TWI452721B - 製造具紋理表面螢光層之方法及其設備 - Google Patents
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Description
本發明之範例態樣係關於一種發光裝置；更具體而言，其係關於一種固態發光裝置。
由於LEDs或固態光源的光輸出快速地改良並成為更具可行性的替代方案，白熾燈泡與螢光燈管等傳統的照明裝置不久後將被能源效率高的LEDs所取代。一般的LED體積小、省能且壽命長。故現今市面上已有多種LED的商業應用，如號誌燈、車燈及電子廣告看板等。
全光通量(total luminous flux)為固態光學特性在一般照明應用中一個重要的性質，亦可稱之為整體可見光輸出。固態光發射體或LED之光輸出有關的一個問題即為內部全反射現象(total internal reflection)。當光線或光束經過兩種具有不同折射係數的介質時內部全反射現象就會發生，其部分光線會折射穿過兩介質之介面處，部分則會被該介面反射。固態照明裝置中發生的內部全反射現象會影響並減少其發光效率。在某些例子中，內部全反射現象可能會因為反射光的因素而產生熱。舉例言之，當LED所生成的藍色光學性光(blue optical light)撞擊在一螢光層上一相對平坦表面的區域面積上時，視該光學性光與該螢光層表面的夾角而定，該螢光層與LED間可能會發生內部全反射現象。
本發明揭露一種採用一螢光層的光學裝置，該螢光層具有一紋理表面(a textured surface)以提高可見光之輸出。本發明的一發光裝置包含一固態光發射體及一螢光層。該固態光發射體係，例如，能夠將電能轉換成光學性光(optical light)。該螢光層具有一第一表面及一第二表面，其中該第一表面，例如，為一頂面，而該第二表面為一底面。該螢光層係設置在該固態光發射體上以應答該光學性光產生流明光(luminous light)。在一實施例中，該螢光層之第一表面係設計成包含一紋理面(a textured surface)，係具有形狀相似均勻的構形，能夠減少該固態光發射體與該螢光層之間的內部全反射(TIR,total internal reflection)。
本發明各種態樣之另外的特徵及優點藉由以下詳細描述、圖式及附隨之申請專利範圍將趨於明瞭。
本發明之態樣係描述於使用紋理面來改良一固態光發射體之光輸出的方法、元件及裝置的內文中。
本領域之熟習技藝人士將可領會到下列各式態樣範例之細節描述僅為解說之性質，其非意欲予以任何方面之限制。那些得益於本發明揭露之熟習技藝人士將可輕易推知本發明的其他態樣。如隨同圖式所繪，該些態樣範例之實施方式中有許多詳細的參照物，其中相同的元件符號會於圖式與下列細節描述中各處被用來代表相同或類似的部件。
為簡明之目的，文中不會示出並描述所有實施方式之習知特徵。當然，閱者應能瞭解在研發任何這類實際實施方式的過程中會做出許多與實作具體相關的決定以達成研發人員所欲之特定目標，如遵守某應用與商業相關之限制條件等，且這些特定目標會應實作與實作間以及研發者與研發者間的不同而改變。再者，閱者應能瞭解要得出這類研發成果係勞心且費時的，然而對於那些得益於本發明揭露之熟習技藝人士而言本發明可以是一種例行的工程手法。
已知本發明態樣中可能包含了可使用習知的半導體技術製作的積體電路，如互補式金氧半導體技術(CMOS,complementary metal-oxide semiconductor)、微機電系統技術(MEMS,Micro-electromechanical systems)、或其他半導體製程等。此外，本發明的態樣亦可以其他製作光學與電子裝置的製程來實施。
該領域之熟習技藝人士現在應能瞭解文中所述之裝置可以在習知的半導體基底上形成，或者它們亦可能會在一基底上方形成作為薄膜電晶體(TFT)，或是形成在一絕緣層矽晶(silicon on insulator,SOI)結構中，像是玻璃(silicon on glass,SOG)、藍寶石(silicon on sapphire,SOS)、或其他該領域熟習技藝人士已知之基底結構中。該些領域中之熟習技藝人士現在亦將瞭解上述半導體技術相關之摻雜濃度(doping concentration)範圍在本發明中亦為可行者。本質上，任何能夠形成pFETs(p型場效電晶體)與nFETs(n型場效電晶體)的製程對本發明皆是可用者，其製程中可能採用擴散處理或離子佈植來處理其摻雜區域。
本發明之態樣舉例一種發光裝置，其使用一具有一紋理面之螢光層來改良可見光之輸出。該發光裝置包含一固態光發射體及一螢光層。該固態光發射體，例如，係設置來將電能轉換成光學性光(optical light)。該螢光層具有一第一表面及一第二表面，其中該第一表面，例如，為該頂面，而該第二表面為該底面。該螢光層係配置在該固態光發射體上方以應答該光學性光產生流明光(luminous light)。在一實施例中，該螢光層之第一表面係設計成包含一紋理結構，該紋理結構具有形狀相似連續均勻的構形，能夠減少該固態光發射體與該螢光層之間的內部全反射(total internal reflection,TIR)。
