TWI479676B - 具有混合式頂端反射物之側發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種側發光裝置，其包含至少一個發光二極體，該發光二極體佈置於基板上且面向散射反射物，該散射反射物設置於距該基板一定距離處且沿該基板之延伸部分延伸。
彩色LED以及磷光體轉換高功率LED作為有效高亮度光源對用於大背光板極具吸引力。然而，在某些應用中，例如手持式顯示器裝置(例如行動電話、PDA及諸如此類)之薄背光，期望使用薄側發光裝置作為光源。
側發光裝置闡述於頒予A1,Kim等人之美國專利第2006/0208269號中，其闡述佈置於基板上且在反射表面下之發光二極體，該反射表面經設計以將來自發光二極體之光藉由全內反射經反射朝向該裝置側。反射表面後面、LED之對置側佈置有散射材料以將穿過反射表面之光散射並使其穿過該反射表面反射回，即，光在反射表面上不經歷全內反射。
然而，為了使上述裝置正常工作，必須使反射表面傾斜以使來自下方之光借助全內反射反射至側面。因此，基板至反射表面之距離必須朝向側面逐漸增加。此增加裝置之總厚度。此外，為防止光經由頂部表面離開散射材料，該散射材料需要具有相當大的厚度，此亦可能增加裝置之總厚度。
本發明之目的係至少部分地克服此問題，且提供易於製造且具有低厚度之側發光裝置。
伴隨低厚度將出現由LED散逸之熱將影響整個裝置的情況。尤其，當使用高功率LED時，裝置組件上之熱負荷將會相當大。因此，本發明又一目的係提供一種可耐受作業溫度延長使用時間之側發光裝置。
因此，在第一態樣中，本發明提供一種側發光裝置，其包含至少一個發光二極體，該發光二極體佈置於基板上且面向散射反射物，該散射反射物設置於距該基板一定距離處且沿該基板之延伸部分延伸，其中該反射物包含分佈於載體中之散射組份，該等散射組份具有不同於該載體折射率之折射率。
舉例而言，該等散射組份可為折射率比載體高或低(較佳高)之固體顆粒，或另一選擇可為折射率比載體低之孔。
由LED發射之光入射於反射物上，且不依賴入射角其將被散射並被反射。由於反射物之散射性質，將不會有大量光經由反射物離開裝置，且因此離開裝置之大部分光肯定在基板與反射物之間之開口處離開。
散射作用引起裝置中之角度重新分配，此根本上增大光離開裝置之機率。因此，散射反射物將使光抽取增加而優於鏡面反射物。
散射顆粒通常係熱穩定且光穩定之無機材料，例如金屬氧化物。
散射反射物之載體可為(例如)含矽網絡，通常為矽酸鹽網絡(例如烷基矽酸鹽網絡)、或聚矽氧烷網絡。基於含矽網絡之反射物完全或基本上為無機物且因此對熱降解及光降解具有低敏感性。另外，其易於施加至固體基板上。
或者，散射反射物之載體係陶瓷材料。陶瓷材料通常光穩定且熱穩定，且因此極適於此目的。
在本發明之實施例中，頂端反射物可佈置於該散射反射物頂端上。
通常，該頂端反射物基本上不透明。因此，可使反射物之散射組份的厚度僅足以達成期望散射作用即可。當頂端反射物佈置於散射反射物頂端時，遇到頂端反射物之光會兩次穿過散射反射物。藉此，為獲得相同散射程度，與頂端上無反射物之散射層相比，散射層之厚度可顯著降低。此有助於降低裝置之總厚度。
在本發明實施例中，固體透射材料可佈置於基板與反射物之間。
固體透射材料可使得光更有效地自LED抽取，此乃因只有較少的光自高折射率LED材料反射至更高折射率固體層(例如，反射至空氣)。另外，藉由實心體增大LED介面處全內反射之臨界角，此使得自LED之光抽取增加。
在本發明實施例中，透射材料可包含波長轉換材料。
當波長轉換材料佈置於基板與反射物之間時，由LED發射之光可將進行波長轉換，且光輸出之顏色可適應使用者需要，而不會使裝置尺寸增大或向裝置添加外部元件。另外，波長轉換材料對光可具有散射作用，從而增加在裝置中散射之優勢。
在本發明實施例中(尤其不存在頂端反射物之實施例)，散射反射物可包含顏料，或可將顏料層佈置於該散射反射物之頂端上。
該顏料可用於調諧經由散射反射物逃逸或自反射物反射之光的顏色，或使經由散射反射物逃逸之光變暗。另外，當關閉LED時，該顏料賦予裝置可調視覺外觀，例如期望顏色。
