TWI531080B - 具有降低未轉換光射出的波長轉換發光二極體 - Google Patents

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具有降低未轉換光射出的波長轉換發光二極體
本發明係關於一種發光裝置，其包括一波長轉換發光二極體，該波長轉換發光二極體包括具有一發光表面之一發光二極體，一自我支撐波長轉換本體配置在該發光表面上，該發光表面經調適以接收由該發光二極體發射之光且轉換該光之至少部分為不同波長之光。本發明亦係關於用於製造此等裝置之方法。
發光二極體(LED)作為光源而出現在許多應用中。
藉由在光路徑中塗敷波長轉換材料(諸如螢光及/或發光材料)，所發射之波長可經調適至許多特定波長。歸因於波長轉換材料典型地吸收二極體所發射之光之至少部分且發射具有一更高波長(紅移)之光，所以藍光及/或紫外光發光二極體特別合適作為此等發光二極體(以下稱為波長轉換發光二極體)中之光源。
波長轉換材料可經調適以實質上吸收由LED發射之所有光(通常被稱為泵光)使得僅有經轉換波長光才從該裝置輸出。在其他波長轉換LED中，波長轉換材料經調適以僅吸收且轉換泵光之一部分，使得總輸出係經轉換光及未經轉換光之混合。例如，藍光之一部分轉換為黃光導致一白色之總輸出。
此一波長轉換LED之一實例描述於頒予給Koninklijke Philips Electronics N.V之WO 2007/085977 A1中，其中，一陶瓷轉換元件板被配置於一LED晶片上，用於轉換LED晶片發射之光之部分。
然而，泵光轉換程度係穿過波長轉換材料之路徑距離之一因數。尤其係在波長轉換材料之邊緣，此可能引起問題。在邊緣，泵光僅有在短暫穿過波長轉換材料之後才有機會離開該裝置，導致在此等邊緣之一較低轉換程度。此經常可被視為在經轉換光周圍之一未經轉換光環。
一些波長轉換二極體依靠自我支撐(諸如陶瓷)波長轉換本體，該等自我支撐波長轉換本體係藉由一接合材料而接合在LED晶片之發光表面上。在此等二極體中，該接合材料形成介於波長轉換本體與該二極體之間的一間隔，從本質上說，膠必須透射該LED晶片發射之泵光。在此等裝置中，一些泵光傾向於經由接合材料之側向表面而離開裝置，再一次導致在經轉換光周圍的一未經轉換光環。
特別係在期望光之完全轉換之裝置中，此光環效應極不期望，因為其要求吸收濾光器移除輸出未經轉換光。
本發明之一目的係克服此問題，且提供一種具有減少光環效應之波長轉換發光二極體，其易於製造。
本發明人意識到，一種具有減少未經轉換光洩漏之波長轉換發光二極體可藉由使用一可光固化塗覆材料而獲得，該可光固化塗覆材料在藉由未經轉換光照明之後固化。在固化狀態，該塗覆材料形成一實質上阻光材料，諸如高散射材料、吸收材料或反射材料。該可固化塗覆材料可塗敷於一波長轉換發光二極體中之未經轉換光已展現或被認為從該裝置洩漏之區，在塗覆材料被固化之後，且多餘、未固化材料可被洗除。
因此，在一第一態樣中，本發明係關於一種用於製造一波長轉換發光裝置之方法，該方法包括：提供發射一第一波長之光之一發光二極體，該發光二極體具有一發光表面，一波長轉換材料配置在該發光表面上，該發光表面經調適以接收由該發光二極體發射之光且轉換該光之至少部分為不同波長之光；在該波長轉換發光裝置之至少部分外表面上配置一可光固化塗覆材料，在該外表面上由一有效強度之一第一波長光之照明，促使該可光固化塗覆材料之固化；藉由使用該發光二極體照明該可光固化塗覆材料而固化該可光固化塗覆材料之至少部分以形成一固化、阻光材料。
典型地，阻光材料係選自一散射材料、吸收材料及反射材料之群組。