第一圖係根據本發明一種態樣的包含一螢光層的一光學裝置100之截面圖，該螢光層具有一紋理面。光學裝置100包括一基底102、一固態光發射體104、一螢光層108以及壁部110。壁部110係用來分隔光學裝置100與其他組件(如鄰近的光學裝置)。基底102，例如，可與一電路板(第一圖中未示出)耦接。在本發明一態樣中，裝置100會在螢光層108上蝕刻出一紋理面來降低內部全反射現象。當全反射現象消弭時，裝置100整體的光輸出會增強。應注意本發明態樣範例的根本概念不會因為裝置100中一或多個步驟或層結構的增減而有所改變。
在一例子中，固態光發射體104為一發光晶粒，其可透過半導體製程來進行製作。固態光發射體104的功能為將電能轉換成光學性光。固態光發射體104可為一發光二極體(light emitting diode,LED)，其能夠藉由施予偏壓在其p/n接面將電能轉換為光能。「發光二極體」、「光學性光發射晶粒」(optical light emitter die)、及「固態光發射體」(solid state light emitter)等詞可在下文中互用。固態光發射器或LED 104可以裝設或接在一基底102上，其中藉由位於基底102上的接觸與打線可促成LED 104與其他元件之間的連接。舉例而言，LED晶片，例如，可以直接接合在一基底或一普通的LED反射杯(reflector cup)上，第一圖中未示出。應注意該固態光發射體可以任何其他類型能夠將電能轉換為光學性光(或可見光)的發光元件來取代。
LED 104更包含一發光窗體106，其係設置來發出藍光。例如，發光窗體106可包含一氧化銦錫層(indium tin oxide,ITO)來生成光學性光(optical light)或藍光112。應注意該LED 104可包含多個ITO窗體，其中該等窗體的大小可隨應用的不同而改變。LED 104與螢光層108之間的空間114可填入透明的矽膠或空氣。例如，空氣及/或氣體可用來填充螢光層108與LED 104之間的空間114以達成光萃取與行進之目的。例如透明的矽膠亦可用來填充空間114以協助萃取發自LED 104的光。
在本發明一態樣中，螢光膜或層108為設置在LED 104上一連續的黃色螢光層。「螢光膜」與「螢光層」兩詞係指類似的層結構，兩者可互用。螢光層108的一項功能為將藍光112轉換成亮黃光116。從LED 104中發出的藍光或光學性藍光(blue optical light)112一般具有相對低的發光強度。另一方面，亮黃光116亦稱作冷光、冷白光或冷流明光(luminous cool light)，其內含相對高的發光強度或發光量或光輸出功率(Light Output Power,LOP)。在本發明一態樣中，螢光層108亦可為LED 104上方一連續的綠螢光層。相似於一黃螢光層，該綠螢光層亦能夠根據LED 104所發出的光學性藍光產生亮冷光116。須注意冷白光雖可提供較高的光輸出功率，然其演色性係數(Color Rendering Index,CRI)卻較差。故只要其光波長範圍在490nm~590nm之間，其他顏色的螢光層亦可用來替換前述黃色或綠色螢光層。光波長亦稱為電磁輻射波長(electromagnetic radiation wavelengths)、輻射波長(radiation wavelengths)、可見光波長(visible light wavelengths)、光譜波長(optical spectrum wavelengths)等等。
螢光層108包含各種材質如產生螢光現象(phosphorescence)的螢光材質(phosphor)。螢光現象例如是一種發光過程，其中被該螢光材質吸收的能量會慢慢地以光的形式釋出。視所選擇之顏色，不同顏色的螢光材質可從一或多種材質中製出，如氧化物、硫化物(sulfides)、硒化物(selenides)、鹵化物(halides)及含有鋅(zinc)、鎘(cadmium)、錳(manganese)、鋁(aluminum)、矽(silicon)等的矽酸鹽類(silicates)。螢光材質更可包含用來延長光發射的活化劑。例如，螢光材質可包含以銅活化(copper-activated)的硫化鋅(zinc sulfide)或以銀活化(silver-activated)的硫化鋅。應注意類螢光層(phosphor-like layer)可用來取代螢光層108達成相似的發光結果。