在本發明實施例中，散射反射物可經佈置與該基板基本上平行。由於反射物之散射作用，由LED發射之大部分光會經由基板與反射物之間之開口離開，即使反射物平行於基板。因此，本發明之裝置可製得較薄。
在本發明實施例中，可由反射塗層塗佈固體透射材料之部分橫向邊緣。因此，可在一或多個選定方向上引導所發射光。
本發明側發光裝置100之第一實施例示意性地繪示於圖1中且包含發光二極體(本文亦表示為"LED" 101)及上面布置有LED 101之基板102。該圖中未顯示LED之驅動電路，但按照業內慣例其亦存在於裝置中。反射物103佈置於佈置有LED 101之基板102表面的上方。因此，LED 101面向反射物103。
在此實施例中，基板102及散射反射物103繪示為基本平行，但根據下文說明應理解，並非本發明之所有實施例均需如此。
基板102及反射物103分別形成設置於其間之光傳播區115之下限及上限。光傳播區115可為空的(真空)，填充有氣體、液體、凝膠，或填充有固體透射材料106以使由LED發射之光在其內傳播。
該裝置在光傳播區115之至少一個橫向邊緣處且在基板與反射物之間具有至少一個橫向開口114，由LED 101發射並在光傳播區115中傳播之光可穿過該(等)開口離開裝置100。
發光二極體101佈置於基板102上。來自LED 101之光通常具有相當大的角展度(例如以半球形型樣或較小展度發射)，且通常具有垂直於基板表面之主要發光方向，所謂頂端發射LED。然而，其他類型之LED亦可用於本發明裝置中。
本申請案所用術語"發光二極體"(在本文中縮寫為"LED")意指熟習此項技術者所熟知之任何類型之發光二極體或雷射發射二極體，其包括(但不限於)基於無機物之LED、基於有機小分子之LED(smOLED)及基於聚合物之LED(polyLED)。另外，亦可使用光子帶隙LED，其發射呈較窄及可調光錐的光。適用於本發明由LED發射之光通常在自UV光至可見光之波長範圍內。對於可見光而言，發射可為任何顏色(紫色至紅色)。通常，將藍色發光LED用於本發明之裝置中。
基板102係LED 101之載體且可為多層結構。通常，基板102包含可反射由LED所發射光之層。該反射層可為LED101之反射背板(其將電極功能與發射功能組合在一起)，或可為單獨層。反射層通常包含金屬，例如Ag或A1。根據本發明之一般範疇，反射物103反射並散射射於該反射物上之光，而基本上與光在反射物上之入射角無關。
由LED 101發射之光經發射具有至少一個射向反射物103之光分量，且在遇到該反射物時光經反射返回至光傳播區，然而，此後使反射散射，即使其具有顯著較高角展度且使光傳播顯著偏離入射光方向。通常，在反射物103中反射後之角展度接近於半球形展度。由於此高展度，光極有可能最終將會經由橫向開口114離開裝置。在波導層中亦可能發生散射重新分配，例如藉由其中具有一些散射顆粒或孔。
反射物中之反射程度通常在R>約90%(例如R>約95%)之範圍內。
因此，光透過反射物頂部表面之透射率非常低，通常低於10%。
下文將更詳細闡述圖1中實施例之反射物103。
LED 101發射光進入基板102與反射物103之間之區。該區在本文中表示為光傳播區115。此光傳播區115之目的係將來自LED 101之光引導至橫向開口114。在此光傳播區中，光在反射表面間來回反射且最終將經由橫向開口114離開裝置。
較佳地，光傳播區基本上可透過由裝置之LED所發射波長之光，例如不以可察覺程度吸收光。
光傳播區115可為填充有任何氣體(例如，空氣)或者為真空之開放空隙，或可為液體、凝膠或固體材料。適用於實心體光傳播區115之固體材料的實例包括(但不限於)固體無機材料(例如氧化鋁、玻璃、熔融氧化矽、藍寶石、及YAG)、及聚矽氧、氟聚合物、聚烯烴或其他聚合物。實心體光傳播區115可進一步包含額外量之散射材料以在該區中獲得均勻光分佈。在本發明實施例中，實心體光傳播區115可以(但並非必須)包含佈置於(例如分佈於)光傳播區115中之波長轉換材料107，或其可由波長轉換材料形成。因此，離開光傳播區115之大部分光將已經波長轉換材料107處理。
