TWI523278B - 波長轉換結構及其製造方法以及包含此波長轉換結構之發光裝置 - Google Patents

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Description

波長轉換結構及其製造方法以及包含此波長轉換結構之發光裝置
本發明是有關於一種波長轉換結構及其製造方法，特別是一種具有高光取出效率(Light Extraction Efficiency)之波長轉換結構及其製造方法。
近年來，由於能源問題逐漸受到重視，因而發展出許多新式的節能照明工具。其中，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)具有發光效率高、耗電量少、無汞及使用壽命長等優點，成為極被看好的下一代照明工具。
就照明用的白光LED而言，LED晶片與螢光粉搭配運用，利用藍光LED晶片所產生之藍光，激發YAG(Yttrium Aluminum Garnet，Y3Al5O12)黃色螢光粉產生黃光，再將二者混合而形成白光。
其中常見之螢光粉塗佈方法包含敷型塗佈(Conformal Coating)及分離式螢光粉(Remote Phosphor)二種。敷型塗佈係將螢光粉直接塗佈於LED晶片上形成螢光粉層。由於是直接塗佈於LED晶片之上，此種做法具有厚度較均勻之優點。但是由於LED晶片及載板會吸收螢光粉層所發出之光，因此整體發光效率便會降低。另外，由於螢光粉係與LED晶片直接接觸，在LED晶片於操作時產生100℃至150℃的高溫的情形下，螢光粉層會因此逐漸變質退化，而影響其轉換效率。
分離式螢光粉的做法，就是為了解決上述敷型塗佈之問題。分離式螢光粉之LED發光裝置之螢光粉層係與LED晶片分開，因此，可以儘量避免螢光粉層所發出之光直接被LED晶片吸收。也由於螢光粉層係以遠離LED晶片之方式設置，螢光粉層中之螢光粉較不易因LED晶片操作時的高溫而退化。
螢光粉粒子接收來自LED晶片之光後，會受到激發並產生另一種顏色的光。然而，螢光粉粒子所激發產生之光線，乃是朝向 所有方向，包括向內傳遞之光線，而因封裝樹脂和螢光粉折射率的不同，容易造成全反射的效應，因此降低發光效率。
根據本發明之一實施例，一種波長轉換結構，包含一螢光粉層，包括一第一區域及一第二區域，其中第二區域位於第一區域上，且第一區域與第二區域具有空隙。一第一材料層形成於螢光粉層該第一區域之空隙；以及一第二材料層形成於螢光粉層之第二區域之空隙。
根據本發明之一實施例，一種波長轉換結構，包含一第一材料層及一第二材料層，其該第二材料層係位於第一材料層之上；以及複數個螢光粉顆粒，其中複數個螢光粉顆粒係散佈於第一材料層及該第二材料層內。
根據本發明之另一實施例，一種波長轉換結構之製造方法包含：提供一基板；形成一螢光粉層於基板之上，螢光粉層包括一第一區域及一第二區域，其中第二區域位於第一區域上，且第一區域與第二區域具有空隙；形成一第一材料層於第一區域之空隙；以及形成一第二材料層於第二區域之空隙。
根據本發明之另一實施例，一種發光裝置，包含一載板，一發光元件，設置於載板之上；一第一導光層，包覆發光元件並設置於載板之上；一種波長轉換結構，位於第一導光層上，其中波長轉換結構，包含：一導電基板；一螢光粉層，包括一區域及一第二區域，其中第一區域位於第一導光層上，第二區域位於第一區域上，且第一區域與第二區域具有空隙；一第一材料層形成於螢光粉層之第一區域之空隙；以及一第二材料層形成於螢光粉層之第二區域之空隙。
以下，將搭配圖式就本發明之較佳實施例加以詳細說明。所列出之實施例係用以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者得 以明瞭本發明之精神。本發明並不限定於所列出之實施例，而亦可使用其他做法。在本說明書之圖式中，寬度、長度、厚度及其他類似之尺寸會視需要加以放大，以方便說明。在本說明書之所有圖式中，相同的元件符號係代表相同之元件。
