TWI588969B - 可調控色溫元件產生具有不同色溫之白光的方法 - Google Patents

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Description

可調控色溫元件產生具有不同色溫之白光的方法
本發明有關於一種可調控色溫元件，且特別是有關於一種包括發光二極體晶片的可調控色溫元件及產生具有不同色溫之白光的方法。
由於它們的長壽命，小體積，高抗衝擊和震動，低熱量產生，並且低功率消耗，發光二極體已經廣泛應用於顯示或者在各種消費電子設備、電器、儀器中作為光源。例如，近來多色和高亮度發光二極體也已經應用於戶外大尺寸顯示器和交通燈。在未來，發光二極體以其節能和環保的優點，可能成為主要的照明光源。
使用發光二極體作為光源的一個優點是它可以被設計產生具有不同相關色溫(或者簡稱色溫)的白光。一種常規的可調控色溫元件是一個白光發光二極體，包括藍光發光二極體晶片和黃光發光二極體晶片，當被驅動電流驅動時，分別放射藍光和黃光。為了改變這樣元件的色溫，可以改變藍光和黃光發光二極體晶片驅動電流的比例，來改變藍光和黃光強度的比例。然而，由於藍光發光二極體晶片和黃光發光二極體晶片的發光效率不同，改變驅動電流來改變藍光和黃光的比例可能導致浪費功率。元件的亮度也可能變化明顯。除此以外，在這樣的元件中，具有不同波長的光(也就是具有不同顏色的光，如藍光和黃光)放射自兩個空間彼此分離設置的發光二極體晶片，由此產生的白光可能空間不均勻，特別是在接近白光發光二極體位置觀察時。因此，可能需要額外的元件最小化這樣的空間不均勻，以實現更均勻的白光。
一種廣泛接受的實現白光發光二極體的方法是使用藍光發光二極體晶片和黃色螢光材料的組合。黃色螢光材料將吸收一部份藍光發光二極體晶片放射的藍光，然後轉換放射黃光。沒被吸收的藍光和黃光混合產生白光。在這樣的白光發光二極體中實現色溫調節的一種方法是增加紅光或者黃光發光二極體晶片。通過改變藍光發光二極體晶片與紅光或者黃光發光二極體晶片的驅動電流比例，由此產生的白光色溫可以調節。然而，由於藍光發光二極體晶片與黃光發光二極體晶片空間彼此分離設置，由此產生的白光可能空間不均勻，因此需要額外增加元件來修正這種不均勻。
因此，需要一種可調控色溫元件，放射更均勻的具有不同色溫的白光，並且以更高功率效率的方式工作。
本發明提供一種可調控色溫元件，其輸出白光色溫可調而不明顯影響元件的輸入功率和輸出白光的亮度。
本發明提供一種可調控色溫元件，其包括一第一發光二極體晶片組、一第二發光二極體晶片組及一波長轉換層。第一發光二極體晶片組包括至少一第一藍光二極體晶片，係放射出一具有一第一放射波長的第一光線。第二發光二極體晶片組包括至少一第二藍光發光二極體晶片，係放射出一具有一第二放射波長的第二光線，其中第二放射波長不同於第一放射波長，而波長轉換層係配置於至少部份第一發光二極體晶片組及部份第二發光二極體晶片組之上。其中，第一發光二極體晶片組和第二發光二極體晶片組分別藉由一第一驅動電流和一第二驅動電流驅動。
本發明另提供一種產生具有不同色溫之白光的方法，其包括對一第一藍光發光二極體晶片組增加一第一驅動電流，以及對一第二藍光發光二極體晶片組減少一第二驅動電流。第一藍光發光二極體晶片組包括一第一藍光發光二極體晶片，第一藍光發光二極體放射出一具有一第一放射波長的第一光線。第二藍光發光二極體晶片組包括一第二藍光發光二極體晶片，第二藍光發光二極體放射出一具有一第二放射波長的第二光線。其中第二放射波長不同於第一放射波長。
本發明特徵和優點將在以下描述中闡述，部份從闡述中將顯而易見，部份可從本發明的實施中得知。這些特徵和優點將靠元件和組合實現並達到，特別是附屬權利要求中所指出的元件和組合。
應當理解，前述基本描述和以下詳細描述都僅是示範和解釋而不是對所述發明的限制。
附圖列入並構成說明書的一部份，與文字描述一起說明了本發明的幾個實施方式，有助於解釋本發明原理。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
本發明能放射比現有技術更均勻之可調色溫的光。本發明之可調控色溫元件在不明顯改變輸入功率的情況下調整色溫。因此，當色溫改變時，輸出光強度和亮度能保持穩定。
以下，本發明實施方式將結合附圖進行描述。盡可能，同樣的元件符號在附圖中代表同樣或者類似的部件。