復參照第一圖，光學性光112會從LED 104行進至螢光層108。當光學性光112撞擊在螢光層108底面134的一區域120上後，光學性光112會分成一折射光與一反射光，其中該折射光會進入螢光層108並變成暫態光118穿過螢光層108。在本發明一態樣中，該暫態光118的物理光學特性會從暗藍光轉變成亮冷光。當暫態光118到達螢光層108頂面124的一區域126上時，其在離開該螢光層108後變成亮冷光116。反射光是由內部全反射(TIR)所造成，對整個裝置的發光輸出無任何貢獻。視螢光層108的厚度而定，內部全反射現象可能會發生在區域120、區域126、或兩區域120、126皆發生。
內部全反射可視為是一種光學現象，其於光線以一大於臨界角的角度撞擊在一介質面上時發生。該臨界角定義為光線入射時仍能使光產生部分折射的最大角度。換言之，內部全反射會發生在光線從一較密介質行進至一較疏介質的場合中，且該光線之入射角會大於臨界角。例如，當暫態光118行經螢光層108時，其介質較空氣為密(或是具有較高的折射係數)，假使該光學性光112之入射角大於臨界角時內部全反射就會發生。
為減少內部全反射效應，螢光層108會建構出一具有紋理的頂面(a textured surface)124使其包含一具連續性構形的表面。該連續性構形包含具微尺寸直徑(micro-sized diameters)連續均勻的半球體。由於微尺寸半球體的緣故，入射光角度相對於頂面124會改變，因而減低內部全反射現象。視螢光層108的厚度而定，由於紋理面(textured surface)位於螢光層108的頂面124上，箭頭122所代表的內部全反射現象有可能會發生在螢光層108底面134。假若頂面124與底面134間的距離(厚度)夠小，頂面124上的紋理面亦可幫助減少底面134處內部全反射的發生。
在本發明一態樣中，具有螢光層108與LED 104的發光裝置100能夠將電能轉換成光學性光(optical light)。包含有一紋理化頂面(a textured top surface)124與一底面134的螢光層108係設置在LED 104上方以產生對應該光學性光112的流明光(luminous light)116。紋理化頂面124為一具有相似連續構形的表面，能夠降低LED 104與螢光層108之間的內部全反射效應。裝置100更可包含一光萃取層(light extracting layer)設置在螢光層108與LED 104之間以萃取光學性光112。在本發明一態樣中，紋理化頂面124為一具二維均勻分佈的三角體、半球體，或三角體與半球體組合的表面。每一半球體的直徑例如介於0.1微米(μm)到1毫米(mm)之間。
文中更應注意本發明範例態樣的根本概念不會因為基底102、固態光發射體104、光萃取層及/或螢光層的尺寸改變而改變。在本發明一態樣中，基底102的大小小於光發射體104。螢光層108的大小亦可隨應用而改變。例如，當螢光層108的大小大於光萃取層時，裝置100會產生演色性(CRI rating)相同的光。
佈置一紋理面的優點在於可減少內部全反射現象，進而提高整體的可見光輸出。
第二A圖為根據本發明一態樣的含有一具一紋理面的螢光層及一光萃取層的一光學裝置250的截面圖。裝置250包含一基底102、一固態光發射體104、一螢光層108及壁部110。裝置250更包含一光萃取層252用來增強光輸出。如同裝置100，在本發明一態樣中，裝置250採用一具有紋理化頂面124的螢光層108來減少內部全反射。應注意本發明範例態樣的根本觀念不會因裝置250中一或多個步驟或層結構的增減而有所改變。
參照第二A圖，LED 104的一第一表面係接在一基底102上及LED 104的一第二表面係耦接一光萃取層252。在本發明一態樣中，光萃取層252為一透明的矽膠(silicone)層，能夠萃取或放大LED 104所發出的光學性光或藍光。例如，光萃取層252會協助LED 104生成足夠的光學性藍光來滿足預先定義的疊層要求(laminating requirement)。LED 104所發出的藍光會經由透明的矽膠層252增強其光學性光的發光強度或發光量。應注意並非一定要具有光萃取層252才可使裝置250作用。然而，如果沒有光萃取層252，LED 104產生的光學性光可能會不足。故此，在未設置光萃取層的態樣中，裝置會需要更有力且較大的LED或光萃取度較佳的LED來達成有採用光萃取層時所能達到的相同結果。
在本發明一態樣中，光萃取層252為一薄片或層結構，如第二A圖中所示者。螢光層108與光萃取層252之間可插入其他的層結構、材質、液體及/或氣體。只要能達到相同的光萃取功效，光萃取層252可用透明矽膠以外的材質來構成。在發明另一態樣中，光萃取層之大小小於固態光發射體104。光萃取層252亦可設計成各種不同的形狀及/或以各種不同的步驟來建置。
第二B圖為根據本發明一態樣的含有一具一紋理面的螢光層及一圓頂狀光萃取層的一光學裝置200的截面圖。裝置200包含一基底102、一固態光發射體104、一螢光層108及壁部110。裝置200更包含一光萃取圓頂部202用來增強其光輸出。在本發明一觀點中，裝置200會採用具有一紋理化頂面124的螢光層108來減少其內部全反射現象。
