TWI451045B - 具有波長轉換的側發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種側發射型發光裝置，其包括一基板；一反射器，其經配置間隔遠離該基板並沿著該基板之延伸部分而延伸；及至少一發光二極體，其被配置在該基板上並面向該反射器，該基板及反射器界定一供由該至少一發光二極體發射的光所用之波導區。
高亮度LED正被引入日益增多的照明應用中。LED發展中作出的關於效率、亮度及色彩控制之穩定進步使得能實現新照明市場的突破，諸如汽車前照燈或普通照明。
習知的高亮度LED自晶粒表面發射光，通常係在一1毫米×1毫米面積中。當該等LED發射一極窄帶的波長範圍時，其等存在於諸如藍、綠、棕黃、紅之各種色彩中。舉例而言，對於白光發射生產，可施加將藍LED發射之部分轉換至較高波長的磷組合物，使得能實現各種色溫中的白光發射。高亮度LED亦係諸如顯示裝置及同類物中的背光之背光應用之一受青睞的選擇。
為了背光目的，側發射型裝置為較佳。對於許多諸如掌上型裝置、行動電話、PDA及同類物之應用，亦需要一薄型小尺寸的背光配置。安華高科技(Avago Technologies)之GB 2 428 859 A中描述一種適用於與頂發射LED連用的側發射型組態。此處描述一種用於一顯示裝置的背光配置。一彎曲反射器覆蓋LED，將發射光改向在一本質上平行於
其上配置有該LED之基板的方向上。該經改向的光係引入一光導管中，其包括在底面之特徵將該光導管中的光改向至其前表面，射出該光導管並進入一光轉換層。然而，GB 2 428 859中該配置之問題包含其需要一相當大的厚度及表面面積以便橫向發射光。該彎曲反射器具有一比該LED自身更大的覆蓋區。此外，成為所需色彩的色彩轉換需要一額外的大面積光轉換層，其與實際側發射器分開。因此，該技術中需要更小型的側發射型裝置。
本發明之一目的係至少部分地克服此等問題，並提供一側發射型發光裝置，其能發射具有一所需色彩的光而在尺寸上為小型。
因此，在一第一態樣中，本發明提供一側發射型發光裝置，其包括一基板；一反射器，其經配置間隔遠離該基板並沿著該基板之延伸部分而延伸；及至少一發光二極體，其被配置在該基板上並面向該反射器，該基板及反射器界定一供由該至少一發光二極體發射的光所用之波導區。在本發明之該裝置中，一波長轉換材料係配置在該波導區之橫向邊緣上。
由於該波長轉換材料係配置在該波導區之橫向邊緣上，因此能控制射出本發明裝置的光之色彩而不使用位於外部的轉換板。發光二極體通常發射在一極窄的波長帶中的光。藉由將該波長轉換材料橫向配置在該波導區之外部，直到光已射出該波導區才發生波長轉換。在該波導區中，被上下波導向的光具有窄帶寬，其使得相對易於最優化存在的該(等)反射層之反射屬性。亦易於選擇一用於該波導區的適當的材料，再歸因於該波導區中的光之窄帶寬，其較佳應對由該至少一發光二極體發射的光之該等波長呈透明。此外，藉由將該波長轉換材料配置在該波導區之該等橫向邊緣上，該光將具有一穿過該波長轉換材料的相對短的路徑長度，且將亦以相對均勻的角穿過其中，導致低光損失及均勻的波長轉換。
該波導區之覆蓋區不必超過該二極體之覆蓋區，且因此，該裝置可被製為極小。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料可被配置於該反射器與該基板之間。
當該波長轉換材料係配置在該反射器與該基板之間時，光將僅經由其橫向外表面射出該波長轉換材料，提供該光之一高方向性。
在本發明之實施例中，一第一二向色鏡可被配置於該波導區與該波長轉換材料之間。