圖1所示為本發明一實施方式之可調控色溫元件100剖面示意圖。可調控色溫元件100包括設置於基材110上的一第一發光二極體晶片102和一第二發光二極體晶片104。導線1022和1024連接第一發光二極體晶片102到一第一電源(未圖示)，導線1042和1044連接第二發光二極體晶片104到一第二電源。第一和第二電源提供一第一驅動電流給第一發光二極體晶片102和一第二驅動電流給第二發光二極體晶片104。第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104在驅動電流驅動時可發光。圖2示意圖在另一視角描繪可調控色溫元件100，表明第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104由兩個電源分別驅動。
依照本發明，因為第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104分別由第一和第二電源分別驅動，流經第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104的驅動電流可以不同，因此第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104的輸出光強度可以獨立控制。
第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104，例如是氮化鎵基發光二極體晶片能放射不同波長的光，比如藍光。在一些實施方式中，第一發光二極體晶片102放射出具有一放射波長在大約在450nm到大約500nm範圍內的光，第二發光二極體晶片104放射出具有一放射波長在大約在370nm到大約440nm範圍內的光。在一些實施方式中，第一發光二極體晶片102放射放射出具有一放射波長在大約在450nm到大約470nm範圍內的光。在一些實施方式中，第二發光二極體晶片104放射放射出具有一放射波長在大約在400nm到大約440nm範圍內的光。
可調控色溫元件100還包括一波長轉換層120覆蓋全部或者部份發光二極體晶片102和104。在一些實施方式中，波長轉換層120包括一樹脂和分佈於樹脂中的一螢光材料。螢光材料吸收一部份第一發光二極體晶片102及/或第二發光二極體晶片104發出的光，然後轉換放射出一不同波長的光。在一些實施方式中，螢光材料可以是YAG：Ce3+，在第一發光二極體晶片102或第二發光二極體晶片104放射的藍光激發下，係放射出黃色的光，而未被吸收的藍光和螢光材料所放射出的黃光結合則得到對人眼來說是白色的光。
在一些實施方式中，波長轉換層120是具有一平坦上表面的薄層。在一些實施方式中，波長轉換層120是具有一與發光二極體晶片共形的輪廓分明的薄層。在一些實施方式中，波長轉換層120具有一凸或者凹結構的上表面。在一些實施方式中，波長轉換層120包括多個垂直的疊層，至少其中一層包括樹脂和分佈於樹脂中的螢光材料，而至少其中另一層僅包括樹脂而不含螢光材料，而熟悉本領域之具有通常知識者在閱讀這些揭露內容時，能夠暸解其他形狀的實施方式。
需注意的是，在包括一個發光二極體晶片和一波長轉換層的白光發光二極體中，改變發光二極體晶片的驅動電流會在某種程度上改變所得到的白光色溫，如此一來，此白光發光二極體可以放射出具有不同色溫的白光。請參考圖3，虛線所示為當改變僅有一個發光二極體晶片的驅動電流時，其白光在色座標上的變化，此發光二極體晶片係為配置於一波長轉換層下的第一發光二極體晶片102。實線所示當改變僅有一個發光二極體晶片的驅動電流時，其白光在色座標上的變化，此發光二極體晶片係為配置於一波長轉換層下的第二發光二極體晶片104。當驅動電流變化時，第一發光二極體晶片102及第二發光二極體晶片104發出的白光亮度會有明顯的變化，而本發明之可調控色溫元件的實施方式可避免這些問題，如以下詳細解釋的內容。
在可調控色溫元件100中，儘管第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104可能全部或者部份位於同一波長變換層120之下，但是波長轉換層120中的螢光材料在不同的激發波下有不同的激發效率。如圖4所示，在不同波長的激發光激發下，即使激發光強度相同，螢光材料放射的光的強度不同。
如上所述，在一些實施方式中，第一發光二極體晶片102放射出具有放射波長大約在450nm到大約470nm範圍內的光，第二發光二極體晶片104放射出具有放射波長大約在400nm到大約440nm範圍內的光。因此，從圖4可以看出，發光二極體晶片104發出的光比發光二極體晶片102發出的光更有效激發波長變換層120中的螢光材料。藉由改變第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104驅動電流的比例，可以改變螢光材料放射出的黃光強度和第一發光二極體晶片102及第二發光二極體晶片104的總放射藍光強度的比例，如此一來，即產生具有不同色溫的白光。例如，增加第一發光二極體102晶片驅動電流並減小第二發光二極體晶片104的驅動電流，螢光材料放射的黃光強度減小，因此所得到的白光色溫升高。另一方面，藉由減少第一發光二極體晶片102驅動電流並增加第二發光二極體晶片104驅動電流，螢光材料放射的黃光強度增加，因而所得到白光色溫降低。
