TWI400816B - 具轉換結構之發光裝置 - Google Patents
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Description
本發明係關於包括LED之發光裝置之領域。
如今之LED通常發射在30流明至60流明之範圍內之光。此意謂著(例如)對於一汽車前燈而言，至少需要20至40個LED以取代一習知鹵素燈。甚至對於即將產生之下一代LED，估計所需要的LED之數目將僅減少最大為50%。另一方面，由於該等LED在持續操作期間變熱，故不可能在不具有在LED之間的某些數量距離之情況下"封裝"或配置LED。此意謂具有緊密封裝之LED的燈的鏡片將變得非常大，或每一LED將需要其自身之燈鏡片。此外，不可能藉由光學構件(諸如，鏡子等)"集中"由該等LED發出之光。
因此，本發明之一目標為提供一種發光裝置，其自較小體積發出具有較高流明通量(意即，高亮度)的光。
此目標由一發光裝置達成，該發光裝置包含至少一個LED，該至少一個LED發出在220 nm至550 nm之波長範圍內之光；及至少一個轉換結構，該至少一個轉換結構朝向該至少一個LED置放且無光學接觸，該轉換結構將該來自該至少一個LED之光至少部分地轉換成在300 nm至1000 nm之波長範圍內之光，其特徵在於該至少一個轉換結構具有一1.5且3之折射率n及2：1且50000：1之比率A：E，其中A及E定義如下：該至少一個轉換結構包含至少一個入口表面，其中由該至少一個LED發出之光可進入該轉換結構；及至少一個出口表面，其中光(較佳為用於燈之光學系統之光)可退出該至少一個轉換結構，該等至少一個入口表面之每一者具有一入口表面積，該(等)入口表面積編號為A1
...An
，且該(等)至少一個出口表面之每一者具有一出口表面積，該(等)出口表面積編號為E1
...En
，且該(等)至少一個入口表面積之每一者之和A為A＝A1
＋A2
...＋An
且該(等)至少一個出口表面積之每一者之和E為E＝E1
＋E2
...＋En
。
藉由如此，與LED相比，可能獲得一將較高光通量與大大增加之亮度組合的燈。
根據本發明，該發光裝置包含至少一個LED，其發出波長範圍為220 nm且550 nm的光。具有在此波長範圍中之發射率之LED實務上已證明其自身。根據本發明之較佳實施例，該發光裝置包含至少一個LED，其發出波長範圍為250 nm且500 nm(更佳為300 nm且480 nm)的光。
根據本發明，該發光裝置包含至少一個轉換結構，其包含至少一個入口表面A，其中由該至少一個LED發出的光可進入該轉換結構。在吸收之後，由該轉換結構重發出的光可經由該入口表面僅連同在材料之逃逸錐面內發出之部分一起離開。所發出之光之主要部分將在該轉換結構內截獲並藉由全內反射導出至一出口表面。
為增強此處理，根據本發明之較佳實施例，該至少一個入口表面具有一1 nm且500 nm之粗糙度Ra，該粗糙度Ra較佳為10 nm且100 nm且更佳為20 nm且40 nm。藉由其效能，確實可能將光集中於該光轉換結構之出口表面E處。
根據本發明，該(等)轉換結構及該(等)LED彼此相對地置放且無光學接觸。此特徵尤其重要，以便於達到所要的光通量。在本發明之意義上，光學接觸意謂(詳言之)該轉換結構之折射率nc
高於實體接觸該轉換結構之介質、結構、裝置及/或LED之折射率nm
。
根據本發明之較佳實施例，該(等)LED與該(等)轉換結構直接實體接觸，但該(等)LED之每一者具有比該(等)轉換結構低之折射率。
然而，根據本發明之另一較佳實施例，該(等)LED與該(等)轉換結構彼此相隔一距離置放。在此情況下，較佳地，該(等)轉換結構與該(等)LED之間的距離為1 μm且100 mm，較佳為100 μm且10 mm且更佳為1 mm且5 mm。
除了該等LED與該轉換層之分離之光學功能之外，根據本發明之另一較佳實施例，具有該轉換層與該等LED之熱去耦亦係有利的。在許多應用中，由於溫度恰好超過100℃，故轉換處理之效率顯著減低。在本發明之另一較佳實施例中，將特定冷卻構件應用於該發光裝置，以將在該轉換層及該(等)LED內產生之熱傳送至在該裝置之外的散熱片，較佳地如上所述，該(等)LED與該(等)轉換結構彼此相隔一距離置放。可藉由強力吹風及/或藉由液體冷卻(意即，用泵使液體包圍該轉換層)實現此冷卻。在本發明之此較佳實施例中，冷卻構件因此為一液體，較佳為選自包含基於水、油、丙二酯、乙二酯、乙二醇基系統及其混合物之組的液體。在後者之情況下，液體之折射率應儘可能地低，以防止所發出之光穿過該轉換層之表面A的光提取。該轉換層之折射率nc
與該液體之折射率n1
之差為0.1nc
－n1 3，較佳為0.3nc
－n1 2.5且更佳為0.5nc
－n1 2。