對來自該波導區之光，亦即未經轉換的光呈透射性，而對來自該波長轉換材料之光，亦即經波長轉換的光呈反射性的一第一二向色鏡係位於該波導區與該波長轉換材料之間，其防止經轉換的光再進入該波導區。取而代之的係其將經由該波長轉換材料被反射出該裝置。這將增強輸出效率，因為較高百分比的經轉換的光將經由該預期表面射出該裝置。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料可被配置於一第二二向色鏡與該波導區之間。
藉由將該波長轉換材料夾於該波導區與一橫向位於該波長轉換材料之外部的第二二向色鏡之間，能防止未經轉換的光及該第二二向色鏡上具有一高入射角的經轉換的光射出該裝置。此光將被反射回該裝置中。
在本發明之實施例中，波長轉換材料可存在於該波導區之二個互相相對的側上。
該波長轉換材料可存在於該波導區之二個互相相對的側上。因此，實現一雙向發光裝置。此外，舉例而言，在一正方形裝置中，光可自該裝置之所有四個橫向側被發射。
在本發明之實施例中，該基板可包括一反射層。
當該基板包括一反射層時，該光係有效地導入該波導區中，最終朝向該波長轉換材料。
在本發明之實施例中，該波導區之厚度可沿著一朝向該波長轉換材料之方向逐漸增加。
當該波導區之厚度逐漸增加時，將形成一楔形波導區，其促進朝向該波長轉換材料之反射。該楔形亦將對該波導區中的光產生一校準效果。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料之厚度可隨著離該波導區的距離而逐漸增加。
一楔形波長轉換區將對經轉換的光產生一校準效果，以校準射出該裝置的該光。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料可被配置於該發光二極體之該橫向邊緣之外。
當光係在該波長轉換材料中經波長轉換時，產生熱量。當該材料係橫向配置在該LED之外時，其係直接接觸通常有利於傳輸熱量的該基板。因此，該基板將作為一用於該波長轉換材料之散熱器。因此，來自該波長轉換材料之熱量將不加熱該LED，其通常在較高溫度下具有降低的效率且可具有隨溫度產生的輕微的色彩變化。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料之至少部分可被配置於該至少一發光二極體之一部分上。
當該波長轉換材料係配置在該LED之一部分上時，可實現一更小型的設計。此外，由於來自該LED之光的一部分係直接發射至該波長轉換材料中而不穿過該波導區，因此該光使用效率為高。
在本發明之實施例中，該波長轉換材料可在一第一轉換域(domain)中，其包括一用於將藉由該發光二極體發射的光轉換至一第一經轉換的波長範圍中的第一波長轉換組合物，且可在一第二轉換域中，其包括一用於將藉由該發光二極體發射的光轉換至一第二經轉換的波長範圍中的第二波長轉換組合物。
這給予自一單一LED或一組皆發射相同色彩的光之LED提供具有二種不同色彩的光的可能性。該二個不同轉換域可被配置為彼此相鄰以提供一混合色彩發射，或舉例而言，可被配置於該等波導區之互相相對的側上以在一方向上獲取一第一色彩輸出及在該相對方向上獲取一第二色彩輸出。
在本發明之實施例中，該波導區可包括一固態透明材料。
一固態波導區可導致自該LED的更有效的光萃取，因為自該高係數LED材料反射至一更高係數的固態層的光少於反射至空氣的光。此外，全內反射之臨界角係藉由一固態主體予以提高。
現將參考顯示本發明之當前較佳實施例的附屬圖式更詳細地描述本發明之此及其他態樣。該等圖式不一定係按規定比例。
圖1中示意性地繪示一側發射型發光裝置之一實施例，其包括一基板101及一配置為離該基板101有一特定距離的反射器102。一發光二極體103係在該基板101上且面向該反射器102。該技術中習知的用於該LED之驅動電路未在此圖式中顯示，但其亦存在於該裝置中。
在此實施例中，該基板101及該反射器102係繪示為本質上平行，但因為將根據下文描述，因此這不一定用於本發明之所有實施例。
