TWI730025B - 用於濾光的複合材料、照明設備以及用於確定複合材料的摻雜濃度或厚度的方法 - Google Patents

用於濾光的複合材料、照明設備以及用於確定複合材料的摻雜濃度或厚度的方法 Download PDF

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Abstract

用於濾光之複合材料，包含：聚合基質材料及摻雜於該聚合基質材料中之釹化合物粒子。亦描述包含該複合材料之照明設備、用於確定該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的方法、以及用於確定該複合材料之厚度的方法。

Description

用於濾光的複合材料、照明設備以及用於確定複合材料的摻雜濃度或厚度的方法
本發明大體上關於照明系統及相關技術。更明確地說，本發明關於用於濾光的複合材料、使用該複合材料之照明設備、以及用於確定該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度或該複合材料之厚度的方法。
LED燈提供各式各樣優於較傳統白熾燈及螢光燈的優點，包括但不限於較長預期壽命、高能量效率、以及不需要暖機時間即可達到全亮度。如本領域中已知，LED(本文中使用時其亦包括有機LED、或OLED)為將電能轉換成電磁輻射(包括波長為約400至750nm的可見光)的固態半導體裝置。LED通常包含摻雜雜質以產生p-n接面之半導體材料的晶片(晶粒)。LED晶片係電性連接至陽極及陰極，該二者經常安裝在封裝內。由於相較於諸如白熾燈或螢光燈之其他燈，LED會以更窄光束發射 更定向的可見光，因此LED傳統上係用於諸如汽車、顯示器、安全/緊急、及定向區域照明之應用。然而，LED技術的進步使得高效能LED類照明系統在傳統上使用其他類型照明源的照明應用(例如包括先前由白熾燈及螢光燈所提供的全向照明應用)中找到更廣泛用途。因此，LED愈來愈多地用於區域照明，諸如用於住宅、商業及都市設置。
LED類光源(經常為LED陣列)包含多LED裝置。由於LED裝置於窄波長帶發射可見光，例如，綠光、藍光、紅光等，LED燈中經常組合不同LED裝置之組合以產生各種不同光色彩，包括白光。或者，基本上顯現為白色之光可藉由來自藍光LED之光與將至少一部分該藍光LED的藍光轉換成不同色彩之螢光體(例如YAG：Ce)的組合而產生；經轉換之光與該藍光的組合可產生顯現白色或實質上為白色的光。
然而，在實質上顯現白色之光係藉由組合來自藍光LED之光與螢光體所產生的情況中，光之白度(whiteness)及色彩飽和指數(color saturation index，CSI)仍不盡理想。
提供用於濾光(light filtering)之複合材料。該複合材料包含聚合基質材料(polymeric matrix material)以及摻雜於該聚合基質材料中之釹化合物粒 子，其中，該複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為0.4%至8%。
提供照明設備。照明設備包含白光LED封裝；以及包括如前述之複合材料的光學組件；其中，由該白光LED封裝所產生之黃光的至少一部分係藉由該光學組件過濾。
提供另一照明設備。該照明設備包含了包含峰值波長為短於435nm之藍光光源及螢光體的白光LED封裝；以及光學組件，其中，該白光LED封裝所產生之黃光的至少一部分係藉由該光學組件過濾。
提供用於確定複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的方法。該方法包含預先確定通過該複合材料之可見光的比色性質(colorimetric property)與該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的第一對映關係(mapping relationship)；以及根據該第一對映關係確定對應於所希望比色性質之複合材料中的釹化合物粒子摻雜濃度。
提供用於確定複合材料之厚度的方法。該方法包含預先確定通過該複合材料之可見光的比色性質與該複合材料之厚度的第二對映關係；以及根據該第二對映關係確定對應於所希望比色性質之複合材料厚度。
10、20‧‧‧照明設備
11、21‧‧‧蓋或封閉物
12‧‧‧螺紋基底接頭
13‧‧‧殼架或底座
14‧‧‧散熱片
22‧‧‧LED晶片
23‧‧‧印刷電路板
30、40‧‧‧方法
31、32、311、312、313、41、42、411、412、413‧‧‧步驟
