TWI538259B - 發光二極體組件 - Google Patents

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Description

發光二極體組件
本發明係關於發光二極體(LED)組件之領域。本發明特別關於增強型磷光體轉換LED發光組件(pcLED)。通常採用此等組件來提供白色光。
發射白色光的LED通常包括與一磷光體層組合之一發射藍色光的LED，該磷光體層係由該LED之藍色發射激發成為發射黃色光，該黃色及藍色發射之組合提供一白色光。對於垂直於LED晶粒表面或垂直於磷光體層表面之具有一0°發射角度之法線方向，由該發射藍色光的LED發射之光線在該磷光體層中的路徑長度係等於該磷光體層的厚度。由於發射角度增加，故藍色光線之路徑長度增加。因此，相較於具有一增加的發射角度之光線，具有一0°發射角度之光線之由該磷光體層吸收的藍色光線之部分較少。因為由該磷光體層發射的經轉換光始終具有一朗伯(Lambertian)角度分佈，故由該LED發射之白色光對於具有一約0°發射角度的法向發射具有一較高相關顏色溫度。一般言之，該磷光體層為Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)。在此一YAG:Ce磷光體層之情況下，所發射光變為具有增加的發射角度之帶黃色的光，其被察覺為黃圈。為解決該黃圈問題，已知的係增加該磷光體層之散射能力及/或在該磷光體層之頂部上添加一散射層。對於該兩種方法，由於散射伴隨著造成光損失之光反射，故該黃圈問題之減小導致LED效率之減小。特定言之，降低轉換磷光體發射之散射造成具有伴隨的反射損失之反射。
本發明之一目的係提供一種發光二極體(LED)組件，其解決以上所述之黃圈問題而不減小該LED組件之效率。
根據本發明之發光二極體(LED)組件包括一LED晶粒、一磷光體層及一濾光片層，其中形成該濾光片層之一方式為：自該LED晶粒發射之具有一約400奈米至500奈米，較佳約420奈米至490奈米波長之光線係取決於其等與該濾光片層上之法線所成的發射角度而至少部分地反射。
該LED晶粒較佳為一發射藍色光的LED。該磷光體層較佳為Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)。該濾光片層較佳為一介電質濾光片層。此濾光片層實現對由該LED晶粒發射之光線的一完全透射，此係無關於該等光線之針對與該濾光片之法線所成的較大發射角度(較佳介於30°與90°之間的發射角度)在可見範圍內的波長。對於與該濾光片層上之法線所成之較小發射角度(較佳介於0°與30°之間的發射角度)，提供具有一約400奈米至500奈米波長之光線的部分反射。具有一約400奈米至500奈米波長之光線為由該LED晶粒發射之藍色光線。由該LED晶粒發射之該等藍色光線之部分反射(其取決於該等藍色光線與該濾光片層上之法線所成的發射角度)實現一均勻角度發射而不損失由LED發射之光的效率。該濾光片層上之法線係沿著垂直於該濾光片層之平面之軸。
為了由該LED晶粒發射的均勻白色光，自該LED晶粒直接發射的光與自該磷光體層轉換的光之發射強度比率在所有角度下必須為恆定。由該LED發射之光通常在與該濾波層上之法線所成的小發射角度(較佳一約0°至30°發射角度)區域中提供一棍棒形形式。然而，由該LED晶粒發射的黃色光通常在約0°至90°之整個發射角度中提供一球形形式。因此，尤其在較大發射角度(較佳介於30°與90°之間)下，存在藍色光對黃色光之比率減小之諸區域。在此等角度下的發射導致黃圈問題。藉由反射約0°至30°小發射角度之特定量藍色光，有可能將該藍色光之棍棒形形式轉變成為一球形形式，使得該藍色光與該黃色光在自0°至90°的整個發射角度中具有相同比率。因此，在整個發射角度中獲得黃色光與藍色光之一重合，使得該LED組件在整個發射角度中均發射均勻白色光而無一黃圈問題。
較佳的是該濾光片層反射具有與該濾光片層上之法線成約0°至30°(較佳約0°至20°)之一發射角度的光線。該等反射光線為該LED晶粒之發射光之藍色光線，該等藍色光線具有一約400奈米至500奈米波長，較佳約420奈米至490奈米。