本發明方法優點在於，可光固化材料僅在高量未經轉換光到達外表面的波長轉換LED之外表面之位置處固化。歸因於可固化材料之散射行為、吸收行為或反射行為，未經轉換光在很大程度上被阻止離開該裝置。
一反射塗覆材料係較佳的，此係由於未經轉換光接著被反射回到該裝置，而提供變為經轉換的一新機會。因此，一反射塗覆材料以此方式增加該裝置之光使用效率，此係因為一更高百分比之LED發射之光被轉換。
使用該裝置之LED發射之光以固化該可固化塗覆材料確保僅在該裝置之外表面上之若干位置中的該塗覆材料被固化，在該等位置中未經轉換光之強度足夠大以實現固化。
在本發明之實施例中，該方法進一步包括移除未固化塗覆材料之步驟。
在藉由照明固化之步驟之後移除未固化材料之步驟確保塗覆材料僅存在於未經轉換光將離開該裝置之該等位置中。因此，該塗覆材料實質上僅存在於必要、非意欲阻止經轉換光離開該裝置之位置。
在本發明之實施例中，波長轉換材料可被包含在一自我支撐波長轉換本體中。
藉由將波長轉換材料併入於一自我支撐本體中，可諸如藉由研磨該自我支撐本體到一需要厚度而精確控制該波長轉換材料之厚度。
在本發明之實施例中，此自我支撐波長轉換本體可藉由一光透射接合層而配置於該發光二極體上，且其中該可光固化塗覆材料被配置於該接合材料之側向表面上。
在特定類型之波長轉換LED中，波長轉換本體係藉由一透射接合材料而接合於LED。此接合材料通常造成介於LED與波長轉換體之間之一間隔。該接合材料之側向邊緣因此形成一窗，未經轉換光穿過該窗而可容易地離開該裝置。為阻止未經轉換光穿過該接合材料之側向邊緣洩漏，將可固化塗覆材料配置於此側向邊、隨後接著固化該固化塗覆材料緣顯然有利。
在本發明之實施例中，該可光固化塗覆材料係選自由環氧樹脂及聚乙烯醇組成之群組。其他可光固化材料係為熟悉此項技術者熟知。
在本發明之實施例中，該可光固化塗覆材料實質上對由波長轉換材料之經轉換光不反應。
若該可光固化塗覆材料實質上對經轉換光不反應，則係有利的，或否則該塗覆材料可能變成在不需要之位置被固化。
在一第二態樣中，本發明包括一種波長轉換發光裝置，該波長轉換發光裝置包括用於發射一第一波長之光之一發光二極體，該發光二極體具有一發光表面，一波長轉換材料配置在該發光表面上，該發光表面經調適以接收由該發光二極體發射之光且轉換該光之至少部分為不同波長之光，其中該裝置之外表面之至少部分具有一可光固化材料，該可光固化材料在由該第一波長之光的照明之後而固化，且該可光固化材料在固化狀態提供選自散射材料、吸收材料及反射材料之群組的一材料。
本發明之此態樣係關於一種中間產品，即，在施加固化塗覆材料之後但在固化該塗覆材料之前的裝置。
在一第三態樣中，本發明係關於一種波長轉換發光裝置，該波長轉換發光裝置包括具有一發光表面之一發光二極體，一波長轉換材料配置在該發光表面上，該發光表面經調適以接收由該發光二極體發射之光且轉換該光之至少部分為不同波長之光，其中選自散射材料、吸收材料及反射材料群組之一固化材料被選擇性地配置於該裝置之外表面之特定位置，且該等特定位置係選自該第一波長之光遇到該側向邊緣之位置。
本發明之此態樣係關於一最終產品，亦即，在固化可固化塗覆組合物之後的裝置。
應進一步注意的是，本發明係關於申請專利範圍中之所有可能之組合。
於圖1繪示本發明之一例示性實施例之一裝置。此實施例中之波長轉換裝置100包括一發光二極體(LED)晶片101，該發光二極體(LED)晶片101具有向上面向發光表面102之一光。一自我支撐波長轉換本體103係藉由一透射接合材料104而被光學地且實體地接合至該二極體101之發光表面102。
該發光二極體101發射一第一波長(或具有一第一峰值強度之一第一波長間隔)之光，光主要係穿過該發光二極體101之發光表面。