基於以下詳細描述結合附圖，將更明瞭本揭示內容之上述及其他態樣、特徵及優點；該等附圖中： 圖1圖示根據本發明一實施態樣之包含光學組件的照明設備；圖2圖示根據本發明另一實施態樣之包含光學組件的照明設備之部分橫斷面圖；圖3圖示根據本發明一實施態樣之用於確定複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的方法之示意流程圖；圖4圖示根據本發明一實施態樣之圖3的步驟31之示意流程圖；圖5圖示根據本發明一實施態樣之用於確定複合材料之厚度的方法的示意流程圖；圖6圖示根據本發明一實施態樣之圖5的步驟41之示意流程圖。
為了提供該等實施態樣之簡明描述，並非所有實際實施之特徵係描述於一或更多個具體實施態樣。應理解，在任何此種實際實施的發展中，如同在任何工程或設計計畫中，必須做眾多實施相關決定以獲致開發人員的特定目標，諸如符合系統相關及業務相關之限制，彼等可隨實施而各不相同。此外，應理解此種開發努力可能會複雜以及費時，但對受益於本揭示內容的具有普通技術之人士而言仍會是設計、生產、及製造的例行工作。
除非另外定義，否則本文所使用之技術及科 學用語具有熟悉本揭示內容所屬之技術領域的人士一般瞭解的相同意義。本文所使用之用語「第一」、「第二」等等不表示任何順序、數量或重要性，而是用以區分一個元件與另一元件。又，用語「一」不表示數量限制，而是表示存在至少一所指項目。用語「或」意指包含性的且意指所列項目之任一者、數者或全部。本文中使用「包括」、「包含」或「具有」，及彼等之變化形式，係意指涵括了羅列其後的項目及彼等之相當者、以及另外的項目。
本發明提供適合用於照明設備以賦予濾色(color filtering)效果(尤其是濾黃光(yellow light filtering)效果)成為可見光的複合材料。該複合材料包含聚合基質材料及摻雜於聚合基質材料中之釹化合物粒子。
在一些實施態樣中，聚合基質材料包括但不限於：聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚矽氧(silicone)、或其任何組合。
在一些實施態樣中，摻雜於聚合基質材料中之釹化合物粒子包括Nd3+離子。Nd3+離子的一種來源可為包含Nd-F化合物之材料。如本文所使用，「Nd-F化合物」應廣義解釋為包括包含釹及氟化物及隨意地(optionally)其他元素之化合物。此等包含釹及氟化物之化合物可包括釹氟化物(neodymium fluoride)、或釹氧氟化物(neodymium oxyfluoride)(例如，NdOxFy，其中2x+y=3)、或包含外來(adventitous)水及/或氧的釹 氟化物、或釹氫氧化氟化物(neodymium hydroxide fluoride)(例如，Nd(OH)aFb，其中a+b=3)、或眾多包含釹及氟化物的其他化合物。在一些應用中，Nd-F化合物可具有相對低折射率，諸如匹配所選擇之聚合基質材料的折射率以提供低渾濁(low-haze)複合材料。一種有用的Nd3+離子源可為氟化釹(NdF3)，其具有約1.6之折射率並提供與某些聚合基質材料匹配的適當低折射率，以最小化散射損失(scattering loss)。其他Nd3+離子源亦可能，例如其他含Nd-F化合物，其非限制性實例包括Nd-X-F化合物，其中，X為與釹形成化合物的至少一種元素，例如氧、氮、硫、氯等，或與氟形成化合物之至少一種金屬元素(除Nd以外)，例如諸如Na、K、Al、Mg、Li、Ca、Sr、Ba、及Y之金屬元素，或此等元素的組合。Nd-X-F化合物之具體實例可包括：釹氧氟化物(Nd-O-F)化合物；Nd-X-F化合物，其中，X可為Mg及Ca或可為Mg、Ca及O；以及其他含Nd-F之化合物。
複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為0.4%至8%。在一些實施態樣中，複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為2%至8%。在一些實施態樣中，複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為4%至6%。
下表1顯示LED封裝所產生、通過具有不同釹化合物粒子摻雜濃度(重量百分比)的複合材料之光的色度座標(CCX及CCY)、CRI(演色指數(Color Rendering Index))、R9(紅光之CRI)以及CSI(色彩 飽和指數)，其中，各複合材料之厚度為1mm，各複合材料之聚合基質材料係由聚矽氧形成，且釹化合物為NdF3，以及該LED封裝之CRI為約80。此外，當NdF3粒子之摻雜濃度為0%時，未記錄CSI數據。