該基板101及該反射器102形成一波導區104的一上限及一下限。該發光二極體103將光發射至該波導區104中。一波長轉換材料105係配置在該波導區104及該LED 103之該等橫向側上及外部，並延伸在該基板101與該反射器102之間。該波長轉換材料105吸收由該LED 103發射的具有波長帶之光並發射具有不同於該LED發射波長帶的一經轉換的波長帶之光。該轉換通常導致波長轉移向更長的波長。該基板101係一用於該LED 103之支撐體且可具有一多層結構。該基板101通常包括一反射層106，其對由該LED發射的光呈反射性。該反射層106可為該LED 103之一反射性底板，其結合一電極功能及該反射性功能。該反射層通常包括一諸如Ag或Al之金屬。該反射器102可為自撐式，其係配置在一反射器載體基板上，或在該波導區104包括一固態主體材料之情況下，其可被配置在該主體之頂面上。該反射器可為一諸如增強型鋁或銀反射器之金屬反射器。此一金屬層之適當的厚度係介於大約50奈米至大約500奈米，通常為大約200奈米。或者，該反射器102可為一具有高背向散射反射率(例如R>95%)之漫散射層。舉例而言，此層係由一種具有尺寸為藉由大約100奈米至1000奈米(通常為大約300奈米)之TiO2
微粒的聚合黏著劑組成。或者，該層可由諸如多孔氧化鋁、多孔YAG或硫酸鋇塗層之無機散射層組成。舉例而言，該層可藉由噴塗或旋轉塗布或浸漬塗布被直接沈積在一支撐載體基板上或在該波導體上。
該反射器102亦可為經設計以有效反射該LED發射之該波長範圍的介電鏡。此等鏡通常包括具有諸如矽石及氧化鉭的交替式高低折射率材料之薄型堆疊體之多層結構。該發光二極體103係配置在該基板101上。來自該LED 103之光通常具有一實質角展度，例如成一半球形圖案的發射或更低的展度，且其通常具有自該基板之表面垂直的光發射之主方向，一所謂的頂發射LED。然而，其他類型的LED亦可用於本發明之一裝置中。
如本申請案中所使用，本文縮寫為「LED」之術語「發光二極體」係關於熟習此項技術者已知的任何發光二極體或雷射發射二極體，其等包含但不限於無機LED，基於小型有機分子的LED(smOLED)及基於聚合物的LED(polyLED)。藉由一適用於本發明之LED發射的光通常係在自UV光至可見光之波長範圍內。對於可見光，該發射可為紫藍色至紅色的任何色彩。該LED 103將光發射至該基板101與該反射器102之間的區域中。本文中此區域被表示為該波導區104。此波導區104之一目的係將光自該LED 103引導至該波長轉換材料105。在此波導區中，光被來回反射在該等反射性表面之間且將最終接觸該波長轉換材料105。
該波導區較佳為對藉由該裝置之該(等)LED發射的波長之光本質上呈透明，以便吸收光的程度微乎其微。
該波導區104可為一藉由諸如空氣的任何氣體填充的開放空間，或者可為真空或可具有一固態材料。適用於一固態主體波導區之固態材料的實例包含但不限於諸如氧化鋁、玻璃、熔融矽石、藍寶石及YAG之固態無機材料及矽酮樹脂、氟聚合物、聚烯烴或其他聚合物。該固態主體波導區可進一步包括一額外量的散射材料以在該區域中獲取一同質光分佈。該散射可有助於再分佈該裝置中的光，利於朝向該波導區之該等橫向邊緣之發射。
該固態層較佳為具有一實質上匹配於該等LED材料之係數(其可為n=2.7或更高)的係數。
該固態波導區可為一用於該LED之支撐體。LED通常成長於如藍寶石或碳化矽之支撐透明基板上。此透明基板可作為該波導體。波長轉換材料105係位於該波導區104及該LED 103外部的該橫向邊緣上。因此，本質上射出該波導區的所有光將進入該波長轉換材料。
該波長轉換材料105係一種在吸收具有一特定波長或波長範圍的光之後，發射具有一不同的經轉換的波長或波長範圍之光的材料。該等經轉換的波長通常係變換向更長波長。習知地，此等材料通常為螢光性及/或磷光性。熟習此項技術者已知許多此等波長轉換材料，且一組通用的化合物被稱為「磷光體」。