該波長轉換本體103經調適以接收及吸收該二極體102發射之光之至少部分且轉換該所吸收之光為一第二、更高波長(或具有在一更高波長處之一峰值強度的一第二波長間隔)之光。波長轉換係歸因於包含在波長轉換本體中之波長轉換材料(諸如螢光材料及/或磷光)而引起。
該波長轉換裝置100通常被配置於一基板120上且該LED晶片通常連接至導線(圖中未繪示)以驅動該LED晶片。
波長轉換程度係穿過該光波長轉換本體103之路徑長度之一個因數。因此，在裝置之外表面110之特定位置，光穿過波長轉換本體103之路徑短，或未經轉換光能夠到達外表面而未穿過波長轉換本體，諸如接合材料104之側向邊緣114，未經轉換光之強度(即，該第一波長之光)將到達此外表面。
為阻止具有高強度之未經轉換光離開該裝置，一塗覆材料被配置於未經轉換光將離開該裝置之處之位置。
典型地，此等位置包含該透射接合材料之側向邊緣114及該LED晶片101之側向邊緣。
正如本文所使用，一發光二極體或LED指代熟悉此技術者已知之任何類型發光二極體，且包含習知基於無機之LED、基於無機之LED(OLED)及基於聚合物之LED。
該LED晶片較佳的係「覆晶」類型，其中兩導線均被配置於該晶片的同一側。此種設計促進配置波長轉換本體在該裝置之發光表面上。然而，其他類型之LED晶片也被設想用於本發明中。
本發明中使用之LED可發射任何顏色之光，從紫外線範圍、整個可見光範圍至紅外光範圍。然而，由於波長轉換材料習知地藉由一紅移轉換光，所以經常希望使用發射紫外線/藍色範圍中之光的一LED，因為此光實質上可被轉換為任何其他顏色之光。
本發明中使用之波長轉換材料較佳為螢光材料及/或磷光材料，其藉由未經轉換光而受激發且在鬆弛之後發射光。
在一當前較佳實施例中，該波長轉換本體被塑形為一自我支撐波長轉換本體，其包括波長轉換材料或由波長轉換材料組成。
在一實施例中，該自我支撐波長轉換本體可包括實質上波長轉換材料或尺寸穩定之基質材料之一壓製陶瓷轉換材料，例如(但不限於)PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，或可用粒子摻雜及具有嵌入波長轉換粒子之其他材料。在另一實施例中，該自我支撐波長轉換本體可包括具有97%以上之理論固態密度之一陶瓷材料。
可形成發光陶瓷層之螢光粉之實例包含：具有通式(Lu1-x-y-a-bYxGdy)3(Al1-zGaz)5O12：CeaPrb，其中0<x<1，0<y<1，0<z0.1，0<a0.2及0<b0.1之鋁石鎦石螢光粉，諸如在介於黃綠光範圍之間發光之Lu3A15O12：Ce3+與Y3A15O12：Ce3+；以及(Sr1-x-yBaxCay)2-zSi5-aAlaN8-aOa：Euz2+，其中0a<5，0<x1，0y1，且0<z1，諸如在紅光範圍內發光之Sr2Si5N8：Eu2+。合適之Y3A15O12：Ce3+陶瓷板可從美國北卡羅來納州Baikowski International Corporation of Charlotte購買。其他綠色、黃色及紅色發光螢光粉也係合適的，包含：(Sr1-a-bCabBac)SixNyOz：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)，例如，包含SrSi2N2O2：Eu2+；(Sr1-u-v-xMguCavBax)(Ga2-y-zAlyInzS4)：Eu2+，例如，包含SrGa2S4：Eu2+；Sr1-xBaxSiO4：Eu2+；及(Ca1-xSrx)S：Eu2+，其中0<x1，例如，包含CaS：Eu2+與SrS：Eu2+。