此處特別需要加以說明的是，當本說明書描述一元件或一材料層係設置於或連接於另一元件或另一材料層上時，其係可以直接設置或連接於另一元件或另一材料層之上，或者間接地設置或連接於另一元件或另一材料層之上，也就是二者之間再夾雜其他元件或材料層。相反地，若是本說明書係描述一元件或一材料層係直接地設置或連接於另一元件或另一材料層之上時，即表示二者之間沒有再設置其他元件或材料層。
第1圖所示為本發明較佳實施例之波長轉換結構示意圖。一波長轉換結構10，包括一導電基板101、一螢光粉層102、一第一材料層103和一第二材料層104。螢光粉層102形成於導電基板101之上，係由螢光粉顆粒所組成，螢光粉顆料之間具有空隙。螢光粉層102包括有一第一區域105和第二區域106，其中第一區域105位於導電基板101的上方，第二區域106位於第一區域105的上方，第一區域105和第二區域106的厚度和等於螢光粉層102的厚度。第一材料層105位於導電基板101上，所述的第一材料層103係由無機化合物填入第一區域105的空隙中，形成一厚度小於螢光粉層102厚度的薄層。第二材料層104位於第一材料層103的上方，係由膠材填入螢光粉層第二區域106的空隙中所形成。
導電基板101具有透明導電的性質，其材料可以包括但不限於透明導電無機化合物(TCO)。螢光粉層102形成於導電基板101的上方，其組成材料可以包括但不限於黃光陶瓷螢光材料。螢光粉層102的螢光粉顆粒之粒徑分佈約為225-825nm，螢光粉顆粒間具有空隙。螢光粉層102包括有一第一區域105和第二區域106，所述的第一區域105的厚度小於螢光粉層102的厚度，第一區域105和螢光粉層102的厚度比值介於0.5至0.9之間。所述的 第二區域106的度厚等於螢光粉層102的厚度減去第一區域105的厚度。
如圖2所示，無機化合物填入第一區域105螢光粉顆粒間的空隙，形成所述的第一材料層103。無機化合物的材料例如為金屬氧化物，包括但不限於氧化鋅(ZnO)、氧化鋁(Al2O3)、氧化銦錫(ITO)、氧化鋁鋅(AZO)或銦鎵鋅氧化物(InGaZnO，IGZO)。以螢光粉層102材料為黃光陶瓷螢光粉為例，其折射率約為2，無機化合物材料較佳地選擇為具有相近的折射率材料，例如選擇氧化鋅(ZnO)，其折射率約為1.8至2。第一材料層103和螢光粉層102的折射率相近，可有效減少材料間因折射率的不同，而導致發光效率的損失。在螢光粉顆粒間填入無機化合物材料，也可以當作黏結劑的作用以增加螢光粉層102的機械強度。
膠材填入螢光粉層102的第二區域106空隙中，形成一第二材料層104，請參閱第1圖之波長轉換結構10。第二材料層104的組成材料包括但不限於矽膠，矽膠的折射率約為1.45。本實施例之膠材為矽膠，但是在其他實施例中亦可使用其他材料。例如玻璃(折射率為1.5~1.9)、樹脂(Resin，折射率為1.5~1.6)、二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2，折射率為2.2~2.4)、二氧化矽(Silicon Oxide，SiO2，折射率為1.5~1.7)或氟化鎂(Magnesium Fluoride，MgF，折射率為1.38)等。第二材料層104可以包含有機化合物或無機化合物，折射率約介於1.3至1.6。
第二區域106的厚度等於螢光粉層102的厚度減去第一區域105的厚度。在另一實施例中，第二材料層104的厚度大於第二區域106的厚度，第二材料層104的頂面124會高於螢光粉層102的頂面126，可以使波長轉換結構10的表面更平整化，如第3圖所示。