根據本發明，進入該轉換結構之光至少部分地轉換為波長範圍為300 nm且1000 nm的光。藉由如此轉換，發光裝置將發出在一適於廣泛變化之應用之波長範圍中的光。根據本發明之較佳實施例，進入該轉換結構之光至少部分地轉換為波長範圍為350 nm且880 nm(更佳為380 nm且780 nm)的光。
根據本發明，該轉換結構包含至少一個出口表面，其中光可退出該轉換結構。為增強此，根據本發明之較佳實施例，使該至少一個出口表面裝備折射及/或繞射結構或表面。此意謂使該至少一個出口表面裝備一散射結構、一類金字塔結構、一微透鏡結構或一複合式拋物線聚能器(CPC)。該出口表面可含有一或複數個所指出之結構。出口結構之幾何形狀亦可用於導引自出口表面之所發出之光以適合一應用之任何要求。
根據本發明，該等至少一個入口表面之每一者具有一入口表面積，該(等)入口表面積編號為A1
...An
，且該(等)至少一個出口表面之每一者具有一出口表面積，該(等)出口表面積編號為E1
...En
，且該(等)至少一個入口表面積之每一者An
之和為A＝A1
＋A2
...＋An
且該(等)至少一個出口表面積之每一者En
之和為E＝E1
＋E2
...＋En
。且比率A：E(A及E定義如上)為2：1且50000：1。
此特徵為本發明之尤其重要特徵之一。藉由其效能，可將該LED之光通量設定於較佳及所要範圍內。根據本發明之較佳實施例，比率A：E(A及E定義如上)為5：1且5000：1，更佳為10：1且3000：1、又更佳為20：1且1000：1，且最佳為50：1且500：1。
根據本發明，該至少一個轉換結構具有1.5且3之折射率n。藉由其效能，可容易地達成LED之功效在所要範圍內。尤其，藉由如上所述設定折射率，進入如上所述之轉換結構的光將在轉換結構之側面/表面(其並非出口表面)經歷全反射。來自該等LED之穿過轉換結構之出口表面而發出(或者轉換之後)的光之部分(與完全地發出之光相比)可高達
其中n為該轉換結構之折射率。此導致一非常高效之發光裝置產生。較佳地，該至少一個轉換結構具有1.7且2.8之折射率，更佳地為1.8且2.6之折射率。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構對所發出之光具有0.8且1之透射率。此大大增強了發光裝置之功效。較佳地，該轉換結構之透射率為0.9且1，更佳地為0.95且1。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構之溫度為T時之量子效率與溫度為20℃時之量子效率的關係(熱浮火)在100℃為70%且100%，較佳在100℃為80%且100%且最佳地在100℃為90%且100%。
根據本發明之較佳實施例，與為室溫時之量子效率相比，該轉換層之量子效率降低至50%所處之溫度(＝TQ5 0 %
－值)為120℃且400℃，較佳地為150℃TQ5 0 % 350℃且更佳地為180℃TQ5 0 % 300℃。
根據本發明之較佳實施例，來自該等LED之光之50%且100%，較佳地70%且100%且最佳地90%且100%由轉換結構吸收且轉換成一大於LED發射波長之波長。該等LED及由該轉換結構發出的光之發射波長分別被稱為用於LED及該轉換結構之發射光譜的平均波長。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構之出口表面處之亮度L出 口
為用於該發光裝置之平均LED亮度LL E D
的0.1且300倍，更佳為1×LL E D L出 口 100×LL E D
且最佳為3×LL E D L出 口 40×LL E D
。在本發明之意義上，詳言之，平均LED亮度為由LED組件區域分開之LED組件發出之每一球面度的相對亮度(lumen fraction)。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構基本上係由一單晶材料及/或一立方單體多晶材料所製成，其較佳為光學各向同性及/或非雙折射。此等材料滿足如用於本發明之適當之轉換結構所需的要求。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構基本上係由自包含以下材料之群中選出之材料所製成：(MI 1 － x － y
MI I x
MI I I y
)3
(MI V 1 － z
MV z
)5
O1 2
－其中MI
係自包含Y、Lu或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Gd、La、Yb或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或其混合物之群中選出，MI V
係Al，MV
係自包含Ga、Sc或其混合物之群中選出，且0x1，0y0.1，0z1，(MI 1 － x － y
MI I x
MI I I y
)2
O3
－其中MI