在本發明一態樣中，光萃取圓頂部202為一透明的矽膠圓頂部，能夠萃取或放大LED 104所發出的光學性光。例如，光萃取圓頂部202會協助LED 104生成足夠的藍光來照明。LED 104所發出的藍光經過透明矽膠圓頂部202後會增強其發光強度。應注意裝置200不一定需要光萃取圓頂部202才能發出光。然而當未設置光萃取圓頂部202時，LED 104所發出的光可能較少。在未具備光萃取圓頂部202的情況下，裝置會需要一更強力的LED或是光萃取性或發光效率較佳的LED來彌補其未具圓頂部的不足。應注意圓頂部202可能會或可能不會與螢光層108有所接觸。圓頂部202與螢光層108之間可加入其他的層結構、材質、液體及/或氣體。
裝置200更包含一陣列螢光質島狀物230散佈在螢光層108上以改善其演色性係數(Color Rendering Index,CRI)。有關物體色彩呈現方面之光源品質可根據其演色性係數(CRI rating)來加以評比或量度。演色性係數係指出發出的光為冷白光還是自然白光。圖中這些螢光質島狀物230排列成一陣列形式，其中每一島狀物都設計成一圓頂狀或一透鏡狀。螢光質島狀物230之間的間隔係用來促進冷白光116的通過。例如，藍光112會進入螢光層108並行經螢光層108，如暫態光118所示。島狀物230之間的間隔可讓暫態光118無任何阻礙地離開螢光層108並變成冷白光116。
當暫態光118進入島狀物230時，其會轉變為暖暫態光232，該暖暫態光232在離開島狀物230後會變為暖光238。視島狀物厚度的不同，當其入射光的入射角大於臨界角時該島狀物230內部會發生內部全反射現象(箭頭236)。如此，島狀物230的一紋理面亦可用來增強其光輸出。使用螢光質島狀物230的優點在於更可促進與控制暖光的分佈。
第三圖描繪了根據本發明一態樣的含有一具一紋理化底面的螢光層的一發光裝置300。裝置300包含一基底102、一固態光發射體104、一螢光層302及壁部110。在本發明一態樣中，裝置300採用具有一紋理化底面334的螢光層302來減少其內部全反射現象。應注意本發明範例態樣的根本觀念不會因裝置300中一或多個步驟或層結構的增減而有所改變。
螢光層或螢光膜302包含一頂面324及一底面334，其中該底面334係被紋理化。為控制及/或減少內部全反射現象，螢光層302的底面334係設計成包含具有連續構形的一紋理面(a textured surface)。例如，該等連續構形代表一區域係含有至少二維連續均勻的半球體或三角體，其中該半球體直徑或三角體邊長設成微尺寸(micro-sized dimensions)，如1微米(μm)。由於微尺寸半球體或三角體的緣故，每一道入射光的角度皆會被改變，進而減少其內部全反射現象。入射光束或光線的角度為該光束(線)與螢光層108的一表面如底面334間的夾角。由於該紋理面位於該底面334，視螢光層302的厚度而定，箭頭322所指的內部全反射可發生在螢光層302的頂面324。假如頂面324與底面334之間的距離(即厚度)夠小(夠薄)，則底面334上的紋理面亦可幫助減少頂面324處內部全反射的發生。
在運作中，光學性光112會從LED 104經空氣114行進至螢光層302處。在光學性光112撞擊螢光層302底面334處的一區域320之後，該光學性光會變成暫態光318穿過螢光層302介質。須注意由於底面334的該紋理面含有連續微形結構，區域320處內部全反射的發生會減少。當暫態光318到達螢光層302頂面324的區域326處時，其穿過螢光層302介質後會轉變成亮冷光116。應注意內部全反射322可能會在暫態光318撞擊在區域326上的入射角度大於臨界角時發生。視螢光層302的厚度而定，在底面334處形成紋理面將可減少區域320、區域326、或是這兩個區域的內部全反射現象。
第四圖為根據本發明一態樣的包含具有兩個紋理面的一螢光層的一光學裝置400範例的截面圖。裝置400包含一基底102、一固態光發射體104、一螢光層408、及壁部110。裝置400採用具有一紋理化底面434及一紋理化頂面424的螢光層408來減少其內部全反射效應。應注意本發明範例態樣之根本概念不會因為裝置400中一或多個步驟或層結構的增減而改變。
螢光層或螢光膜408包含一紋理化頂面424及一紋理化底面434來控制其內部全反射。為控制及/或消弭內部全反射效應，螢光層408的頂面424及底面434皆設計成包含具有連續構形的紋理面。如先前所提到的，連續構形是指一區域具有至少二維連續均勻的半球體或三角體，其中該等半球體之直徑或該等三角體之邊長(segments)設成微尺寸(micro-sized dimensions)，如1微米(μm)。由於微尺寸半球體與三角體的緣故，每一道入射光束的角度皆會改變，進而減少了其內部全反射現象。