舉例而言，該波長轉換材料可為陶瓷、固態材料或植入於諸如一載體聚合物之黏著材料中。
該波長轉換材料105係與該LED 103匹配使得其吸收由該LED發射的光之至少部分。因此，波長轉換材料之選擇仰賴於LED之選擇。舉例而言，該波長轉換材料可將藍光部分地轉換成為混合至白光中的綠光/黃光。然而，舉例而言，亦可使用將藍光完全轉換成為綠光、黃光或紅光，或將UV光轉換成為可見光的其他波長轉換材料。亦可能的係該波長轉換材料105包括二種或更多不同波長轉換組合物，舉例而言，一將該LED光轉換成為一第一色彩的第一組合物及一將該LED光轉換成為一第二色彩的第二組合物。此二種或更多組合物可按分開的層被配置於彼此頂部上，其等一起形成該波長轉換材料105或可經混合以形成該波長轉換材料105。
在圖1中的該實施例之替代項(未顯示)中，該波長轉換材料之至少一部分可被配置於該LED之一部分上。在此一情況下，該波導區之該橫向邊緣係在該LED之該橫向邊緣內。藉由該LED在其橫向邊緣發射的光係直接耦合至該波長轉換材料，而不穿過該波導區。在此一替代項中，該裝置之總面積可被減小，甚至達到其中該裝置之覆蓋區等於該LED自身的覆蓋區之程度。圖2繪示本發明之一發光裝置之一第二實施例，除了圖1中繪示的該裝置之外，其包括一第一二向色鏡107及一第二二向色鏡108，其等將該波長轉換材料105夾於其中。熟習此項技術者已知此等二向色鏡之概念，舉例而言，其等可包括一具有交替式高低折射率之多層堆疊體。該第一二向色鏡107係配置於該波導區104與該波長轉換材料105之間，且係經調適以傳輸由該LED 103發射光，而反射由該波長轉換材料105發射的光，亦即經轉換的光。
當光係轉換在該波長轉換材料105中時，其係自許多不同方向被發射在其中。因此，該經轉換的光之一部分將以一方向自該轉換材料被發射回向該波導區104。這降低該裝置之光利用率，且亦為了利用此經轉換的光，該第一二向色鏡107將此光反射至向前方向，亦即經由該波長轉換材料105自該裝置射出。該第一二向色鏡107之另一效果係波長轉換材料105之量可被減小以便實現與無該內部鏡一
樣的轉換程度。該第二二向色鏡108係配置在該波長轉換材料105之外部。少數替代項能用於該第二二向色鏡108。在一第一替代項中，其係經調適以傳輸經轉換的光，亦即由該波長轉換材料105發射的光，而反射未經轉換的光，亦即來自該LED 103之直接光。因此，僅經轉換的光將射出該裝置，造成一高程度的轉換。
在一第二替代項中，該第二二向色鏡108係經調適以僅傳輸該外部鏡上具有低入射角的經轉換的光，而反射剩餘光。因此，經由該第二二向色鏡108射出該裝置的光將具有一減小的角展度。
當該第二二向色鏡108係與該第一二向色鏡107結合使用時，經轉換的光將被來回反射在該波長轉換材料中直至其滿足射出該裝置之要求。這將提高光利用且亦可用以減小波長轉換材料105之量。
如熟習此項技術者將瞭解，本發明之一裝置可利用如上描述的一第一二向色鏡及/或一第二二向色鏡。圖3中示意性地繪示本發明之一發光裝置之一第三實施例。在此實施例中，該波長轉換材料105之厚度，且因此該基板101與該反射器102之間的垂直距離係隨著離該波導區之距離而增加。這為該波長轉換材料105提供一普遍圓錐形的橫截面。由於此形狀及該基板與該反射器之間逐漸增加的距離，該裝置之該波長轉換部分對引入其中的光產生一校準作用。
如熟習此項技術者所瞭解，以上論及的該等二向色鏡亦可存在於並用於本發明之此實施例中。圖4示意性地繪示本發明之一發光裝置之一第四實施例。在此實施例，該波導區104之厚度，且因此該基板與該反射器之間的垂直距離沿著一朝向該波長轉換材料105之方向增加。換言之，該波導區104之厚度，且因此該基板與該反射器之間的垂直距離係隨著離該波長轉換材料105之距離而減小。這是藉由定形該反射器102或藉由定形施加有該反射器之該主體予以完成。