以下，將說明本實施例之波長轉換結構10之製作方法。首先，將導電基板101置入一電泳裝置內，所述之導電基板101可以如ITO玻璃。藉由電泳技術沉積螢光粉顆粒於ITO玻璃的表面上以形成一螢光粉層102。如第4圖SEM照片所示。本實施例之螢光 粉層102為一具有將入射光線之波長加以轉換之材料，例如是螢光材料(Phosphor)。沉積螢光粉層102之技術不限定於電泳法，也可以包括其它可將螢光材料沉積的方法，例如重力沉積法。接著再以電鍍的方式將透明的無機化合物(如ZnO)鍍入螢光粉層102中第一區域105的空隙中，形成一第一材料層103。藉由填入與螢光粉折射率相近的透明氧化物，可以減少光的散射(scattering)損失，增加白光的出光效率。所述的無機化合物可當作螢光粉顆粒的黏結劑以增加螢光粉層102的機械強度，如第5圖SEM照片所示。第一材料層103沉積的厚度可依螢光粉的顆粒及/或空隙大小不同而調整。沉積第一材料層103的方法不限定於電鍍，也可以包括其它可將無機化合物鍍入螢光粉的空隙中的方法，例如CVD法、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)法。最後再以填膠的方式將螢光粉層102的第二區域106部分完全填滿，如第6圖SEM照片所示。填膠法之細節已為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所習用，此處不再加以贅述。波長轉換結構10大致上具有一均一或不均一之厚度。
如第7圖所示，為本發明較佳實施例之發光裝置示意圖。發光裝置20包括一封裝基板111、一發光二極體110、一支架、一導光層以及一波長轉換結構10。所述的發光二極體110位於封裝基板111上。一導光層113覆蓋所述的封裝基板111及發光二極體110。發光裝置20包括如上述實施例之波長轉換結構10，其中所述的波長轉換結構10和發光二極體110間利用支架112分開，螢光粉不直接和發光二極體110接觸，可以儘量避免螢光粉層所發出之光直接被發光二極體110晶片吸收。也由於螢光粉係以遠離發光二極體110晶片之方式設置，螢光粉層中之螢光粉較不易因發光二極體110晶片操作時的高溫而退化。
本實施例導光層113為光通過層，可以為具有增進光取出效率(Improved Light Extraction Efficiency)之材料層。在本實施例中，導光層113具有複數個材料層，並具有漸變折射率(Gradient Refractive Index，GRIN)。在本實施例中，導光層113的複數材料 層可以為由氮化矽(Silicon Nitride，Si3N4)，其折射率為na=1.95、三氧化二鋁(Aluminum Oxide，Al2O3)，其折射率為nb=1.7、以及矽膠(Silicone)，其折射率為nc=1.45所構成的堆疊，但在其他實施例中亦可使用其他材料的組合。利用層和層間的折射率差異小，遠離發光二極體110的折射率逐漸變小所形成的漸變折射率層，可以有效地降低光線之全反射現象。所用的材料可以為：玻璃(折射率為1.5~1.9)、樹脂(Resin，折射率為1.5~1.6)、類鑽碳膜(Diamond Like Carbon，DLC，折射率為2.0~2.4)、二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2，折射率為2.2~2.4)、二氧化矽(Silicon Oxide，SiO2，折射率為1.5~1.7)或氟化鎂(Magnesium Fluoride，MgF，折射率為1.38)等組合。在本實施例中，發光二極體110可選用GaN藍光LED晶片，其折射率為2.4。因此，藉由堆疊的漸變折射率使層和層間的折射率差異較小，可以有效地降低光線之全反射現象。
本實施例之發光裝置20，係在導光層113上設置如上述實施例所述的波長轉換結構10，光從發光二極體110發出後，經過導光層113後進入波長轉換結構10，藉由導光層113具有的複數個材料層，光入射到折射率較低之第二材料層104，之後再進入到螢光粉層102及和螢光粉折射率相近的第一材料層103中。因為折射率的差異較小，可以有效減少光因全反射所造成的損失。無機化合物和螢光粉顆粒的折射率相近，也可以減少光在螢光粉顆粒間的散射。本實施例所示之發光裝置20為一平板狀之封裝結構，在其它的實施例中，波長轉換結構10的導電基板101不限於平板，也可以為凸透鏡、凹透鏡或三角錐等形狀，亦即導電基板101之表面為一平面、曲面、或曲折面。