從以上的例子可以看出，通過增加一個發光二極體晶片的驅動電流，並減少另外一個發光二極體晶片驅動電流，可以改變兩個發光二極體晶片驅動電流的比例。因此，可調控色溫元件100的總驅動電流，也就是總輸入功率保持不變。
如上所述，對於只有一個發光二極體晶片的元件來說，色溫在色座標的變化只能沿著一條線，如圖3中虛線或者實線所示。若採用至少兩個由不同電源驅動的發光二極體晶片，如本發明之可調控色溫元件可以在色座標的一個區域內做變化，如圖3中四個圓圈限定的區域所示，這為調控色溫提供了更大的自由度。同時，本發明之可調控色溫元件的總驅動電流也就是總輸入功率保持不變，所得到白光亮度也無明顯變化。因此，減少了功率的浪費。
此外，第二發光二極體晶片104的峰值波長大約在400nm到440nm之間。由於人眼對這一範圍的光不敏感，因此，儘管可調控色溫元件的第一發光二極體晶片102和第二發光二極體晶片104空間上彼此分離，但是對於觀察者來說，藍光僅來自於第一發光二極體晶片102，因此避免了光分佈不均勻的問題。
在以上的實施方式描述中，本發明之可調控色溫元件包括兩個發光二極體晶片，係個別控制改變兩個發光二極體晶片的驅動電流。在另一些實施方式中，本發明可調控色溫元件可能包括多組發光二極體晶片，每組包括至少一個發光二極體晶片。在一些實施方式中，在這些多組發光二極體晶片中，至少其中一組發光二極體晶片中的至少一個發光二極體晶片不同於其他發光二極體晶片。例如，這些多組發光二極體晶片中的至少其中一組中的至少一個發光二極體晶片與同一組中的其他發光二極體晶片不同。另一個實施方式中，這些多組發光二極體晶片至少其中一組的發光二極體晶片彼此相同，但是不同於其他組中的發光二極體晶片。
圖5所示為本發明之另一實施方式可調控色溫元件200示意圖。可調控色溫元件200包括設置在一基材(未圖示)上的兩組發光二極體晶片，並被一包含螢光材料的波長轉換層(未圖示)覆蓋。群組Ⅰ包括串聯的發光二極體晶片202-1和202-2，群組Ⅱ包括串聯的發光二極體晶片204-1和204-2。發光二極體晶片202-1和晶片202-2可以是氮化鎵基發光二極體晶片，能夠放射出放射波長在大約450nm到470nm範圍的藍光。發光二極體晶片204-1和晶片204-2可以是氮化鎵基發光二極體晶片，能夠放射出放射波長在大約400nm到440nm範圍的藍光。群組Ⅰ和群組Ⅱ採用兩個電源(未圖示)分別驅動。
表一為可調控色溫元件200在不同驅動電流組合下，各種參數的測量結果。在表一中，群組Ⅰ和群組Ⅰ的驅動電流分別表示為I1和I2，CIE-x和CIE-y是所得白光在CIE-1931色座標中的色座標。Ⅳ和Pout分別是所得白光的光通量和輸出輻射功率。CCT是所得白光相關色溫。Pin是輸入可調控色溫元件的總電功率。LES是可調控色溫元件的發光效率，是Ⅳ和Pin比值。
從表一中可以看出，減小群組Ⅰ的驅動電流並增加群組II的驅動電流，也就是減小放射較長放射波長發光二極體晶片的驅動電流並增加放射較短放射波長發光二極體晶片的驅動電流，所得白光色溫降低。然而，總光通量和總輸入功率基本保持不變。因此，可調控色溫元件200可發出色溫不同的白光，而不明顯影響發出光的亮度和總輸入功率。另外，如上所述，儘管發光二極體晶片204-1和204-2放射較短放射波長藍光並與發光二極體晶片202-1和202-2空間分離，但是因為人眼對大約400nm到大約440nm波長範圍的藍光不敏感，可調控色溫元件200放射的白光沒有表現出明顯的空間不均勻。
圖6A，7A，8A和9A所示為可調控色溫元件200在不同驅動電流組合下輸出光譜示例。對於圖6A，7A，8A和9A，群組Ⅰ的驅動電流分別是300mA，175mA，100mA和50mA，群組Ⅱ的驅動電流分別是50mA，175mA，250mA和300mA。所得白光的色溫分別大約是13000K，大約6700K，大約5200K和大約4500K。圖6B，7B，8B和9B所示為所得白光在CIE-1931色座標中的位置。