該波導區104之該等傾斜邊界將該光到導向該波長轉換材料。當該反射器及/或該基板係一鏡面反射表面時，這為尤其有利。
如熟習此項技術者所瞭解，以上論及的該等二向色鏡亦可存在於並用於本發明之此實施例中。典型的LED晶粒大小係大約1毫米×1毫米，但亦可使用更小或更大的尺寸。該波導區及該波長轉換材料之典型的厚度或高度係在大約10微米至數毫米之範圍內，例如10微米至2毫米，例如在50微米至500微米之範圍內，通常為大約200微米。該「厚度」係沿著該基板與該反射器之間的該垂直距離予以計算。該波導區及該波長轉換材料通常係具有本質上相同的厚度，使得該波長轉換材料本質上覆蓋該波導區之該橫向邊緣之全高度。該波長轉換材料之寬度可介於大約10微米與500微米之範圍內，通常為大約50微米至200微米。該波長轉換材料之該「寬度」係沿著自該波導區之該橫向邊緣朝向該波長轉換材料之該橫向邊緣的方向予以計算。
熟習此項技術者瞭解本發明決不受限於以上描述的該等較佳實施例。正相反，許多修改與變更可在附屬申請專利範圍之範圍內。舉例而言，本發明之一發光裝置可採取許多實體形狀，而仍包含在該等請求項之範圍內。舉例而言，在俯視圖中，該LED可形成該裝置之中心，其中該波長轉換材料本質上圍繞該LED及該波導區。此一設計之實例係一本質上圓形的裝置，該波長轉換材料形成一圍繞該LED之環，或一多邊形裝置，該波長轉換材料形成諸如一正方形的該多邊形之該等側邊。在其他實例中，該裝置係在該LED之一或更多橫向側上被封閉，其中該波長轉換材料被配置於該LED之該(等)開口橫向側上。此一實例係一正方形裝置，其中該等相對橫向側之二者被封閉，而波長轉換材料係配置在另二個敞開橫向側上。
此外，該波長轉換材料可包括二個或更多分離轉換域，其中在一第一轉換域中的該波長轉換材料將由該LED發射的光轉換成為一第一經轉換的色彩，且其中在一第二轉換域中的該波長轉換材料將由該LED發射的光轉換成為一第二經轉換的色彩。在此一實例中，該裝置係一正方形裝置，其中該第一轉換域表示波長轉換材料之一第一半周長(兩側)且該第二轉換域表示波長轉換材料之該第二半周長(相對兩側)。
在一些實施例中，該裝置之該波導區包括不同於橫向配置在該波導區外部的該波長轉換材料之一波長轉換材料。在該波導區中的此一波長轉換材料可用以更好地控制由該裝置發射的光。其可轉換由該LED發射的光之一部分，該經轉換的光與由該橫向波長轉換材料發射的經轉換的光一起導致一所需色彩的光。為了自本發明之一側發射型發光裝置獲取一單一大體方向上的校準光，該裝置可被配置在一準直儀中，例如在一將光發射向該反射器之該等側的抛物線或經對應定形的反射器之底部，使得自該裝置發射的所有光被聚集並以一單一大體方向被發送。
在該等圖式中，該基板及該反射器被繪示為其等橫向邊緣一致於該波長轉換材料之該等橫向邊緣。然而，亦可能的係該基板及該反射器之至少一者的該等橫向邊緣係在該波長轉換材料之外部，亦即該基板及/或該反射器之面積係實質上大於該波導區及該波長轉換材料之總和面積。當該基板之反射層及該反射器延伸在該波長轉換材料之外部時，其等可經定形使得其等形成一準直儀，舉例而言，藉由使該波長轉換材料外部的該基板之反射層及該反射器之間的垂直距離隨著離該波長轉換材料之距離而增加，以便在其間形成一錐形空間。
亦可能的係該反射器不覆蓋該波長轉換材料之該頂面，或僅覆蓋該頂面之一部分。總而言之，本發明提供一側發射型發光裝置，其包括一基板；一反射器，其經配置間隔遠離該基板並沿著該基板之延伸部分而延伸；及至少一發光二極體，其被配置在該基板上並面向該反射器，該基板及反射器界定一用於藉由該至少一發光二極體發射的光之波導區。此外，一波長轉換材料係配置在該波導區之橫向