該自我支撐波長轉換本體典型被塑形為一平板或一半球形本體(具有朝向該LED之一平面)，或可適合裝置應用之其他形狀。本發明中使用之平板形波長轉換本體典型具有介於10微米至1000微米之一厚度，諸如大約100微米至500微米，例如在250微米左右。
用於當光學地且實體地接合一自我支撐波長轉換本體到一LED上時使用之接合材料較佳地係實質上透射，至少透射第一波長之未經轉換光。
適合使用之接合材料之實例取決於應用、LED之發光表面之材料、波長轉換本體之材料且取決於該接合材料被暴露之溫度。
接合材料之實例包含例如低熔玻璃、環氧樹脂材料、透射聚合物與矽氧烷，例如聚矽氧烷。
舉例而言，可藉由晶圓接合、燒結、用已知有機黏著劑(諸如環氧樹脂或矽酮)之薄層膠黏、用高折射率無機黏著劑膠黏及用溶膠凝膠玻璃膠黏，將發光陶瓷層附著至發光裝置。
高折射率無機黏著劑之實例包含高折射率光學玻璃，諸如Schott玻璃SF59、Schott玻璃LaSF 3、Schott玻璃LaSF N18，及其等之混合物。該等玻璃通常具有大於1.8之折射率且可從位於Pa Duryca的Schott Glass Technologies Incorporated購得。其他高折射率黏著劑之實例包含：高折射率硫系玻璃，諸如(鍺、銻、鎵)(硫、硒)硫族玻璃；III-V族半導體，包含但不限於GaP、InGaP、GaAs及GaN；II-VI半導體，包括但不限於ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe及CdTe；IV族半導體及化合物，包含但不限於矽與鍺；有機半導體；金屬氧化物，包括但不限於氧化鎢、氧化鈦、氧化鎳、氧化鋯、氧化銦錫、鉻氧化物；金屬氟化物，包括但不限於氟化鎂與氟化鈣；金屬，包括但不限於鋅、銦、鎂、錫；釔鋁石鎦石(YAG)；磷化合物；砷化合物；銻化合物；氮化合物；高折射率有機化合物；以上之混合物或合金。用高折射率無機黏著劑膠黏更詳細描述於2000年9月12日申請之申請案第09/660,317號及2001年6月12日申請之申請案第09/880,204號，該兩案以引用的方式併入本文中。
溶膠凝膠玻璃更詳細描述於美國專利第6,642,628號中，該案以引用的方式併入本文中。在發光陶瓷係藉由溶膠凝膠玻璃附著至該裝置的實施例中，一或多種材料(諸如鈦、鈰、鉛、鎵、鉍、鎘、鋅、鋇或鋁之氧化物)可包含於二氧化矽溶膠凝膠玻璃中，以增加該玻璃之折射率，以更加嚴密地匹配於該玻璃之發光陶瓷折射率及發光裝置之折射率。例如，一Y3Al5O12：Ce3+陶瓷層可具有介於1.75與1.8之間之一折射率，且可附著至一半導體發光裝置之藍寶石生長基板，藍寶石基板具有大約1.8之一折射率。希望黏著劑之折射率匹配於Y3Al5O12：Ce3+陶瓷層及藍寶石生長基板之折射率。
用於本發明之塗覆材料係一種可光固化塗覆材料，該可光固化塗覆材料在固化之後形成一光阻擋，通常係一種散射材料、吸收材料或反射材料。如本文所用，「阻光材料」指代一種阻擋未經轉換光之至少一主要部分(諸如80%以上，例如，95%以上，較佳地係實質上100%)穿過阻光材料透射的材料。有許多材料之實例可被用於此目的。
通常，散射粒子、吸收粒子或反射粒子分散在一可固化介質中，較佳具有高黏度。
例如，散射粒子(諸如金屬氧化物、反射性金屬薄片及/或吸收染料或顏料)可分散在該固化介質中。
當涉及到散射粒子，介質中之濃度通常足夠高以在固化之後形成一實質上不透明之塗層。
例如，TiO2粒子(諸如具有亞微米直徑)可用於作為散射粒子。