波長轉換材料107係一種在吸收某一波長或波長範圍之光後發射不同的經轉換波長或波長範圍之光的材料。通常，經轉換波長係向更長波長位移。習慣上，該等材料通常發螢光及/或發磷光。許多該等波長轉換材料已為業內所熟知，且將常用化合物群組稱為"磷光體"。
波長轉換材料可為(例如)陶瓷固體材料或包埋於黏合劑材料(例如，載體聚合物)中。波長轉換材料可直接設置於LED表面上或利用黏著層結合至LED表面上。
波長轉換材料107係匹配於LED 101以便其吸收至少一部分由LED所發射的光。因此，波長轉換材料之選擇取決於LED之選擇。舉例而言，波長轉換材料可將藍光部分地轉換為綠/黃光，其混合成白光。然而，亦可使用其他波長轉換材料，例如將藍光完全轉換為綠光、黃光或紅光，或將UV光轉換為可見光。
現在將更詳細地論述示意性地繪示於圖1中之反射物103。
在作業中，LED 101散熱，且因此反射物亦熱。因此，反射物103必須延長時期經受高溫並維持光學性質。此外，當LED 101發射UV或藍光時，反射物必須長時間經受UV或藍光曝光並維持光學性質。
散射反射物103包含光散射組份110分佈於其中之載體材料。
散射係藉由一個相與周圍相間之折射率差來達成，其中分散相之尺寸約為欲有效散射之光波長。該系統可為(例如)載體中之高折射率分散顆粒或低折射率孔。
在此實施例中，反射物103包含為矽酸鹽網絡及視情況氧化矽顆粒之載體108及分散於其中之散射顆粒110。散射顆粒110係由折射率超過載體折射率之材料(通常金屬氧化物)製得。
矽酸鹽網絡具有熱穩定及光穩定之優點。因此，矽酸鹽網絡作為載體材料極適用作本發明之散射反射物。
本發明散射反射物之典型組合物由烷氧基矽烷及/或烷基烷氧基矽烷(例如，甲基三甲氧基矽烷(MTMS))存於酸化水中之預水解溶膠組成。烷氧基矽烷之實例包括四甲氧基矽烷或四乙氧基矽烷。烷基烷氧基矽烷之實例包括甲基三甲氧基矽烷(MTMS)、甲基三乙氧基矽烷(MTES)或苯基三甲氧基矽烷、苯基三乙氧基矽烷或二甲基二甲氧基矽烷。視情況，將氧化矽奈米顆粒之懸浮液添加至此溶膠中以改良機械性質並降低層固化期間之收縮率。隨後，將具有高折射率且具有亞微米範圍粒徑分佈之氧化物顆粒添加於該溶膠中。所得懸浮液穩定且若儲存於冷凍機中在至少2個月後仍可用。在室溫下該懸浮液緩慢反應，其中水解的烷氧基矽烷或烷基烷氧基單體反應形成剛性無機網絡。在塗佈程序期間當移除溶劑(通常水、或水/醇混合物)時此反應加速。塗佈後，將該層熱固化以加速網絡形成。當使用烷氧基矽烷作為載體材料時，矽酸鹽網絡係與所納入散射顏料及可選奈米顆粒一起形成。當使用烷基烷氧基矽烷時，形成烷基矽酸鹽網絡，例如當使用甲基三甲氧基矽烷時形成甲基矽酸鹽網絡。
另一類型之組合物使用已預聚合之市售矽烷前體(例如，Silres-Wacker Chemie)，其易於溶於有機溶劑中且可藉由添加在亞微米粒徑範圍內具有高折射率之氧化物顆粒來獲得穩定懸浮液。
又一類型之載體/黏合劑材料由矽氧烷(例如聚矽氧)材料組成。可添加溶劑以降低黏度，但亦可使用未溶解的矽氧烷。將散射顆粒添加至矽氧烷或溶解的矽氧烷中以獲得可塗佈之分散液。
散射顆粒之實例包括金屬氧化物顆粒，例如TiO2
金紅石(n=2.7)、TiO2
銳鈦礦(n=2.4)、ZrO2
(n=2.1)、Ta2
O5
(n=2.2)、Nb2
O5
(n=2.2)、SnO2
(n=1.89)、Al2
O3
(n=1.76)，或另一種無機材料(例如ZnS(n=2.3))。於相同氧化物體積含量下獲得相同反射率值所需之層厚度隨在相似粒徑分佈下折射率值之增大而降低。通常，對於適宜光學性質而言，散射顆粒之平均粒徑低於約1μm但超過50nm。
通常，散射顆粒佔該反射物之10-70體積%。
又一類型散射反射物使用陶瓷材料作為載體。通常，該陶瓷載體含有孔徑約為光波長之孔。孔之密度通常係在10-70體積%之間。陶瓷黏合劑材料通常由釔鋁石榴石(YAG)、氧化鋁(Al2
O3
)、氧化鋯(ZrO2
)或氧化鈦(TiO2