係自包含Y、Lu或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Gd、La、Yb或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或其混合物之群中選出，且0x1，0y0.1，(MI 1 － x － y
MI I x
MI I I y
)S1 － z
Sez
－其中MI
係自包含Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物之群中選出，且0x0.01，0y0.05，0z1，(MI 1 － x － y
MI I x
MI I I y
)O－其中MI
係自包含Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物之群中選出，且0x0.1，0y0.1，(MI 2 － x
MI I x
MI I I 2
)O7
－其中MI
係自包含La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物之群中選出，且0x1，(MI 1 － x
MI I x
MI I I 1 － y
MI V y
)O3
－其中MI
係自包含Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或其混合物之群中選出，MI I
係自包含Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物之群中選出，MI I I
係自包含Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物之群中選出，且MI V
係自包含Al、Ga、Sc、Si或其混合物之群中選出，且0x0.1，0y0.1，或其混合物。
根據本發明之較佳實施例，該轉換結構包含至少一個其它表面，其既不是一出口表面亦不是一入口表面，且其中至少一個，但較佳地所有該(等)其它表面具備一反射塗層，較佳地為一鏡子或一介電塗層或其混合物。藉由其效能，可進一步增強該(等)轉換結構及該發光裝置之功效。該鏡子較佳地藉由濺鍍或真空蒸發直接施加於該既不是出口表面亦不是入口表面之至少一個其它表面上。鏡子材料較佳地自一包含銀、鋁及/或其混合物之組選擇。鏡子之厚度較佳為50 nm且1000 nm。
根據本發明之較佳實施例，經配置以照射該轉換層之入口表面之該等LED個別地或以晶粒封裝安裝於一充當熱導體並提供用於操作之電接觸的單個支撐板上。該或該等支撐板亦可含有用於LED保護、操作及控制之主動電子元件。另外，根據本發明之較佳實施例，在支撐板上之LED晶粒以光學結構覆蓋以最優化該等LED晶粒之光輸出。
在本發明之另一較佳實施例中，LED以0.05且0.5，較佳為0.1且0.3之封裝密度安裝於支撐板上。該封裝密度為LED晶粒表面積之和與支撐板之表面積的比率。藉由如此，可能實現具有特別高的流明通量及以較高功率效率之較高亮度的發光裝置，其係藉由該等LED之有效冷卻，因此保持接面溫度低於該等LED之指定值而達成。
根據本發明之發光裝置可用於很多種系統及/或應用，包括以下之一或多個：家庭應用系統、商店照明系統、家庭照明系統、強調照明系統、聚光照明系統、影院照明系統、光纖應用系統、投影系統、自照明顯示系統、像素化(pixelated)顯示系統、分段顯示系統、警告標誌系統、醫學照明應用系統、指示器標誌系統及裝飾照明系統、攜帶型系統及汽車應用。
根據本發明，在所描述之實施例中，前述組件以及所主張之組件及待使用之組件關於其大小、形狀、材料選擇及技術概念不經受任何特定例外，因此可在無限制的情況下應用相關領域中之已為吾人熟知之選擇準則。
本發明之目標之額外細節、特徵、特性及優點揭示於附屬項、圖式、實例及個別圖式及實例之以下描述中，其以例示性方式展示根據本發明之發光裝置的若干較佳實施例。
圖1展示根據一第一實施例之發光裝置1之示意性橫截面部分視圖。如自圖1可見，轉換結構10具有類似長方體之類層結構。其包含兩個入口表面100及110(歸因於透視其在圖1中不可見)及一個出口表面200。兩入口表面之表面積分別為A1
及A2
，產生為A1
＋A2
之A。由於僅存在一個具有出口表面積E1
之出口表面，故作為每一該等至少一個出口表面積之和的數字E將僅為E＝E1
。設定比率A：E10：1且比率A：E10000：1；在此實例中，A：E可為約30：1。然而，應注意，圖1之實施例為高度示意性的且該比率可與其它應用不同。
其它表面300(雖然其有三個，但圖1中僅指示了一個)具備一鏡子，其在圖1中亦不可見。在入口表面100及110之光學距離內提供若干LED 40，其將光發射入該等入口表面。可將LED提供於並非本發明之部件之其它部件(由虛線指示並參看50及60)上。圖2展示圖1之發光裝置之轉換結構10的透視圖。
