TWI516165B - 發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光裝置，其包含：一輻射源；一無機層，其包含發光材料；及一散射層，其包含散射顆粒。該散射層位於該輻射源與該無機層之間。
舉例而言，可藉由以黃色磷光體來部分轉換藍色光源(諸如，LED(發光二極體))而得到白光。由LED發射之藍光激勵磷光體，使其發出黃光。由LED發出之藍光與由磷光體發出之黃光混合，且觀察者將藍光與黃光之混合感知為白光。
LED以各向異性之方式發出藍光(亦即，光具有方向依賴性)，而磷光體各向同性地發光(亦即，在所有方向上發光)。在混合光中，各向異性光與各向同性發射圖樣之組合引起不均勻分布，通常在發射中成為藍色環而可看到。
藉由將磷光體嵌入於透明磷光體本體中來代替使用強散射磷光體粉末層，可得到顯著提高之效率。然而，因為磷光體本體僅轉換源光之一部分，所以始終存在源對發射圖樣的影響。
可藉由在磷光體本體中保留一些散射(未完全密化之本體材料，形成半透明材料)或藉由在密封劑(或透鏡)中引入一些散射來執行校正。
控制磷光體本體中之孔隙率以控制散射將形成較薄之板，此將較難以處理。另外，可疑的是散射特性是否能夠以可再現之方式受到控制。
在密封劑中引入一些散射將會使所轉換之光及源光皆散射，進而導至功效增益降低。此外，密封劑中之散射會導至較大之源，此對於許多相關應用而言係不合需要的。亦不能確保此密封劑仍會用於未來之產品中。
美國專利第6,791,259號揭示一種白色固態燈，其目的在於得到均質化之光。美國專利第6,791,259號之燈包含：一輻射源；一發光材料；及一輻射散射材料，其位於輻射源與發光材料之間。發光材料包含一填充磷光體顆粒層或磷光體顆粒於聚合物密封材料(例如，環氧樹脂或聚矽氧)中之分散液。因此，發光材料為僅呈磷光體顆粒形式或呈磷光體顆粒於有機基質中之分散液形式的強散射層。此強散射層會導至裝置之較低效率及對裝置之色點之困難控制(~10μm之總層厚度的1μm之偏差引起色點之顯著改變)。
因此，仍存在對發光裝置(尤其磷光體轉換之LED)之持續需要，其不會遭受不均勻之光分布、較低效率及/或困難之色點控制的缺點。
本發明之一目的在於提供一種發光裝置，其克服了上述之不均勻光、較低效率及/或困難之色點控制的缺點。
此目的由一種發光裝置達成，該裝置包含：一輻射源；一無機層，其包含一發光材料；及一散射層，其包含散射顆粒，該散射層位於該輻射源與該無機層之間，其中該無機層由一陶瓷材料構成(composed of)。
藉由根據本發明之發光裝置，在藉由散射光學黏結劑將透明或半透明之陶瓷本體膠接至LED時，得到具有極高均勻性的發射圖樣。
散射顆粒較佳為SiO2
塗佈之TiO2
顆粒，且散射層可包含一聚矽氧材料。散射層將該無機層黏合至該輻射源，且可因此被稱作散射光學黏結劑。
陶瓷材料可為透明的。或者，例如，歸因於米氏(Mie)散射，其可為半透明的。陶瓷材料可呈片晶之形式。
輻射源可為發出藍光之LED。
發光材料較佳為發出黃光之磷光體，例如，鈰摻雜之釔鋁石榴石，或錳摻雜之硫化鋅。
本發明亦係關於一種顯示器裝置，其包含根據上文之發光裝置。
在對本發明之研究工作中，令人驚喜地發現一種在保持裝置之較高效率的同時避免來自磷光體轉換之LED的不均勻之光分布的方式。
磷光體轉換之LED的發射圖樣可含有來自LED之非朗伯分量，其在發射中作為藍色環而可看到。此為裝置之不合需要之特徵，因為其會損害裝置之效能。
根據本發明，藉由將磷光體併入於陶瓷層中，且藉由在LED與陶瓷層之間的光學黏結劑中引入散射顆粒來克服此問題。
參看圖1，根據本發明之發光裝置(1)包含：一輻射源(2)；一無機層(3)，其由一陶瓷材料構成且包含發光材料(4)；及一散射層(5)，其包含散射顆粒(6)。散射層(5)位於該輻射源(2)與該無機層(3)之間。
"由一陶瓷材料構成"意謂該無機層基本上由陶瓷材料組成。然而，歸因於(例如)雜質，"由一陶瓷材料構成"之無機層仍可能並非為100%之陶瓷。
輻射源較佳為發出波長範圍為420nm至490nm的藍光的LED。在根據本發明之裝置中亦可使用若干LED。