)組成，但可使用熟習此項技術者所熟知之其他陶瓷材料。該等孔通常由空氣填充之空隙組成。陶瓷材料通常係從粉末進行加工，該等粉末與聚合黏合劑一起壓為平基板。在此過程本身就引入氣穴。亦可使用熟習此項技術者所熟知之粉漿澆注或薄帶澆注技術製造基板。於高溫下燒結該等基板以移除黏合劑並獲得緻密黏著層。利用燒結時間、溫度及燒結氣體控制殘餘氣穴之量及大小。通常用黏著劑將該等陶瓷反射物結合至光傳播層106。陶瓷多孔反射物高度光-熱穩定，此乃因其由無機材料溶液組成並在遠超過LED作業溫度(通常在150℃與200℃之間)之溫度下處理。
由LED所發射光之大部分部分將由於散射而反射返回至光傳播區115中，但一部分光亦將會基本上未經散射或雖經散射但仍向前的穿過反射物103。
在第一選擇中，阻斷此穿過散射反射物103之殘餘光。此可藉由(例如)在散射反射物103上佈置基本上不透明之頂端反射物109達成。遇到頂端反射物109之光將反射回至散射反射物103中，且最終進入光傳播區115中以朝向橫向出口開口114透射。因此，光有兩次散射之機會，從而提高散射效率。因此，可降低散射反射物之厚度或散射顆粒之密度，但與頂端反射物組合仍可獲得期望散射及重新分配效果。
頂端反射物通常可為金屬層(例如銀或鋁層)，或可為分色鏡。金屬層反射物與散射反射物相比通常較薄(約100-500nm)，散射反射物之厚度可在10-100μm之範圍內(例如30-50μm)。分色鏡通常具有極高反射率(例如99%)之角度範圍，但可能具有角度依賴性而在較大偏離角處獲得降低的反射率。反射率亦可能具有光譜依賴性。
頂端反射物通常係鏡面反射物以最小化反射損失，但在一些應用中可為漫射反射物，例如類似於散射反射物之漫射反射物。
當頂端反射物係漫射反射物時，頂端反射物可為使用散射功率比散射反射物高之顏料的散射反射物。隨後，藉由散射反射物散射自光轉換層107入射之光並使其一部分反射返回且一部分透射至頂端反射物。此優點與以下事實有關：具有較低散射功率之顏料(例如銳鈦礦)具有比具有極高散射功率之金紅石低之波長吸收帶。因此，銳鈦礦於高於400nm之波長下實質上不吸收光，但金紅石於低於425nm下具有導致吸收損失之吸收邊緣。藍色LED可含有在400與425nm之間發射的光，其將部分地由含金紅石反射物吸收。因此，含銳鈦礦之反射物將反射在400與425nm之間之大部分光而無吸收損失，而含有金紅石顏料之頂端反射物於超過425nm之波長下顯示較高反射率。類似地，若LED發射UV光，則散射反射物層可含有在近UV無UV吸收之氧化鋁或氧化鋯顏料、以及較高散射功率之金紅石顏料或銳鈦礦顏料以提高經波長轉換層轉換之可見光波長之反射率。
在第二選擇中，殘餘光可用於照亮發光二極體之頂部表面。在某些應用中，有利的是，可容易地從上面檢測發光二極體之位置。其亦可使二極體具有悅目的外觀。
可添加少量顏料至反射層中或頂端上。根據期望顏色該顏料較佳係典型無機顏料(例如，但不限於Cr2
O3
、CoAl2
O4
等)，或可為發光顏料。通常將該顏料納入黏合劑中，例如上述聚矽氧或矽烷網絡。
可將該顏料添加至反射物調配物中或可施加於散射反射物之頂端作為塗層，視情況將其調配於散射塗層調配物中。
側發射LED之彩色外觀對使LED之外觀適於使用LED之裝置的應用及設計極具吸引力。此對於閃光LED之情況尤其如此，例如用於行動電話中。側發射LED與LED周圍之反射物(例如拋物面反射物)之組合可用作閃光燈。然而，在應用中仍可看到反射物之頂部表面。因此，期望彩色光-熱穩定表面塗層以與該裝置之設計相匹配。由於彩色塗層可實質上藉由反射物塗層阻斷直接LED光(僅少量光經由散射反射物之頂部表面逃逸)，故彩色塗層不干擾側發射作業。
另一方面，殘餘或有意經由散射發射物洩漏之光與頂部上之彩色或發光顏料相互作用可使自側面發射之光帶有彩色光。在此應用中，可混合此光以調節照明之整體顏色。
熟習此項技術者應知，本發明決不限於上述較佳實施例。相反，在隨附申請專利範圍之範疇內可有許多修改及改變。舉例而言，在附圖中，基板及反射物繪示為具有相同佔用面積。然而，基板與反射物中的一者的佔用面積可能比另一者大。
此外，在本發明之側發光裝置中，光經由其離開裝置之橫向開口114不必環繞裝置之整個圓周。