在運作期間，光學性光112會從LED 104經空氣114行進至螢光層302。在光學性光112撞擊在螢光層408底面434處的一區域420後會轉變成一能夠穿過螢光層408介質的暫態光418。注意由於底面434的紋理面含有連續微小結構，故可減少其區域420處內部全反射的發生。當暫態光418到達螢光層408頂面424的區域426時，它在離開螢光層408介質後會轉變成亮冷光116。應注意由於頂面424的紋理面含有連續微形結構，故可消弭或減少區域426處的內部全反射。應注意為消弭內部全反射現象，可以佈置紋理化在螢光層408的頂面及底面。
第五圖為根據本發明一態樣能夠使用紋理化螢光膜產生自然白光與暖白光的一光學裝置500的截面圖。裝置500包含一基底102、一LED 104、一螢光層108、一暖螢光層50及壁部110。裝置500使用紋理面技術來減少內部全反射現象。應注意本發明範例態樣的根本觀念不會因為裝置500中一或多個步驟或層結構的增減而改變。
為改善演色性係數，裝置500包含一暖螢光層502，其可能為一紅色或橘色螢光層用以產生自然白光或暖白光。螢光層502包含一頂面524及一底面534，其中頂面524與底面534中至少一面會被紋理化。例如，螢光層502的頂面524包含一紋理面，其包含具有至少二維連續均勻的半球體或三角體的一區域。該等半球體之直徑或三角體之邊長可以設成微尺寸(micro-sized dimensions)，如1微米(μm)。由於微尺寸半球體或三角體之緣故，紅入射光線之角度會改變，進而減少暖螢光層502的內部全反射現象。
在運作期間，光學性光112會從LED 104經空氣114行進至螢光層302。在光學性光112撞擊到螢光層108底面134的一區域120上時會轉變成經過螢光層108介質的暫態光118。注意由於螢光層108的頂面124的紋理面含有連續微形結構的緣故，故可減少區域120處內部全反射的發生。到達螢光層108頂面124的一區域526及/或暖螢光層502底面的暫態光在離開該螢光層108介質後會轉變成一自然的暫態光504。暫態光504在離開暖螢光層502後會變成自然白光或暖白光516。應注意由於頂面524的紋理面含有連續微形結構，故可消弭螢光層502內部全反射的發生。
第六圖描繪了根據本發明一態樣使用紋理化螢光質島狀物產生自然白光及暖白光的一光學裝置600之截面圖。裝置600包含一基底102、一LED 104、一螢光層108及一陣列的螢光質島狀物602。裝置600中使用紋理面技術減少其內部全反射現象。應注意本發明範例態樣的根本觀念不會因裝置600中一或多個步驟或層結構的增減而改變。
為改善裝置的演色性，如第六圖所示多個螢光質島狀物602會排列成一陣列形式，螢光質島狀物間配置有足夠的空間。例如，螢光質島狀物602間的間隔可供作讓冷白光116得以通過的通道。在本發明一態樣中，螢光質島狀物602能夠將至少一部份的冷白光606轉換成暖光608(或中性白光neutral white)。一旦暖光608生成，它會與冷白光116混光或結合而生成冷白光(演色性係數較高)、暖白光，或自然白光。冷白光、暖白光或自然白光的演色性係數應該介於70~100之間。
在本發明一態樣中，螢光質島狀物602係設計成能夠應答部分的冷白光生成紅光(或暖光)的紅螢光質島狀物。例如，部分的冷白光606會從螢光層108進入紅螢光質島狀物602的一側，而其紅光或暖光608會從紅螢光質島狀物602的另一側離開。注意只要黃光撞擊在一紅螢光質島狀物上，該黃光立即會轉變成紅光或暖光。與冷黃光混合的紅光會生成暖白光或中性白光(neutral light)。從螢光質島狀物發出的紅光會改善裝置整體的相關色溫(Correlated Color Temperature,CCT)與演色性(CRI rating)。相關色溫與演色性皆為用來評估所生成光線色彩品質之量度。在另一例中，螢光質島狀物602為橘色的螢光質島狀物或物體或小點以提供橘色光。只要其光學波長介於590毫微米(nm)~700毫微米(nm)之間，其他顏色的螢光質島狀物亦可用來取代該等紅色或橘色的螢光質島狀物。應注意雖然橘色光或紅色光的光輸出效率較黃色光為低，然橘色光或紅色光卻有較佳的演色性。
在本發明一態樣中，每一螢光質島狀物602皆包含一紋理化頂面604來減少其內部全反射現象。視應用而定，螢光質島狀物602亦可能含有一紋理化底面與螢光層108的頂面124接觸。例如，螢光質島狀物含有連續微形結構的紋理化頂面604可減少其內部全反射效應，從而增強整體暖光608的發光輸出。此範例態樣的根本概念不會因螢光質島狀物的形狀及/或大小改變而改變。視其應用而定，紋理面(不論是頂面或底面)當足以消弭其內部全反射現象。
在本發明中，使用一螢光層上設有所選紋理面之螢光島的裝置600可改善整體的光輸出並增強其演色表現(CRI rating)。