無機陶瓷層大體而言為一較佳呈片晶形式之自行支撐層。然而，陶瓷層之其他幾何形狀亦包括於本發明之範疇中。
可藉由在高壓下加熱粉末磷光體直至磷光體顆粒之表面開始軟化並熔融來形成陶瓷層。部分熔融之顆粒黏在一起而形成顆粒之硬質集塊。不同於光學上表現為不具有光學不連續性之單一較大磷光體顆粒的薄膜，陶瓷層表現為緊密填充之個別磷光體顆粒，使得在不同磷光體顆粒之間的界面處存在較小光學不連續性。因此，陶瓷層在光學上幾乎為均勻的且具有與形成陶瓷層之磷光體材料之折射率相同的折射率。不同於等形磷光層或安置於透明材料(諸如，樹脂)中之磷光層，陶瓷層通常不需要除磷光體自身以外的黏合劑材料(諸如，有機樹脂或環氧樹脂)，使得個別磷光體顆粒之間存在極少具有不同折射率之空間或材料。結果，不同於等形磷光層，陶瓷層為透明的或半透明的。
可形成為陶瓷層之磷光體之實例包括具有以下通式之鋁石榴石磷光體：(Lu1－x－y－a－b
Yx
Gdy
)3
(Al1－z
Gaz
)5
O12
：Cea
Prb
，其中0<x<1、0<y<1、0<z<0.1、0<a<0.2且0<b<0.1，諸如，發射黃綠範圍內之光的Lu3
Al5
O12
：Ce3＋
及Y3
Al5
O12
：Ce3＋
；及(Sr1－x－y
Bax
Cay
)2－z
Si5－a
Ala
N8－a
Oa
：Euz 2＋
，其中0<a<5、0<x<1、0<y<1且0<z<1，諸如，發射紅色範圍內之光的Sr2
Si5
N8
：Eu2＋
。適合的Y3
Al5
O12
：Ce3＋
陶瓷層可購自Baikowski International corporation of Charlotte,N.C。其他發出綠色、黃色及紅色之磷光體亦可能為適合的，包括：(Sr1－a－b
Cab
Bac
)Six
Ny
Oz
：Eua 2＋
(a＝0.002至0.2、b＝0.0至0.25、c＝0.0至0.25、x＝1.5至2.5、y＝1.5至2.5、z＝1.5至2.5)，其(例如)包括SrSi2
N2
O2
：Eu2＋
；(Sr1－u－v－x
Mgu
Cav
Bax
)(Ga2－y－z
Aly
Inz
S4
)：Eu2
＋；其(例如)包括SrGa2
S4
：Eu2＋
；Sr1－x
Bax
SiO4
：Eu2＋
；及(Ca1－x
Srx
)S：Eu2＋
，其中0<x<1，其(例如)包括CaS：Eu2＋
及SrS：Eu2＋
。
如上所述，陶瓷層可為完全透明的(根本不存在散射)或半透明的。為達成此目的，陶瓷本體具有大於90%(且詳言之，至少95%至97%，詳言之幾乎100%)之陶瓷密度。陶瓷層可具有晶粒大小在1 μm至100 μm範圍內之微晶。晶粒大小為陶瓷之微結構之微晶的等效直徑。晶粒大小較佳為10 μm至50 μm。此晶粒大小致能有效發光轉換。
當陶瓷層半透明時，其在正向上含有有限量之米氏散射。此藉由包括少量較小"外來"顆粒(不同折射率)或孔隙而達成。亦觀察到由具有非立方晶格結構之材料製成之陶瓷的一些散射。替代方法為將(例如)YAG：Ce3＋
晶粒(磷光顆粒)併入於Al2
O3
基質中。
米氏理論(亦稱為Lorenz－Mie(羅倫茲－米氏)理論)為球形顆粒之電磁輻射之散射的完善之數學－物理理論。米氏散射包含所有可能之直徑/波長比。其假設由無限延伸之平面波照射之均勻、各向同性且光學上為線性的材料。
用於本發明之較佳陶瓷層為所謂的LUMIRAMIC片晶，其詳細描述於以引用方式併入本文中之具有公告號2004/0145308及2005/0269582之美國專利中。在陶瓷層中不存在散射或存在極有限量之散射係非常有利的，因為此可得到較佳之效率及優良之顏色控制(~100 μm之1 μm之偏差遠小於10 μm(亦即，典型磷光體粉末厚度)之1 μm的偏差)。
陶瓷層中之發光材料(4)較佳包含磷光體或磷光體之摻合物。適當之發光材料(4)之實例為以稀土金屬部分摻雜之基底材料(諸如，鋁酸鹽、石榴石或矽酸鹽)。對於發出藍光之LED，發光材料(4)較佳包含發出黃光之磷光體，諸如，(聚)晶體鈰摻雜之釔鋁石榴石(YAG：Ce3＋
或Y3
Al5
O12
：Ce3＋
)或錳摻雜之硫化鋅(ZnS：Mn2＋
)。或者，可將YAG：Ce3＋
與Al2
O3