在本發明之一些實施例中，可覆蓋光傳播區橫向邊緣之一部分，以便光不能在彼方向上離開裝置。舉例而言，在正方形裝置中，可覆蓋正方形一或多個側上之橫向邊緣，以使光僅經由未覆蓋側逃逸。較佳地，用反射塗層113覆蓋所覆蓋側以便將至少一些遇到該經覆蓋側之光反射回至光傳播區。更佳地，反射塗層係與用作散射反射物103相同之材料。總之，本發明提供一種側發光裝置，其包含至少一個發光二極體，該發光二極體佈置於基板上且面向散射反射物，該散射反射物設置於距該基板一定距離處且沿該基板之延伸部分延伸。散射反射物包含分佈於載體中之散射組份，且該等散射組份具有不同於該載體折射率之折射率。
反射物之散射作用引起裝置中之角度重新分配，此增大光經由反射物與基板間之橫向開口離開裝置之機率，同時基本上防止光經由頂部表面發射。本發明之發光裝置可用於(例如)LED-照明領域，例如顯示裝置中之背光應用、光導應用(包括平板光導照明器)、LED準直器構造(例如可用於汽車前燈照明或普通LED聚光照明)。然而，該等使用領域並不限於上述領域。
100．．．側發光裝置
101．．．發光二極體
102．．．基板
103．．．反射物
106．．．固體透射材料
107．．．波長轉換材料
108．．．載體
109．．．頂端反射物
110．．．散射顆粒
113．．．反射塗層
114．．．橫向開口
115．．．光傳播區
現在將參考顯示本發明當前較佳實施例之附圖更詳細闡述本發明之此及其他態樣。
圖1示意性繪示本發明裝置之一個實施例的剖面圖。
100．．．側發光裝置
101．．．發光二極體
102．．．基板
103．．．反射物
106．．．固體透射材料
107．．．波長轉換材料
108．．．載體
109．．．頂端反射物
110．．．散射顆粒
113．．．反射塗層
114．．．橫向開口
115．．．光傳播區
Claims (12)
- 一種側發光裝置(100)，其包含至少一個發光二極體(101)，該發光二極體配置於一基板(102)上且面向一散射反射物(103)，該散射反射物設置於距該基板一距離處且沿該基板之延伸部分延伸，其中該散射反射物(103)包含分佈於一載體(108)中之散射組份(scattering components，110)，該等散射組份(110)具有不同於該載體(108)折射率之折射率，其中該等散射組份(110)包含折射率比該載體(108)之折射率低之孔(pores)。
- 如請求項1之發光裝置，其中該等散射組份(110)佔該反射物之10-70體積%。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該載體(108)包含含矽網絡。
- 如請求項3之發光裝置，其中該含矽網絡係選自矽酸鹽網絡及聚矽氧烷網絡。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該載體(108)包含陶瓷材料。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該散射反射物(103)具有高於90%之反射率。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中頂端反射物(109)係佈置於該散射反射物(103)之頂端上。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中固體透射材料(106)係佈置於該基板(102)與該反射物(103)之間。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該固體透射材料(106)包含波長轉換材料。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該反射物(103)包含顏料。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該散射反射物(103)係佈置成平行於該基板(102)。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該固體透射材料(106)之一部分橫向邊緣係由反射塗層(113)塗佈。
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