應注意，在此實施例中存在兩個入口表面及僅一個出口表面。然而，此並不意欲理解為限制意義；只要A與E(如上所述，A為入口表面之表面積之和，E為出口表面之出口表面積之和)之間的比率落於本發明範圍內，在本發明內可任意地設定入口表面及出口表面之數目。
圖3展示根據本發明之第二實施例之發光裝置的若干LED 40'的完全示意性俯視圖。已省略可安裝於及/或提供於LED上之其它部件。為說明起見，展示轉換結構10'之相應入口表面100'。如自圖3可見，可將LED 40'提供於其之間具有足夠空間之類柵格結構中，以避免LED變得過熱。LED 40'以0.05且0.5之封裝密度安裝。
圖4展示根據本發明之第三實施例之具有一入口表面100"及一出口表面200"的轉換結構10"的透視圖。為平均地增強A與E之間的比率(如上所述，A為入口表面之表面積之和，E為出口表面之出口表面積之和)，可將轉換結構設定為不同於長方體之形狀，該轉換結構之入口表面稍微具有梯形形狀。藉由如此設定，可平均地增強光通量，其利於某些應用。
此外，根據本發明之僅在一例示性實施例中之發光裝置由以下實例說明：實例1：1000 ml之0.5279 M之Lu(NO3
)3
(H2
O)6
溶液(由將Lu2
O3
(Rhodia)溶解入硝酸中製成)與4241.4 ml之0.2089 M的NH4
Al(SO4
)2
(H2
O)1 2
溶液(Alfa Aesar)及2.320 g的Pr(NO3
)3
(H2
O)6
(Aldrich)混合。接著，在攪拌之同時緩慢添加1123 g(NH4
)HCO3
在8000 ml脫礦質水中之溶液(80 ml/min)。將該沉澱以水洗滌、乾燥且在CO大氣中在1100℃下煅燒3小時。
接著，在乙醇中用2 mm的氧化鋁球將陶瓷前驅粉研磨4小時、乾燥併用PVA(聚乙烯醇)黏合劑使其成顆粒。藉由冷單軸向加壓(3.2 kbar)形成綠色陶瓷體。藉由在1750℃下燒結－熱等靜壓(sinter－HIP)(2小時之無壓力之燒結＋10小時之以1 kbar之在氬中之燒結)進行燃燒。由於此起始材料，形成具有尺寸為4×30×1 mm3
之"類盒"形狀的轉換結構，該轉換結構之折射率為約1.8。
接著，以將兩個4×30 mm2
表面設計為入口表面而將一個4×1 mm2
表面設計為出口表面之方式，如上所述使該轉換結構成型並提供。隨後，在空氣中在1250℃下將該轉換結構後退火12小時。
其它表面具備鏡子。此使得A為240 mm2
，E為4 mm2
之，因此使得比率A：E為60：1；A及E如上所述定義。
接著，將該轉換結構安裝於具有一打開之5×8 mm2
側面的5×35×8 mm3
盒中。兩個5×35 mm2
側面承載20個1 mm2
之發藍光LED，其平行且串聯地連接至一適合外部電源。當該等LED在40 W之電輸入功率下一起操作時，陶瓷之出口表面處之流明通量在350流明之總通量時為15 MCd/m2
。
圖5展示根據實例製造之發光裝置之發射光譜及該等所使用之LED之一者的發射光譜。可見，儘管不同LED僅具有覆蓋小於100 nm(最大值約450 nm)之一較小發射光譜，但可達到超過所要波長區之非常寬的光譜。
10．．．轉換結構
10'．．．轉換結構
10"．．．轉換結構
40．．．LED
40'．．．LED
50．．．其它部件
100．．．入口表面
110．．．入口表面
100'．．．入口表面
100"．．．入口表面
200．．．出口表面
200"．．．出口表面
300．．．其它表面
圖1展示根據一第一實施例之發光裝置之示意性橫截面部分視圖。
圖2展示圖1之發光裝置之轉換結構的透視圖。
圖3展示根據本發明之第二實施例之發光裝置的若干LED的完全示意性俯視圖。
圖4展示根據第三實施例之發光裝置之轉換結構的透視圖。
圖5為展示根據實例1之發光裝置及用於該發光裝置之LED的發射光譜的圖式。
10．．．轉換結構
40．．．LED
50．．．其它部件
100．．．入口表面
110．．．入口表面
200．．．出口表面
300．．．其它表面
Claims (10)
- 一種發光裝置，其包含：至少一個發光二極體(LED)，該至少一個LED發出在220 nm至550 nm之波長範圍內之光；及至少一個轉換結構，該至少一個轉換結構朝向該至少一個LED置放且無光學接觸，該轉換結構將該來自該至少一個LED之光至少部分地轉換成在300 nm至1000 nm之波長範圍內之光，其特徵在於該至少一個轉換結構具有一1.5且3之折射率n及2：1且50000：1之比率A：E，其中A及E定義如下：該至少一個轉換結構包含：至少一個入口表面，其中由該至少一個LED發出之光可進入該轉換結構；及至少一個出口表面，其中光可離開該至少一個轉換結構，該等至少一個入口表面之每一者具有一入口表面積，該(等)入口表面積編號為A1 ...An ，且該(等)至少一個出口表面之每一者具有一出口表面積，該(等)出口表面積編號為E1 ...En ，且該(等)至少一個入口表面積之每一者之和A為A=A1 +A2 ...+An 且該(等)至少一個出口表面積之每一者之和E為E=E1 +E2 ...+En 。