共燒結以產生發光陶瓷。磷光體較佳均勻分散於陶瓷層中。
散射層(5)可包含(例如)環氧樹脂或聚矽氧。散射層(5)可具有不同幾何形狀，且充當輻射源與陶瓷層之間的黏結劑(所謂的光學黏結劑)。
併入至散射層(5)中之散射顆粒(6)較佳為SiO2
塗佈之TiO2
顆粒。以SiO2
塗佈TiO2
顆粒極其有利，因為既而遮蔽光催化之活性TiO2
表面使其遠離有機基質，因此防止基質材料之迅速降解。儘管SiO2
塗佈之TiO2
顆粒係較佳的，但具有較高折射率之其他顆粒(例如，ZrO2
)亦可用作散射顆粒。
藉由使用較小散射顆粒(6)(亦即，數十奈米)，散射將為不會引起系統功效降低之米氏類型(正向散射)。適合地，晶粒大小小於50 nm。散射顆粒(6)可具有適於併入於散射層中並提供所要散射效應之任何幾何形狀。散射顆粒(6)較佳地基本上均勻地分散於散射層(5)中。
在根據本發明之發光裝置(1)中，散射層(5)較佳地基本上覆蓋輻射源(2)的整個上表面，且陶瓷層(3)較佳地基本上覆蓋散射層(5)的整個上表面。
結合陶瓷片且在光學黏結劑中使用散射顆粒之根據本發明之發光裝置(1)提供對得到具有均勻之光發射及較高效率的磷光體轉換之LED的長期未滿足之需要的解決方案。
在以下非限制性實例中描述用於製造根據本發明之發光裝置之適合的程序。
將1公克SiO2
塗佈之TiO2
奈米顆粒與5公克聚矽氧凝膠混合。使用分配將少量該材料塗覆至LED上。使用取置機將LUMIRAMIC片晶置放於該分散液上。在聚矽氧凝膠固化之後，將圓頂置於晶粒上且將用(澄清的)密封劑來填充。可由取置機來控制光學黏結劑(亦即，SiO2
塗佈之TiO2
奈米顆粒於聚矽氧凝膠中之分散液)之厚度。過量之材料將自晶粒流下，填充LUMIRAMIC板下方之空間(量由分配之量控制)。
1．．．發光裝置
2．．．輻射源
3．．．無機層
4．．．發光材料
5．．．散射層
6．．．散射顆粒
圖1表示根據本發明之發光裝置之示意性側視橫截面圖。
1．．．發光裝置
2．．．輻射源
3．．．無機層
4．．．發光材料
5．．．散射層
6．．．散射顆粒
Claims (12)
- 一種發光裝置(1)，其包含：一輻射源(2)；一無機層(3)，其包含一發光材料(4)；及一散射層(5)，其包含散射顆粒(6)，該散射層(5)位於該輻射源(2)與該無機層(3)之間；該發光裝置(1)之特徵在於：該無機層(3)由一陶瓷材料構成，其中散射顆粒實質上不存在於該無機層中。
- 如請求項1之發光裝置(1)，其中該等散射顆粒(6)為SiO2塗佈之TiO2顆粒(SiO2 coated TiO2 particles)。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該散射層(5)包含一聚矽氧材料。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該陶瓷材料係透明的。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該陶瓷材料係半透明的(translucent)。
- 如請求項5之發光裝置(1)，其歸因於米氏散射(Mie-scattering)而為半透明的。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該陶瓷材料係呈一片晶(platelet)之形式。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該輻射源(2)為一發出藍光之LED。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該發光材料(4)為一 發出黃光之磷光體。
- 如請求項9之發光裝置(1)，其中該磷光體為鈰摻雜之釔鋁石榴石，或摻雜錳之硫化鋅。
- 如請求項1或2之發光裝置(1)，其中該散射層(5)將該無機層(3)黏合至該輻射源(2)。
- 一種顯示器裝置，其包含一如請求項1至11中任一項之發光裝置(1)。
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