第七A圖描繪了根據本發明一態樣用於一螢光層的半球體紋理化構形700的例子。構形700描繪成具有連續均勻相同大小的半球體的一表面。在本發明一態樣中，每個半球體702的直徑皆為d，其大小介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。視螢光層的應用及厚度而定，調整半球體702的直徑d可消弭其內部全反射現象。應注意亦可能採用其他非平面的表面結構。
第七B圖描繪了根據本發明一態樣用於一螢光層的三角體構形720之例子。構形720描繪成具有均勻連續相同大小的三角體的一表面。在本發明一態樣中，每個三角體722具有三條線或邊長，其每一邊長長度介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。視螢光層之應用與厚度而定，調整三角體722的邊長可消弭其內部全反射現象。應注意亦可採用其他非平面的構形。
第七C圖描繪了根據本發明一態樣用於一螢光層的不規則三角體紋理構形740之例子。構形740描繪成一具有均勻連續相同大小的不規則三角體的一表面，其中每個大三角體742含有一組較小的不規則三角體。在本發明一態樣中，大三角體742的寬度x介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。視螢光層之應用與厚度而定，調整三角體742的寬度可以消弭其內部全反射現象。應注意亦可能採用其他非平面的構形。
第七D圖描繪了根據本發明一態樣用於一螢光層的不規則三角體構形760的另一例子。構形760描繪成一具有連續不規則的小尺寸三角體的一表面。在本發明一態樣中，一個三角體團群(a cluster of triangles)的寬度應介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。視螢光層之應用與厚度而定，調整不規則三角體的寬度可消弭內部全反射現象。應注意亦可能採用其他非平面的構形。
第八圖描繪了根據本發明一態樣使用一紋理化螢光層、具有多個固態光發射體的一光學裝置800。裝置800包含一基底802、四個LEDs 804~810、一螢光層108、一透鏡816及壁部110。壁部110係用來分隔光學裝置800與其他組成元件如鄰近的光學裝置。壁部110亦可為LED外殼或杯體組態的一部份。基底802例如更藉由一耦合元件814與一電路板(未示於第八圖)耦接。在本發明一態樣中，裝置800會在螢光層108上蝕刻出一紋理化的頂面以減少其內部全反射現象。裝置800整體的發光輸出會因為其內部全反射的消弭而增強。應注意本發明範例態樣的根本概念不會因裝置800中一或多個步驟或層結構的增減而改變。
在本發明一態樣中，裝置800包含多個LEDs 804~810，其中這些LEDs可藉由各種連接機制如打線接合812，或於第八圖的錫球或導電性黏著劑，來設置在基底802上。螢光層108上的紋理面可減少其內部全反射效應，在溫度維持在預定範圍內的同時達成較高的光輸出。在裝置800中裝設一個以上的LED的優點在於增加整體的發光輸出。透鏡816可為玻璃、塑膠、或矽透鏡用來保護螢光島108與裝置800。除了提供裝置的保護外，透鏡816能提供聚光的功能以形成一或多道光束。應注意透鏡816與螢光層108之間可以加入其他額外的層結構或氣體。
本發明的態樣範例包含多種製程步驟，其將於下文中描述。其各態樣之步驟可藉機器或電腦可執行式指令來體現。該些指令可用來使一般用途型或特殊用途型的系統(其由上述指令來加以編程)進行本發明態樣範例之步驟。在另一態樣中，本發明態樣範例之步驟可透過那些特定內含硬體接線邏輯電路的特定硬體組件來進行，或是由任何編程後的電腦組件與客製化硬體組件來進行，以執行該些步驟。
第九圖為根據本發明一態樣之一流程圖900，其說明了製作一具有紋理化螢光層發光裝置之流程。在步驟902中，將一發光二極體(LED)設置在基底上。在發明一態樣中，該流程對一多層基底上的一固態發光裝置進行蝕刻，該發光裝置復與一印刷電路板連接。此流程亦能夠在該基底上耦接一個以上的LED。
在步驟904中，一矽膠層會被散佈在該LED上以萃取來自該LED的光學性光。在本發明的一態樣中，於此步驟該LED與一螢光層間會填入一透明的矽膠層，其具有促進固態光源中光萃取之功效。透明矽膠層的另一功能在於可將LED固定在基底上。
在步驟906中，一光波長介於490nm~590nm的螢光層會被設置來生成冷流明光(luminous cool light)。在一例子中，此步驟中會沈積一層黃螢光層來生成冷流明光。而在另一例中，此步驟則沈積一層綠螢光層來生成冷流明光。
在步驟908中，螢光層上會產生一紋理化頂面以減少或消弭螢光層與LED之間的內部全反射現象。在一態樣中，該紋理化表面包含能夠減少內部全反射的形狀相似均勻的構形。在生成具有連續分佈之半球體的一紋理化表面的例子中，其每個半球體之直徑可設定在介於0.1μm~1mm之間。在另一例子中，形成具有連續分佈之三角體的一紋理化表面的例子中，其三角體的邊長設定在介於0.1μm~1mm之間。此步驟進一步能使螢光層的底面產生紋理以消弭其內部全反射現象，亦能夠沈積具有紋理面的螢光質島狀物以產生自然的白光或暖白光。