Figure 105143390-A0202-12-0007-1
根據表1，可看出CRI、R9及CSI隨著NdF3粒子之摻雜濃度提高而更佳。
下表2顯示LED封裝所產生、通過具有不同釹化合物粒子摻雜濃度(重量百分比)的複合材料之光的色度座標(CCX及CCY)、CRI及R9，其中，各複合材料之厚度係從該複合材料的中間至邊緣漸增，且中間的厚度為1.5mm以及邊緣的厚度為4.2mm，各複合材料之聚合基質材料為PC且釹化合物為NdFO，以及LED封裝的CRI為約80。
Figure 105143390-A0202-12-0008-2
根據表2，可看出，相較於不含NdF3粒子之材料，包含NdF3粒子之複合材料可藉由使光通過該複合材料而改善光性能。
在一些實施態樣中，該複合材料另外可包含摻雜在聚合基質材料中以供光漫射(light diffusion)之添加劑粒子。在一些實施態樣中，摻雜在聚合基質材料中之添加劑粒子包括但不限於：金紅石氧化釹(rutile titania)(TiO2；折射率為約2.74)、Al2O3、以及Nd-O化合物(諸如Nd2O3)或其他含釹金屬氧化物(諸如含Nd之鈣釹礦結構材料)。以此方式，NdF3(或其他Nd3+離子源)之粒子會是濾色效果(color filtering effect)的主因或唯一原因，以及添加劑粒子會是達成明顯程度之光散射的主因或唯一原因。
在一些實施態樣中，聚合基質材料與釹化合物粒子在可見光範圍之折射率的差異低於0.1。通常，若聚合基質材料與釹化合物粒子在可見光範圍之折射率的差 異低於0.1，可獲致(通常因最小程度光散射所致)低渾濁(low-haze)(低漫射率(low-diffusivity))光學效果。若釹化合物粒子係由NdF3形成，其聚合基質材料為聚碳酸酯(PC)或聚苯乙烯(PS)，NdF3之折射率(約1.60)及PC或PS之折射率(約1.586)使得當光通過複合材料時發生最小程度的光散射。具有在NdF3折射率之0.1範圍內之折射率的聚合物之另一實例為摻雜氟之聚酯(折射率為約1.607)。就此，聚合基質材料係根據具有與釹化合物粒子相似的折射率來選擇以獲致低渾濁(低漫射率)光學效果。
在一些實施態樣中，聚合基質材料與釹化合物粒子在可見光範圍之折射率的差異超過0.1。例如，聚合基質材料為折射率約1.586之PC，而釹化合物為折射率約1.7之NdFO。
本發明進一步提供包含白光LED封裝以及包含前述複合材料之複合材料的光學組件的照明設備，其中，該白光LED封裝所產生之黃光的至少一部分係藉由該光學組件過濾。
在一些實施態樣中，包含複合材料之光學組件可為燈(lamp)蓋(cover)或封閉物(enclosure)。例如，圖1圖示包含下列之照明設備10：蓋或封閉物11、愛迪生型螺紋基底接頭(Edison type threaded base connector)12、介於該蓋或封閉物11與該接頭12之間的殼架(housing)或底座(base)13，以及隨意地 (optionally)，散熱片(heat dissipating fin)14；其中，該蓋或封閉物11係由複合材料形成。另外例如，圖2圖示包括下列之照明設備20：圓頂(dome)蓋或封閉物21，其係用作封閉接置於印刷電路板(PCB)23上之LED晶片22的光學包封(optically envelope)；其中，該圓頂蓋或封閉物21係由複合材料形成。在一些實施態樣中，包含該複合材料之光學組件可為位於燈蓋或封閉物內部或外部的其他組件。
在一些實施態樣中，白光LED封裝(white LED package)包含螢光體(phosphor)以及峰值波長(peak wavelength)範圍為440nm至460nm(尤其是約450nm)的藍光光源，以及在該等實施態樣中，用於形成光學組件的複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為0.4%至8%。
在一些實施態樣中，白光LED封裝包含螢光體以及峰值波長短於435nm(例如峰值波長短於430nm、範圍為420nm至430nm，或約425nm)之藍光光源。在該等實施態樣中，複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比可無限制，或亦可限制為0.4%至8%。此外，在該等實施態樣中，由於峰值波長係短於430nm，通常加至照明設備中以求更佳之視覺效果的超紫外線(extra UV-light)便非必要，此有助於保護眼睛。