該可光固化塗覆材料經調適以在用第一波長之有效固化強度之光的照明之後局部固化。進一步較佳的是，可光固化塗覆材料實質上不反應於第二經轉換波長之光之照明。至少，較佳的是，實現該固化塗覆材料之固化所需之該第二波長之強度高於在本發明中之波長轉換裝置通常可達成之強度。
該可光固化塗覆材料之固化介質典型包括一可聚合材料，諸如但不限於環氧樹脂及聚乙烯醇。該可聚合材料本質上可在藉由該第一波長之光(亦即未經轉換光)照明(即，活化)之後起反應，或可替代地或另外包含一光誘發聚合反應起始劑。
在一典型實施例中，該第一波長之光係在紫外光或藍光波長範圍內，且因此在該波長範圍內且高於一定強度之光應實現聚合反應，而較佳在綠光、黃光及紅光波長範圍內之光在任何合適程度上不實現聚合反應。
較佳地，該塗覆材料之固化應進一步局部化於被照明區域，亦即，固化之起始端不應開始導致全部塗覆材料塊體完全固化的一連鎖反應或類似項。或者，若此類連鎖反應出現，則連鎖反應應緩慢進行以允許移除未固化材料。
OctacatTM(可購自美國紐約Waterford之General Electric的矽酮產品)或FC530(可購自3M公司)Dentsply的Prime and Bond(可購自美國Milford之Dentsply Caulk,包括)係此類紫外光/藍光固化塗覆材料之非限制實例。
圖2a至圖2d概要繪示一種根據本發明之方法。圖2a繪示在塗敷可光固化塗覆組合物之前之一波長轉換發光裝置。
該可光固化塗覆材料105典型地塗敷於波長轉換裝置100之外表面110所需要之部分，諸如在波長轉換材料之側向表面、接合材料104之側向邊緣114及該LED晶片101之側向表面(圖2b)。
請注意，該可光固化塗覆材料105在其上之一波長轉換裝置100代表本發明之一設想態樣。
此後，該LED晶片101被啟動，導致在強度足夠強以實現固化(即，一有效強度)的第一波長之光遇到塗覆材料105處的位置照明及固化塗覆材料105(圖2c)。
最後，可從該裝置移除任何未固化塗覆材料105，導致在一波長轉換發光裝置100，其中一被固化阻光材料(散射、吸收或反射)115被配置於高強度之未經轉換光否則將離開該裝置之位置(圖2d)。
熟知此技術者意識到本發明決不受限於以上所述之較佳實施例。相反，在隨附申請專利範圍之範疇圍內，許多修改及變更係可能的。例如，一個以上(諸如兩個或兩個以上)發光二極體可接合至一個且及相同的自我支撐波長轉換本體。此外，應注意的是，儘管上文說明書主要引用包含在一自我支撐波長轉換本體中之一波長轉換材料，然而本發明不侷限於此，且該波長轉換材料例如可噴霧沈積作為該LED之發光表面之上之粉末。
100．．．波長轉換發光裝置
101．．．發光二極體
102．．．發光二極體
103．．．自我支撐本體
104．．．接合材料
105．．．可光固化塗覆材料
110．．．外表面
114．．．側向邊緣/側向表面
115．．．阻光材料/阻光塗覆材料
120．．．基板
圖1繪示本發明之一波長轉換裝置；圖2a至圖2d以一流程圖繪示一種用於製造本發明波長轉換裝置之本發明方法。
100．．．波長轉換裝置
101．．．發光二極體晶片/發光二極體
102．．．發光表面
103．．．波長轉換本體
104．．．透射接合材料
110．．．外表面
114．．．側向邊緣/側向表面
115．．．阻光塗覆材料
120．．．基板

Claims (12)