在表示暨描述本發明特定態樣之同時，對該領域之熟習技藝人士而言，顯然根據文中之教示，本發明可在不悖離本發明態樣範例及其廣義觀點的前提下加以變更及修改。因此，其所附之申請專利範圍係意欲將這類所有的變更與修改含括在本發明這些態樣範例真正的精神與範疇內。
100．．．裝置
102．．．基底
104．．．LED
106．．．窗體
108．．．螢光層
110．．．壁部
112．．．藍光
114．．．空間
116．．．亮黃光
118．．．暫態光
120．．．區域
122．．．箭頭
124．．．頂面
126．．．區域
200．．．裝置
202．．．圓頂部
230．．．島狀物
232．．．暫態光
234．．．區域
236．．．箭頭
238．．．暖光
250．．．裝置
252．．．光萃取層
300．．．裝置
302．．．螢光層
318．．．暫態光
320．．．區域
322．．．內部全反射
324．．．頂面
326．．．區域
334．．．底面
400．．．裝置
408．．．螢光層
418．．．暫態光
420．．．區域
424．．．頂面
426．．．區域
434．．．底面
500．．．裝置
502．．．螢光層
504．．．暫態光
516．．．暖白光
524．．．頂面
526．．．區域
534．．．底面
600．．．裝置
602．．．島狀物
604．．．頂面
606．．．冷白光
608．．．暖光
700．．．構形
702．．．半球體
720．．．三角體構形
722．．．三角體
740．．．三角體紋理構形
742．．．三角體
760．．．不規則三角體構形
800．．．裝置
802．．．基底
804．．．LED
806．．．LED
808．．．LED
810．．．LED
812．．．打線接合
814．．．耦合元件
816．．．透鏡
818．．．光束
從上文之細節描述以及隨附多種發明態樣之圖示，閱者將更可充分瞭解本發明之各態樣範例。然而，這些範例僅係為了解釋與理解之目的，不應被視為將本發明限制在某特定的態樣下。
第一圖為根據本發明一態樣的包含一具有一紋理面的螢光層的一光學裝置的截面圖；
第二A圖至第二B圖為根據本發明一態樣的包含具有一紋理面的一螢光層及一光萃取層的一光學裝置截面圖；
第三圖描繪了根據本發明一態樣的具有一螢光層的一發光裝置範例，其螢光層具有一紋理化底面；
第四圖為根據本發明一態樣的包含一具有兩個紋理面的螢光層的光學裝置範例之截面圖；
第五圖為根據本發明一態樣使用一紋理化螢光膜生成自然白光及暖白光的一光學裝置截面圖；
第六圖描繪了根據本發明一態樣使用紋理化螢光質島狀物生成自然白光及暖白光的一光學裝置之截面圖；
第七A圖至第七D圖描繪了根據本發明一態樣用於一螢光層的紋理化構形的例子；
第八圖描繪了根據本發明一態樣使用一紋理化螢光層、具有多個固態光發射體的一光學裝置；及
第九圖為根據本發明一態樣的一流程圖，其說明了製作具有一紋理化螢光層的一發光裝置之流程。
100．．．裝置
102．．．基底
104．．．LED
106．．．窗體
108．．．螢光層
110．．．壁部
112．．．藍光
114．．．空間
116．．．亮黃光
118．．．暫態光
120．．．區域
122．．．箭頭
124．．．頂面
126．．．區域
Claims (24)
- 一種發光裝置，其包括：一固態光發射體，能夠將電能轉換成光學性光(optical light)；一螢光層，具有一第一表面及一第二表面，該螢光層位於該固態光發射體上方以應答該光學性光產生流明光(luminous light)，其中該螢光層之該第一表面設計成包含形狀相似連續構形的一紋理結構(a texture)，係能夠減少該固態光發射體與該螢光層之間的內部全反射；及複數個螢光質島狀物設置在該螢光層上方以生成暖光(warm light)。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，更包含一光萃取層設置在該螢光層與該固態光發射體之間以萃取來自該固態光發射體之該光學性光。
- 如申請專利範圍第2項所述之發光裝置，其中該光萃取層為一透明的矽膠層(silicone layer)；及其中該固態光發射體為一發光二極體(LED)。
- 如申請專利範圍第3項所述之發光裝置，其中該光萃取層設計成圓頂狀，能夠萃取並散射來自該LED之該光學性光至該螢光層。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該形狀相似連續構形的該紋理結構係一具二維連續均勻分佈三角體的表面。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該形狀相似連續構形的該紋理結構係一具二維連續均勻分佈半球體的表面。
