合材料並覆蓋在兩個發光二極體晶片52上，分別用以形成不同之波長轉換光輸出。因此，雖然本實施例中的發光二極體晶片52產生相同之輸出光，但其輸出光在穿過不同之披覆層區塊54及56後，可轉換成不同波長之光輸出再混合成為總輸出光，並具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標，達到與先前實施例相同之效果。

需注意的是，總輸出光源之產生方式可為混合經披覆層區塊所覆蓋之主要光源及次要光源、由主要光源混合經披覆層區塊所覆蓋之主要光源或/及次要光源、由次要光源混合經披覆層區塊所覆蓋之主要光源或/及次要光源、由主要光源或/及次要光源覆蓋披覆層區塊混合經披覆層區塊所覆蓋之主要光或/及次要光源等不同的形式。而這些產生方式，均可以由上述之主要光源搭配披覆層區塊形成之第一輸出光源及次要光源搭配披覆層區塊形成之第二輸出光源，經由互相搭配混合而成。

應用本揭示內容之優點在於藉由在單一封裝體內，光源與披覆層區塊的結 合，產生經過調整而具有不同波長及強度的輸出光，以混合成具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標的總輸出光，以成為適合人眼觀看之光源。

雖然本揭示內容已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本揭示內容，任何熟習此技藝者，在不脫離本揭示內容之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本揭示內容之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧發光二極體光源

10‧‧‧基板

11‧‧‧第一輸出光源

12‧‧‧主要光源

13‧‧‧第二輸出光源

14‧‧‧次要光源

16、18‧‧‧披覆層區塊

Claims (21)

1. 一種提高輸出色彩演色性之單一封裝之發光二極體光源，包含：一基板；至少一主要光源，形成於該基板之一表面上；至少一次要光源，形成於該基板之該表面上；至少一披覆層區塊，披覆於該主要光源上，以提供一第一輸出光源，該至少一披覆層區塊披覆於該次要光源上，以提供一第二輸出光源；以及一總輸出光源，藉由該第一輸出光源及該第二輸出光源混合產生；以及其中該總輸出光源達到2700~4000K色溫時具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。
2. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該第一輸出光源位於CIE 1931色彩空間色度圖之X座標及Y座標之一特定區域中，該特定區域為以(0.29,0.50)、(0.44,0.42)、(0.37,0.38)及(0.22,0.40)四個座標點為邊界。
3. 如申請專利範圍第2項所述之發光二極體光源，其中該第二輸出光源波長範圍在610~640nm。
4. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該至少一披覆層區塊包括一第一披覆層區塊及一第二披覆層區塊，該第一披覆層區塊及該第二披覆層區塊依序覆蓋該至少一主要光源，以提供該第一輸出光源。
5. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光源，其中該第一披覆層區塊覆蓋該至少一次要光源，以提供該第二輸出光源，該第一披覆層區塊包括至少一可透光材料。
6. 如申請專利範圍第4項所述之發光二極體光源，其中該第二披覆層區塊包 括至少一可透光材料以及至少一混合材料，該混合材料係為一散射材料、一螢光材料、一轉換波長材料、一非晶體材質或其組合。
7. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該基板之結構係為一平面、一凹槽、一凸面或一斜面，該基板之材質係為銅、鋁或陶瓷，該基板係用以導熱及提供該主要及該次要光源之電路連接功能。
8. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要光源之發光效率大於該次要光源之發光效率，該主要及該次要光源之發光效率分別由該主要及該次要光源之一輸出光強度除以一輸入功率所決定，該主要及該次要光源間之一輸出光強度比例大於1。
9. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要光源包含至少一第一發光二極體晶片，該次要光源包含至少一第二發光二極體晶片。
10. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要及該次要光源係提供一紫外光、一紫光、一藍光、一綠光、一黃光、一橘光、或一紅光。
11. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要及該次要光源係根據一直流電源或一交流電源驅動，該主要及該次要光源之電路控制可為一起或各別獨立控制。
12. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要及該次要光源間具有大於0.1公釐之間距。
13. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該主要及該次要光源間之位置分佈為：由該主要光源圍繞該次要光源、由該次要光源圍繞該主要光源、該主要與該次要光源交錯分佈、該主要與該次要光源對稱分佈或該主要與該次要光源隨意分佈。
14. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該披覆層區塊為一單層結構或一多層結構。
15. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該披覆層區塊包括至少一可透光材料。
16. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該披覆層區塊包括至少一混合材料，該混合材料係為一散射材料、一螢光材料、一轉換波長材料、一非晶體材質或其組合，該混合材料之分佈型態為均勻分佈、不均勻分佈、濃度漸層分佈、集中分佈於上或集中分佈於下。
17. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該披覆層區塊為一平面、一凹面、一凸面、一規則面、一不規則面、一鏡面、一梯形、一圓形或一多邊形。
18. 如申請專利範圍第1項所述之發光二極體光源，其中該披覆層區塊具有一交錯排列、一完全覆蓋、一局部覆蓋、一連續排列、一不連續排列或一交錯排列之排列形式。
19. 一種提高輸出色彩演色性之單一封裝之發光二極體光源，包含：一第一輸出光源；以及一第二輸出光源；其中一總輸出光源，藉由該第一輸出光源及該第二輸出光源混合產生；以及其中該第一輸出光源位於CIE 1931色彩空間色度圖之X座標及Y座標之一特定區域中，該特定區域為以(0.29,0.50)、(0.44,0.42)、(0.37,0.38)及(0.22,0.40)四個座標點為邊界，其中該總輸出光源達到2700~4000K色溫時具有大於80之平均演色性指標以及大於40之R9特殊演色性指標。
20. 如申請專利範圍第19項所述之發光二極體光源，其中該第二輸出光源或波長範圍在610~640nm。
21. 如申請專利範圍第19項所述之發光二極體光源，其中該總輸出光源之產 生方式為混合經至少一披覆層區塊所覆蓋之至少一主要光源及至少一次要光源、由該主要光源混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光源或/及該次要光源、由該次要光源混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光源或/及該次要光源、由該主要光源或/及該次要光源覆蓋該披覆層區塊混合經該披覆層區塊所覆蓋之該主要光源或/及該次要光源。