在本發明之一較佳實施例中，該濾光片層反射由該LED晶粒發射之光線之約10%至50%，較佳約15%至30%，此係取決於該等光線之發射角度。該等反射光線為該LED晶粒之發射光之該等藍色光線，該等藍色光線具有一約400奈米至500奈米波長，較佳約420奈米至490奈米。因此，反射由該LED發射之具有與該濾光片層上之法線成約0°至40°(較佳約0°至30°)之一發射角度的該等藍色光線之約10%至50%，較佳15%至40%。由該LED發射之具有一約0°至40°(較佳約0°至30°)發射角度之剩餘藍色光線通過該濾光片層而無反射。
該濾光片層較佳包括交替的低折射率材料及高折射率材料之一介電質層塗層。選擇該等交替的低折射率材料及高折射率材料之方式可為：可達成由該LED晶粒發射的藍色光之一經良好引導反射。
該介電質塗佈層之該等材料較佳為具有在1.6至3之範圍內之該等高折射率材料之一折射率及具有在1.2至1.8之範圍內之該等低折射率材料之一折射率而對介於400奈米與800奈米之間的波長係透明。該等折射率材料之吸收係數對於波長>480奈米為<0.00001，且對於波長>400奈米為<0.003。Nb2O5(五氧化二鈮)較佳係用作為高折射率材料，且SiO2(二氧化矽)較佳係用作為低折射率材料。
該濾光片層較佳包括九層該等高折射率材料及九層該等低折射率材料。可藉由薄膜沈積技術諸如化學氣相沈積或濺鍍塗敷該等層。
根據本發明之一較佳實施例，該濾光片層係配置在該LED晶粒與該磷光體層之間。因此，該濾光片層係定位在該LED晶粒之頂部上，且該磷光體層係定位在該濾光片層之頂部上。
由於本發明之另一實施例，該磷光體層係配置在該LED晶粒之頂部上，且該濾光片層係配置在該磷光體層之頂部上。
此外，根據本發明之一進一步實施例，有可能提供一種具有一第一磷光體層及一第二磷光體層之LED組件，其中該濾光片層係配置在該第一磷光體層與該第二磷光體層之間。該第一磷光體層較佳係定位在該LED晶粒之頂部上。
該磷光體層可包括嵌入一透明基質材料中之一發光陶瓷板及/或磷光體粉末。該發光陶瓷板為Ce(III)摻雜釔釓石榴石(Y,GdAG:Ce)之一多晶陶瓷板。組合此一發光陶瓷板與一發射藍色光的LED晶粒以產生在5000K相關顏色溫度之範圍內的白色光為極其有利。發光陶瓷顏色轉換板之散射及光提取構件使得能夠產生可靠且有效的白色pcLED。對最終LED組件前之該等發光陶瓷板之光學性質的量測允許拾取及放置以該LED之期望的白色點為精確目標的封裝。
該LED組件較佳可提供一透明玻璃板，該透明玻璃板用作為該濾光片層之一基板。因此，不必將該濾光片層直接塗敷在該LED晶粒或該磷光體層上。可將該濾光片層容易地塗敷於該透明玻璃板，且在將該濾光片層塗敷於該玻璃板後，將其配置至該LED組件。
根據本發明之一較佳實施例，該濾光片層具有一總厚度為750奈米至950奈米，較佳為約800奈米至900奈米。
此外，根據本發明之一實施例，該磷光體層具有一厚度約80微米至150微米，較佳約100微米至130微米。
而且，該等高折射率材料層之厚度較佳自5奈米變化至約70奈米，且該等低折射率材料層之厚度較佳自約20奈米變化至約300奈米。
本發明之此等態樣及其他態樣將自下文所述之實施例而變得顯而易見，且將參考該等實施例進行說明。
圖1顯示根據本發明之一發光二極體(LED)組件之一第一實施例，該發光二極體組件具有一LED晶粒10、一第一磷光體層12及一濾光片層14。該LED晶粒10、該第一磷光體層12及該濾光片14較佳係由一半圓形外殼16覆蓋，該外殼可具有塗敷於其內壁之一反射塗層。發射具有一約400奈米至500奈米波長之藍色光之該LED晶粒10係定位在該LED組件之底部18。在該LED晶粒10之頂部上定位該第一磷光體層12。該第一磷光體層12發射具有一約570奈米至590奈米波長之黃色光。該第一磷光體層12可包括嵌入一透明基質材料中之一發光陶瓷板及/或一磷光體粉末。該第一磷光體層12之厚度為約100微米至120微米。在該第一磷光體層12之頂部上定位該濾光片層14。該濾光片層14包括交替的低折射率材料及高折射率材料(諸如Nb2O5及SiO2)之一介電質層塗層。