- 如申請專利範圍第6項所述之發光裝置，其中每一連續均勻分佈的該半球體的直徑介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第二表面面向該固態光發射體，並包含具形狀相似均勻構形的一紋理結構，係能夠減少該固態光發射體與該螢光層之間的內部全反射。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中該第一表面設計成面向該固態光發射體。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光裝置，其中每一該等螢光質島狀物包含一頂面及一底面，其中該頂面設計成包含一具形狀相似均勻構形的紋理結構，係能夠減少該螢光層與該等螢光質島狀物之間的內部全反 射。
- 一種製作一發光裝置之方法，其包括：放置一發光二極體(LED)在一基底上；配置一矽膠層在該發光二極體上方以萃取來自該發光二極體的光學性光；配置一螢光層在該矽膠層上以生成冷流明光(luminous cool light)；形成一紋理面在該螢光層的一第一表面上以減少在該螢光層的內部全反射；及沈積複數個具有紋理面的螢光質島狀物在該螢光層上方以生成暖光並減少內部全反射。
- 如申請專利範圍第11項所述之製作一發光裝置之方法，其中前述形成一紋理面(a textured surface)之步驟更包含蝕刻出一具形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射的一紋理結構。
- 如申請專利範圍第12項所述之製作一發光裝置之方法，其中前述蝕刻出一具形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射的一紋理結構之步驟包含提供一具有連續分佈的半球體之表面。
- 如申請專利範圍第13項所述之製作一發光裝置之方法，其中前述提供一具有連續分佈的半球體之表面之 步驟更包含將該半球體的直徑設定在介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。
- 如申請專利範圍第12項所述之製作一發光裝置之方法，其中前述形成一具有形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射的紋理結構之步驟包含提供一具有連續分佈的三角體之表面。
- 如申請專利範圍第15項所述之製作一發光裝置之方法，其中前述提供一具有連續分佈的三角體之表面之步驟更包含將該三角體的線段(line segment)設定在介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間。
- 如申請專利範圍第11項所述之製作一發光裝置之方法，更包含形成一紋理面在該螢光層的一第二表面上以消弭在該螢光層的內部全反射。
- 一種用於製作一發光裝置的設備，其包括：一用以將一發光二極體(LED)置放在一基底上的裝置；一用以將一矽膠層配置在該發光二極體上方的裝置，以萃取來自該發光二極體的光學性光；一用以將一螢光層配置在該矽膠層上方的裝置，以 生成冷流明光；一用以在該螢光層的一第一表面上形成一紋理面的裝置，以減少在該螢光層的內部全反射；及一裝置用以沈積複數個具有紋理面的螢光質島狀物在該螢光層上方以生成暖光並減少內部全反射。
- 如申請專利範圍第18項所述之用於製作一發光裝置的設備，其中前述用以形成一紋理面的裝置更包含用以蝕刻出一具形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射的紋理結構的一裝置。
- 如申請專利範圍第19項所述之用於製作一發光裝置的設備，其中前述用以蝕刻出一具有形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射的紋理結構的裝置包含用以提供一具有連續分佈的半球體之表面的一裝置。
- 如申請專利範圍第20項所述之用於製作一發光裝置的設備，其中前述用以提供一具有連續分佈的半球體之表面的裝置更包含用以將該半球體的直徑設定在介於0.1微米(μm)至1毫米(mm)之間的一裝置。
- 如申請專利範圍第19項所述之用於製作一發光裝置的設備，其中前述用以蝕刻出一具有形狀相似均勻構形能夠減少內部全反射之紋理結構的裝置包含用以提供具有連續分佈的三角體之表面的一裝置。
- 如申請專利範圍第22項所述之用於製作一發光裝置的設備，其中前述用以提供一具有連續分佈的三角體之表面的裝置更包含用以將該三角體的線段(line segment)設定在介於0.1微米(μm)至~1毫米(mm)之間的一裝置。
- 如申請專利範圍第18項所述之用於製作一發光裝置的設備，更包含用以在該螢光層之一第二表面上形成一紋理面以消弭在該螢光層的內部全反射的一裝置。
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