圖10所示為本發明又一實施方式之可調控色溫元件300的示意圖。可調控色溫元件300包括設置在基材(未圖示)上的兩組發光二極體晶片，並被一包含螢光材料的波長轉換層(未圖示)覆蓋。群組Ⅰ包括串聯的發光二極體晶片302-1和302-2，群組Ⅱ包括串聯的發光二極體晶片302-3和304-1。發光二極體晶片302-1和晶片302-2和302-3是氮化鎵基發光二極體晶片，能夠放射出放射波長在大約450nm到470nm範圍的藍光。發光二極體晶片304-1是氮化鎵基發光二極體晶片，能夠放射峰值波長在大約400nm到440nm範圍的藍光。群組Ⅰ和群組Ⅱ組採用兩個電源(未圖示)分別驅動。表二為可調控色溫元件300在不同驅動電流組合下，各種參數的測量結果。
從表二中可以看出，減小群組Ⅰ的驅動電流並增加群組II的驅動電流，也就是減小放射出較長放射波長發光二極體晶片的總的驅動電流並增加放射出較短放射波長發光二極體晶片的驅動電流，所得白光色溫降低。然而，總光通量和總輸入功率保持近乎不變。因此，可調控色溫元件300可發出色溫不同的白光，而不明顯影響發出光的亮度和總輸入功率。另外，如上所述，儘管發光二極體晶片304-1放射出較短放射波長藍光並與發光二極體晶片302-1，302-2和302-3空間分離，但是可調控色溫元件300放射的白光沒有表現出明顯的空間不均勻。
與本發明相符，波長轉換層係用於轉換發光二極體晶片所發出的藍光，例如，圖1所示之單層的波長轉換層120係配置於可調控色溫元件發光二極體晶片的上方。在一些實施方式中，波長轉換層包括多層，每層覆蓋於本發明可調控色溫元件中至少一發光二極體晶片的至少一部份。例如，波長轉換層包括多層，每層覆蓋在本發明之可調控色溫元件的一個發光二極體晶片的至少一部份。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、200、300‧‧‧可調控色溫元件
102、202-1、202-2、302-1、302-2、302-3‧‧‧第一發光二極體晶片
104、204-1、204-2、304-1‧‧‧第二發光二極體晶片
1022、1024、1042、1044‧‧‧導線
110‧‧‧基材
120‧‧‧波長轉換層
圖1所示為本發明之可調控色溫元件一實施方式的剖面示意圖。
圖2所示為圖1中可調控色溫元件的示意圖。
圖3所示為色座標圖，係為當改變僅包括一個發光二極體晶片的元件的驅動電流時所得到的色座標座標變化圖(虛線或是者實線者)，以及當改變本發明之可調控色溫元件的驅動電流時所得到的色座標座標變化圖(四個圓圈限定的區域)。
圖4所示為螢光材料在不同激發波長下的光強度示意圖。
圖5所示為本發明之可調控色溫元件另一實施方式的示意圖。
圖6A和6B所示為圖5中之可調控色溫元件在一組驅動電流下驅動的放射光譜和所得到的白光在CIE-1931色座標中的座標。
圖7A和7B所示為圖5中之可調控色溫元件在另一組驅動電流下驅動的放射光譜和所得白光在CIE-1931色座標中的座標。
圖8A和8B所示為圖5中之可調控色溫元件在又一組驅動電流下驅動的放射光譜和所得白光在CIE-1931色座標中的座標。
圖9A和9B所示為圖5中之可調控色溫元件在更一組驅動電流下驅動的放射光譜和所得白光在CIE-1931色座標中的座標。
圖10所示為本發明之可調控色溫元件又一實施方式的示意圖。
100‧‧‧可調控色溫元件
102‧‧‧第一發光二極體晶片
104‧‧‧第二發光二極體晶片
1022、1024、1042、1044‧‧‧導線
110‧‧‧基材
120‧‧‧波長轉換層

Claims (1)

  1. 一種可調控色溫元件產生具有不同色溫之白光的方法，其中該可調控色溫元件包括一第一發光二極體晶片組、一第二發光二極體晶片組，該方法包括：對該第一藍光發光二極體晶片組增加一第一驅動電流，該第一藍光發光二極體晶片組包括一第一藍光發光二極體晶片，該第一藍光發光二極體晶片放射出一具有一第一放射波長的第一光線；以及對該第二藍光發光二極體晶片組減少一第二驅動電流，該第二藍光發光二極體晶片組包括一第二藍光發光二極體晶片，該第二藍光發光二極體晶片放射出一具有一第二放射波長的第二光線，其中該第二放射波長不同於該第一放射波長，該第一驅動電流及該第二驅動電流的一總驅動電流保持近乎定值。
TW100118147A 2010-07-30 2011-05-24 可調控色溫元件產生具有不同色溫之白光的方法 TWI588969B (zh)

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US12/847,387 US8198803B2 (en) 2010-07-30 2010-07-30 Color-temperature-tunable device

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