圖2顯示一曲線圖，其顯示本發明之濾光片層14之透射率，其係取決於由該LED晶粒10發射之光的發射角度及波長。此曲線圖中所示之該濾光片層14具有下表1中所示之一層結構：
曲線圖中所示之不同線為不同的發射角度0°、26°；40°及77°。如圖中可見到，對於大的發射角度(諸如40°及77°)，無關於其波長之光線能夠通過該濾光片層14而無任 何反射或吸收。在此發射角度下，發射光線(尤其係藍色發射光線)之透射率為約100%。對於小發射角度(諸如0°及26°)，具有一400奈米至500奈米波長之藍色光線無法全部通過該濾光片層。在此發射角度下，該等發射光線之透射率為約80%。該濾光片層14反射該等藍色光線之約20%。該第一磷光體層12之具有一約520奈米至650奈米波長之黃色光線能夠全部通過該濾光片層，其無關於該發射角度。因此，該濾光片層14僅反射該等藍色發射光線中之一些。由該LED晶粒10發射之藍色光線之部分反射(其取決於該等光線與該濾光片層14上之法線所成的發射角度)實現一均勻角度發射而不損失由該LED晶粒10發射之光的效率，此係由於在該濾光片層反射的藍色光被該磷光體層吸收並被轉換成為磷光體發射。
該濾光片層14亦可具有下表2中所示之層結構：
圖3顯示在不具有(實線)及具有(虛線)一本發明濾光片層之情況下，一白色LED組件之在均勻顏色空間(CIE 1976)中顏色座標之幾何距離對法向發射之顏色座標。如在曲線圖中可見到，在具有本發明濾光片層14之情況下，有可能獲得該LED組件之所發射光線之一幾乎恆定的顏色，其無關於該等光線之發射角度。
圖4顯示根據本發明之一發光二極體組件之一第二實施例之一示意圖。在此實施例中，該濾光片層14係配置在該LED晶粒10與該第一磷光體層12之間。
圖5顯示根據本發明之一發光二極體組件之一第三實施例之一示意圖，而該LED組件包括一第一磷光體層12及一第二磷光體層20。該濾光片層14係配置在該第一磷光體層12與該第二磷光體層20之間，而該第一磷光體層12係定位在該LED晶粒10之頂部上。
雖然已在圖式及先前描述中闡釋及詳細描述本發明，但是此闡釋及描述將被視為闡釋性或例示性而非限制性，本發明不受限於所揭示之實施例。
自對圖式、揭示內容及隨附申請專利範圍之研究，熟習此項技術者在實踐本發明中可瞭解並實現對該等所揭示實施例之其他變動。在申請專利範圍中，詞「包括」不排除其他元件或步驟，且不定冠詞「一」不排除複數個。特定方法被陳述於相互不同的附屬請求項中之純粹事實不表示不可有利地使用此等方法之一組合。申請專利範圍中之任何參考符號不應被解釋為限制該範圍。
10．．．LED晶粒
12．．．第一磷光體層
14．．．濾光片層/濾光片
16．．．半圓形外殼
18．．．LED組件之底部
20．．．第二磷光體層
圖1係根據本發明之一發光二極體組件之一第一實施例之一示意圖；
圖2係顯示本發明之濾光片層之透射率之一曲線圖，該透射率係取決於由該LED晶粒發射之光的發射角度及波長；
圖3係顯示一白色LED組件之在均勻顏色空間(CIE 1976)中顏色座標之幾何距離對法向發射之顏色座標的曲線圖；
圖4係根據本發明之一發光二極體組件之一第二實施例之一示意圖；及
圖5係根據本發明之一發光二極體組件之一第三實施例之一示意圖。
10．．．LED晶粒
12．．．第一磷光體層
14．．．濾光片層/濾光片
16．．．半圓形外殼
18．．．LED組件之底部

Claims (25)

  1. 一種LED組件，其包括：一LED晶粒(die)(10)；一第一磷光體層(12)；及一濾光片層(14)，其中形成該濾光片層(14)之一方式為：自該LED晶粒(10)發射之具有一約400奈米至500奈米波長之光線取決於該等光線與該濾光片層(14)上之法線(normal)所成的發射角度(emission angle)而至少部分地反射，其中接近該法線的發射角度之光比遠離該法線的發射角度之光反射更多。