下表3顯示包含由具有不同厚度之複合材料所形成的光學組件之照明設備的光之色度座標(CCX及 CCY)、CRI、R9及淨(net)CSI，其中，在各照明設備中，聚合基質材料為PC，釹化合物為NdF3，NdF3之摻雜濃度(重量百分比)為4.5%，白光LED封裝之CRI為約80，以及白光LED封裝包含具有螢光體且峰值波長為約450nm的藍光光源。
Figure 105143390-A0202-12-0011-3
根據表3，可看出CRI、R9及淨CSI隨著NdF3粒子之摻雜濃度為4.5%的光學組件之厚度增加而變得更佳，以及在厚度為2mm時光性能(light performance)良好。
下表4顯示包含由具有不同厚度之複合材料所形成的光學組件之照明設備的光之色度座標(CCX及CCY)、CRI、R9及淨CSI，其中，在各照明設備中，聚合基質材料為聚碳酸酯，釹化合物為NdF3，NdF3之摻雜濃度(重量百分比)為1%，白光LED封裝之CRI為約80。
Figure 105143390-A0202-12-0012-4
根據表4，可看出，相較於不含NdF3粒子之光學組件，包含NdF3粒子之光學組件可藉由使光通過該複合材料而改善光性能。
圖3圖示用於確定複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的方法30的示意流程圖。方法30包含步驟31及步驟32。
步驟31包含預先確定通過複合材料之可見光的比色性質與該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的第一對映關係。
比色性質(colorimetric property)指示通過複合材料之可見光的色彩。比色性質包括但不限於色度座標、CRI、R9及CSI。
在一些實施態樣中，如圖4所示，步驟31包含下列步驟：
在步驟311中，白光光源所產生之光係通過第一複合材料以獲得第一比色性質。
在步驟312中，白光光源所產生之光係通過 第二複合材料以獲得第二比色性質。第一複合材料及第二複合材料具有相同厚度以及具有不同之釹化合物粒子摻雜濃度。
在步驟313中，第一對映關係(first mapping relationship)係根據第一及第二比色性質而確定。
藉由使相同白光光源所產生的光通過除了釹化合物粒子摻雜濃度之外幾乎彼此相同的第一複合材料及第二複合材料，可獲得通過該複合材料之可見光的比色性質與該複合材料中之釹化合物粒子摻雜濃度之第一對映關係。
在一些實施態樣中，第一對映關係可藉由使白光光源所產生之光通過除了釹化合物粒子摻雜濃度之外幾乎彼此相同的更多複合材料(例如，超過兩者)而獲得。
步驟32包含根據第一對映關係確定對應於所希望比色性質之複合材料中之釹化合物粒子的摻雜濃度。
當獲得第一對映關係時，很容易根據所希望之比色性質確定釹化合物粒子的摻雜濃度。
圖5圖示根據本發明一實施態樣之用於確定複合材料之厚度的方法40的示意流程圖。方法40包含步驟41及步驟42。
步驟41包含預先確定通過複合材料之可見光的比色性質與複合材料之厚度的第二對映關係。
在一些實施態樣中，步驟41包含下列步驟：
在步驟411中，白光光源所產生之光係通過第三複合材料以獲得第三比色性質。
在步驟412中，白光光源所產生之光係通過第四複合材料以獲得第四比色性質。第三複合材料以及第四複合材料具有不同厚度，且具有相同的釹化合物粒子摻雜濃度。
在步驟413中，第二對映關係(second mapping relationship)係根據第三及第四比色性質而確定。
藉由使相同白光光源所產生的光通過除了厚度之外幾乎彼此相同之第三複合材料以及第四複合材料，可獲得通過該複合材料之可見光的比色性質與該複合材料之厚度的第二對映關係。
在一些實施態樣中，第二對映關係可藉由使白光光源所產生之光通過除了厚度之外幾乎彼此相同的更多複合材料(例如，超過兩者)而獲得。
步驟42包含根據第二對映關係確定對應於所希望比色性質的複合材料之厚度。
當獲得第二對映關係時，很容易根據所希望之比色性質確定複合材料的厚度。
雖然已以典型實施態樣說明及描述本揭示內容，但無意受限於所示之細節，因為在不以任何方式違背本揭示內容之精神的情況下可進行各種不同修改及取代。因此，對於熟習本領域之人士而言，可例用不過是例行實 驗而產生本文所揭示之內容的其他修改及相當物，且所有此等修改及相當物咸信是在如以下申請專利範圍所界定的揭示內容之精神及範圍內。
10‧‧‧照明設備
11‧‧‧蓋或封閉物
12‧‧‧螺紋基底接頭
13‧‧‧殼架或底座
14‧‧‧散熱片

Claims (21)