表1顯示本發明實施例所揭露的發光裝置20具有波長轉換結構10的測試出光強度比較表，其係比較螢光粉層102空隙中只填入矽膠及螢光粉層102孔隙中填入無機化合物ITO、矽膠及ZnO材料的光學效率。於此測試可知，螢光粉層102孔隙未填入無機化合物，只噴塗矽膠時，其發光效率為32.15流明/瓦；螢光粉層102孔隙中填入ZnO、矽膠及ITO材料時，其發光效率為 35.9-36.8流明/瓦，其中當電鍍ZnO時間為45min時，發光效率為35.9流明/瓦，電鍍ZnO時間為90min時發光效率為36.8流明/瓦。本實施例之無機化合物ZnO混合矽膠材料之波長轉換結構10，比未混合無機化合物的出光強度高出約14%。電鍍ZnO時間90分鐘的發光效率較電鍍ZnO時間45分鐘高，其結果如表一所示。
本發明之發光裝置之較佳實施例已說明如前，但並不限於上述之方法，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神與範圍內，所完成之等效改變或修飾，均包含在本發明之申請專利範圍內
10‧‧‧波長轉換結構
101‧‧‧導電基板
102‧‧‧螢光粉層
103‧‧‧第一材料層
104‧‧‧第二材料層
105‧‧‧第一區域
106‧‧‧第二區域
110‧‧‧發光二極體
111‧‧‧封裝基板
112‧‧‧支架
113‧‧‧導光層
20‧‧‧發光裝置
第1圖為本發明第一實施例之波長轉換結構示意圖。
第2圖為波長轉換結構之第一區域鍍上第一材料層之示意圖。
第3圖為填入第二區域之第二材料層上表面高於螢光粉層頂面示意圖。
第4圖為波長轉換結構之螢光粉層之電子顯微鏡照片圖。
第5圖為螢光粉層鍍入第一材料層之電子顯微鏡照片圖。
第6圖為第二材料層位於第一材料層上之電子顯微鏡照片圖。
第7圖為本發明螢光粉封裝結構之示意圖。
10‧‧‧波長轉換結構
101‧‧‧導電基板
102‧‧‧螢光粉層
103‧‧‧第一材料層
104‧‧‧第二材料層
105‧‧‧第一區域
106‧‧‧第二區域

Claims (10)

  1. 一種波長轉換結構，包含：一螢光粉層，包括一第一區域及一第二區域，其中該第二區域位於該第一區域上，且該第一區域與該第二區域具有空隙；一第一材料層，形成於該螢光粉層之該第一區域之空隙，其中該第一材料層包含無機化合物；一第二材料層，形成於該螢光粉層之該第二區域之空隙；以及一透明基板於該第一材料層之一側。
  2. 一種波長轉換結構，包含：一第一材料層及一第二材料層，其中該第二材料層係位於該第一材料層之上；複數個螢光粉顆粒，其中該複數個螢光粉顆粒係散佈於該第一材料層及該第二材料層內；以及一透明基板於該第一材料層之一側；其中該第一材料層包含無機化合物。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之波長轉換結構，其中該透明基板具有導電的性質。
  4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之波長轉換結構，其中該第二材料層與該第一材料層包含不同的材料。
  5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之波長轉換結構，其中該第一材料層的折射率約介於1.8至2，或該第二材料層的折射率約介於1.3至1.6。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換結構，其中該螢光粉層包含黃色螢光粉。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換結構，其中該第一區域之厚度為該螢光粉層厚度的0.5至0.9倍。
  8. 如申請專利範圍第1項或第2項所述之波長轉換結構，其中該透明基板之折射率小於該螢光粉層之折射率。
  9. 如申請專利範圍第1項或第2項之波長轉換結構，其中該透明基板之表面為一平面、曲面、或曲折面。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之波長轉換結構，其中該螢光粉層之折射率與該第一材料層之折射率差異小於0.3。
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