  2. 如請求項1之LED組件，其中形成該濾光片層(14)之一方式為：自該LED晶粒(10)發射之具有一約420奈米至490奈米波長之光線取決於該等光線與該濾光片層(14)上之法線所成的發射角度而至少部分地反射。
  3. 如請求項1之LED組件，其中該濾光片層(14)反射具有與該濾光片層(14)上之法線成約0°至30°之一發射角度之該等光線。
  4. 如請求項3之LED組件，其中該濾光片層(14)反射具有與該濾光片層(14)上之法線成約0°至20°之一發射角度之該等光線。
  5. 如請求項1之LED組件，其中由該LED晶粒(10)發射的該等光線之約10%至50%係取決於其等與該濾光片(14)上之法線所成的發射角度而反射。
  6. 如請求項5之LED組件，其中由該LED晶粒(10)發射的該 等光線之約15%至30%係取決於其等與該濾光片(14)上之法線所成的發射角度而反射。
  7. 如請求項1之LED組件，其中該濾光片層(14)包括交替的低折射率材料及高折射率材料之一介電質層塗層。
  8. 如請求項7之LED組件，其中該介電質塗佈層之該等材料具有在1.6至3之範圍內之該等高折射率材料之一折射率及具有在1.2至1.8之範圍內之該等低折射率材料之一折射率而對介於400奈米與800奈米之間的波長係透明。
  9. 如請求項7之LED組件，其中提供九層該等高折射率材料及九層該等低折射率材料。
  10. 如請求項1之LED組件，其中該濾光片層(14)係配置在該LED晶粒(10)與該第一磷光體層(12)之間。
  11. 如請求項1之LED組件，其中該第一磷光體層(12)係配置在該LED晶粒(10)之頂部上，且該濾光片層(14)係配置在該第一磷光體層(12)之頂部上。
  12. 如請求項1之LED組件，其中該LED組件包括一第一磷光體層(12)及一第二磷光體層(20)，其中該濾光片層(14)係配置在該第一磷光體層(12)與該第二磷光體層(20)之間。
  13. 如請求項1之LED組件，其中該第一磷光體層(12)包括嵌入一透明基質材料中之一發光陶瓷板及/或一磷光體粉末。
  14. 如請求項1之LED組件，其中提供一透明玻璃板作為該濾光片層(14)之一基板。
  15. 如請求項1之LED組件，其中該濾光片層(14)具有一總厚度為約750奈米至950奈米。
  16. 如請求項15之LED組件，其中該濾光片層(14)之該總厚度為約800奈米至900奈米。
  17. 如請求項1之LED組件，其中該第一磷光體層(12)具有一厚度約80微米至150微米。
  18. 如請求項17之LED組件，其中該第一磷光體層(12)之該厚度為約100微米至130微米。
  19. 如請求項7之LED組件，其中該等高折射率材料之該等層之厚度自5奈米變化至約70奈米，且低折射率材料之該等層之厚度自約20奈米變化至約300奈米。
  20. 一種LED組件，其包含：一LED晶粒，一磷光體層，及一濾光片層，其中，當光線實質上垂直於該濾光片層的一側表面(lateral surface)，該濾光片層對波長420奈米至490奈米之光線，相較於波長大於500奈米之光線，實質上反射較多的光線，及該濾光片層對波長450奈米之光線，接近法線的光線比遠離該法線的光線實質上反射較多的光線。
  21. 如請求項20之LED組件，其中該濾光片層對波長450奈米的光線，對與該法線成0至30度角之內的光線，相較於與該法線成大於40度角之光線，實質上反射更多。
  22. 如請求項20之LED組件，其中該濾光片層對實質上垂直於該表面，且波長在420奈米及490奈米範圍之內的光線反射10至30百分比之光。
  23. 如請求項20之LED組件，其中該濾光片層包含交替的低折射率材料及高折射率材料之一介電質層塗層。
  24. 如請求項20之LED組件，其中該濾光片層位於該LED晶粒及該磷光體層之間。
  25. 如請求項20之LED組件，其中該磷光體層位於該LED晶粒及該濾光片層之間。
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