邊緣上。本發明提供一種具有受控色彩發射的小型側發射器。舉例而言，本發明之一發光裝置可用於LED照明之範圍中，舉例而言，用於顯示裝置中的背光應用，用於光導應用中，其等包含平坦光導照明器、LED準直儀組態，例如可用於汽車前照明或普通LED聚光照明或閃光燈模組。然而使用範圍並不限於上述此等。
101‧‧‧基板
102‧‧‧反射器
103‧‧‧發光二極體
104‧‧‧波導區
105‧‧‧波長轉換材料
106‧‧‧反射層
107‧‧‧第一二向色鏡
108‧‧‧第二二向色鏡
圖1以橫截面圖顯示本發明之一發光裝置之一實施例。
圖2以橫截面圖顯示本發明之一發光裝置之另一實施例。
圖3以橫截面圖顯示本發明之一發光裝置之又一實施例。
圖4以橫截面圖顯示本發明之一發光裝置之又一實施例。
101．．．基板
102．．．反射器
103．．．發光二極體
104．．．波導區
105．．．波長轉換材料
106．．．反射層
Claims (12)
- 一種側發射型(side-emitting)發光裝置，其包括一基板(101)；一反射器(102)，該反射器經配置與該基板(101)分離並沿著該基板之延伸部分而延伸；及至少一發光二極體(103)，其被配置在該基板上並面向該反射器，該基板(101)及反射器(102)界定一用於由該至少一發光二極體(103)發射的光之波導區(104)，該裝置中一波長轉換材料(105)係配置在該波導區(104)之橫向(lateral)邊緣上。
- 如請求項1之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)係被配置於該反射器(102)與該基板(101)之間。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中一第一二向色鏡(107)係被配置於該波導區(104)與該波長轉換材料(105)之間。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)係被配置於一第二二向色鏡(108)與該波導區之間。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)係存在於該波導區(104)之二個互相相對的側上。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該基板(101)包括一反射層(106)。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波導區(104)之厚度沿著一朝向該波長轉換材料(105)之方向逐漸增 加。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)之厚度隨著離該波導區(104)的距離而逐漸增加。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)係被配置於該發光二極體(103)之一橫向邊緣之外。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波長轉換材料(105)之至少部分係被配置於該至少一發光二極體(103)之一部分上。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中在一第一轉換域中的該波長轉換材料包括一用於將藉由該LED發射的光轉換至一第一經轉換的波長範圍中的第一波長轉換組合物，且在一第二轉換域中的該波長轉換材料包括一用於將藉由該LED發射的光轉換至一第二經轉換的波長範圍中的第二波長轉換組合物。
- 如請求項1或2之側發射型發光裝置，其中該波導區(104)包括一固態透明材料。
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