- 如請求項1之發光裝置，其中該轉換結構之所發出之光的透射率為0.8且1。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該至少一個轉換結構之該至少一個入口表面區域具有一1 nm且500 nm之表面粗糙度。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該轉換結構之熱淬火在 100℃為70%且100%及/或TQ50 %值為120℃且400℃。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中自該等LED進入該轉換結構之該光之50%且100%係由該轉換結構予以轉換。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該轉換結構之該出口表面處之亮度L出口 為用於該發光裝置之平均LED亮度LLED 的0.1倍且300倍。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該轉換結構基本上係由一單晶材料及/或一立方單體多晶材料所製成。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該轉換結構基本上係由自包含以下材料之群中選出之材料所製成：(MI 1-x-y MII x MIII y )3 (MIV 1-z MV z )5 O12 -其中MI 係自包含Y、Lu或其混合物之群中選出，MII 係自包含Gd、La、Yb或其混合物之群中選出，MIII 係自包含Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu或其混合物之群中選出，MIV 係Al，MV 係自包含Ga、Sc或其混合物之群中選出，且0x1，0y0.1，0z1，(MI 1-x-y MII x MIII y )2 O3 -其中MI 係自包含Y、Lu或其混合物之群中選出，MII 係自包含Gd、La、Yb或其混合物之群中選出，MIII 係自包含Tb、Pr、Ce、Er、Nd、Eu、Bi、Sb或其混合物之群中選出，且0x1，0y0.1，(MI 1-x-y MII x MIII y )S1-z Sez -其中MI 係自包含Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物之群中選出，MII 係自包含Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr、Sb、Sn或其混合物之群中選出，MIII 係自包含K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物之群中選出， 且0x0.01，0y0.05，0z1，(MI 1-x-y MII x MIII y )O-其中MI 係自包含Ca、Sr、Mg、Ba或其混合物之群中選出，MII 係自包含Ce、Eu、Mn、Tb、Sm、Pr或其混合物之群中選出，MIII 係自包含K、Na、Li、Rb、Zn或其混合物之群中選出，且0x0.1，0y0.1，(MI 2-x MII x MIII 2 )O7 -其中MI 係自包含La、Y、Gd、Lu、Ba、Sr或其混合物之群中選出，MII 係自包含Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物之群中選出，MIII 係自包含Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物之群中選出，且0x1，(MI 1-x MII x MIII 1-y MIV y )O3 -其中MI 係自包含Ba、Sr、Ca、La、Y、Gd、Lu或其混合物之群中選出，MII 係自包含Eu、Tb、Pr、Ce、Nd、Sm、Tm或其混合物之群中選出，MIII 係自包含Hf、Zr、Ti、Ta、Nb或其混合物之群中選出，且MIV 係自包含Al、Ga、Sc、Si或其混合物之群中選出，且0x0.1，0y0.1，或其混合物。
- 如請求項1或2之發光裝置，其中該轉換結構包含至少一個其它表面，其既不是一出口表面亦不是一入口表面，且其中至少一個，但較佳地所有該(等)其它表面具備一反射塗層，較佳地為一鏡子。
- 一種包含如請求項1至9中任一項之發光裝置之系統，該系統用於一或多個以下應用：家庭應用系統、商店照明系統、家庭照明系統、強調照明系統、聚光照明系統、 影院照明系統、光纖應用系統、投影系統、自照明顯示系統、像素化(pixelated)顯示系統、分段顯示系統、警告標誌系統、醫學照明應用系統、指示標誌系統及裝飾照明系統、攜帶型系統及汽車應用。
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