  1. 一種用於製造一波長轉換發光裝置之方法，其包括：提供用於發射一第一波長之光之一發光二極體(101)，該發光二極體(101)具有一發光表面(102)，一波長轉換材料(103)配置在該發光表面(102)上，該發光表面(102)經調適以接收由該發光二極體(101)發射之光且轉換該所接收光之至少部分為一第二波長之光；在該波長轉換發光裝置(100)之外表面(110)之至少部分上配置一可光固化塗覆(light curable coating)材料(105)，其中藉由一有效強度之該第一波長之光的照明誘發(induce)該可光固化塗覆材料之固化；及藉由使用該發光二極體(101)照明該可光固化塗覆材料(105)而固化該可光固化塗覆材料(105)之至少部分，以形成一固化阻光(light blocking)材料(115)。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括移除未固化塗覆材料之步驟。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該波長轉換材料(103)被包含在一自我支撐波長轉換本體中。
  4. 如請求項3之方法，其中該自我支撐波長轉換本體(103)係藉由一光透射接合層(104)而被配置於該發光二極體(101)上，且其中該可光固化塗覆材料被配置於該接合材料(104)之側向表面(114)上。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該可光固化塗覆材料(105)係選自由環氧樹脂及聚乙烯醇組成之群組。
  6. 如請求項1或2之方法，其中該可光固化塗覆材料(105)實質上不對由該波長轉換材料所轉換之光起反應。
  7. 一種波長轉換發光裝置(100)，其包括用於發射一第一波長之光之一發光二極體(101)，該發光二極體(101)具有一發光表面(102)，一波長轉換材料(103)配置在該表面(102)上，該發光表面(102)經調適以接收由該發光二極體(101)發射之光之至少部分且轉換該光之至少部分為一第二波長之光，其特徵在於：該裝置(100)之外表面(110)之至少部分具有一可光固化塗覆材料(105)，該可光固化塗覆材料在藉由該第一波長之光照明之後固化；及該可光固化塗覆材料(105)在固化狀態係阻擋光的(light blocking)，且選自散射材料、吸收材料及反射材料之群組。
  8. 如請求項7之波長轉換發光裝置，其中該波長轉換材料(103)被包含在一自我支撐波長轉換本體中。
  9. 如請求項8之波長轉換發光裝置，其中該波長轉換本體(103)藉由一光透射接合材料(104)而配置於該發光表面(102)上，且其中該接合材料(104)之側向表面(114)具有該可光固化塗覆材料(105)。
  10. 一種波長轉換發光裝置(100)，其包括用於發射一第一波長之一發光二極體(101)，該發光二極體(101)具有一發光表面(102)，一波長轉換材料(103)配置在該發光表面(102)上，該發光表面(102)經調適以接收由該發光二極 體(101)發射之光之至少部分且轉換該光之至少部分為一不同波長之光，其中：於該裝置(100)之外表面(110)之特定位置上選擇性地配置一固化塗覆材料，該固化塗覆材料阻擋光的，並且係選自散射材料、吸收材料及反射材料之群組；及該等特定位置係從該第一波長之光會遇(encounter)該外表面(110)之位置中選擇。
  11. 如請求項10之波長轉換發光裝置，其中該波長轉換材料(103)被包含在一自我支撐波長轉換本體中。
  12. 如請求項11之波長轉換發光裝置(100)，其中該自我支撐波長轉換本體(103)係藉由一光透射接合材料(104)而接合於該發光二極體，該接合材料(104)之側向表面(114)具有該塗覆材料。
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