  1. 一種用於濾光之複合材料，其包含：聚合基質材料(polymeric matrix material)以及摻雜於該聚合基質材料中之釹化合物粒子，其中，該複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為0.4%至8%。
  2. 如申請專利範圍第1項之複合材料，其中，該複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為2%至8%。
  3. 如申請專利範圍第2項之複合材料，其中，該複合材料中之釹化合物粒子的重量百分比為4%至6%。
  4. 如申請專利範圍第1項之複合材料，其包含：摻雜於該聚合基質材料中以供光漫射(light diffusion)之添加劑粒子。
  5. 如申請專利範圍第1項之複合材料，其中，該聚合基質材料與該釹化合物粒子在可見光範圍之折射率的差異低於0.1。
  6. 一種照明設備，其包含：白光LED封裝；以及包含如申請專利範圍第1至5項中任一項之複合材料的光學組件；其中，由該白光LED封裝所產生之黃光的至少一部分係藉由該光學組件過濾。
  7. 如申請專利範圍第6項之照明設備，其中，該光學組件之厚度在1mm至14mm之範圍。
  8. 如申請專利範圍第7項之照明設備，其中，該光 學組件之厚度在1mm至9mm之範圍。
  9. 一種照明設備，其包含：包含峰值波長(peak wavelength)短於435nm之藍光光源及螢光體的白光LED封裝；以及光學組件，其中，由該白光LED封裝所產生之黃光的至少一部分係藉由該光學組件過濾；其中，該光學組件包含具有聚合基質材料及摻雜於該聚合基質材料中之釹化合物粒子的複合材料，且該聚合基質材料中之該釹化合物粒子的重量百分比為0.4%至8%。
  10. 如申請專利範圍第9項之照明設備，其中，該藍光光源之峰值波長係短於430nm。
  11. 如申請專利範圍第10項之照明設備，其中，該藍光光源之峰值波長的範圍為420nm至430nm。
  12. 如申請專利範圍第9項之照明設備，其中，該聚合基質材料中之該釹化合物粒子的重量百分比為2%至8%。
  13. 如申請專利範圍第12項之照明設備，其中，該聚合基質材料中之該釹化合物粒子的重量百分比為4%至6%。
  14. 如申請專利範圍第9項之照明設備，其中，該光學組件之厚度在1mm至14mm之範圍。
  15. 如申請專利範圍第14項之照明設備，其中，該光學組件之厚度在1mm至9mm之範圍。
  16. 如申請專利範圍第9項之照明設備，其包含：摻 雜於該聚合基質材料中以供光漫射之添加劑粒子。
  17. 如申請專利範圍第9項之照明設備，其中，該聚合基質材料與該釹化合物粒子在可見光範圍之折射率的差異低於0.1。
  18. 一種用於確定複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的方法，其包含：預先確定通過該複合材料之可見光的比色性質(colorimetric property)與該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度的第一對映關係(mapping relationship)；以及根據該第一對映關係確定對應於所希望比色性質之該複合材料中之釹化合物粒子之摻雜濃度。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，預先確定該關係包含：使白光光源所產生之光通過第一複合材料以獲得第一比色性質；使該白光光源所產生之光通過第二複合材料以獲得第二比色性質，其中，該第一複合材料及該第二複合材料具有相同厚度且具有不同的釹化合物粒子之摻雜濃度；以及根據第一及第二比色性質確定該第一對映關係。
  20. 一種用於確定複合材料之厚度的方法，其包含：預先確定通過該複合材料之可見光的比色性質與該複合材料之厚度的第二對映關係；以及根據該第二對映關係確定對應於所希望比色性質之該 複合材料之厚度。
  21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，預先確定該關係包含：使白光光源所產生之光通過第三複合材料以獲得第三比色性質；使該白光光源所產生之光通過第四複合材料以獲得第四比色性質，其中，該第三複合材料及該第四複合材料具有不同厚度且具有相同的釹化合物粒子之摻雜濃度；以及根據第三及第四比色性質確定該第二對映關係。
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