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    • 专利摘要:
    一種波長轉換結構，包含一第一螢光粉層包括複數個第一螢光粉顆粒；以及一第二螢光粉層位於第一螢光粉層上，第二螢光粉層包括複數個第二螢光粉顆粒，其中第二螢光粉顆粒的平圴粒徑不相同於第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    公开号:TW201310724A
    申请号:TW100129943
    申请日:2011-08-19
    公开日:2013-03-01
    发明作者:Min-Hsun Hsieh；Yi-Jui Chuang；Meng-Yuan Hong；Ming-Chi Hsu
    申请人:Epistar Corp；
    IPC主号:B32B5-00
    专利说明:
    波長轉換結構及其製造方法，以及包含此波長轉換結構之發光裝置
    本發明是有關於一種波長轉換結構及其製造方法，以及包含此波長轉換結構之發光裝置，特別是一種具有高光取出效率(Light Extraction Efficiency)之波長轉換結構及其製造方法，以及包含此波長轉換結構之發光裝置。
    近年來，由於能源問題逐漸受到重視，因而發展出許多新式的節能照明工具。其中，發光二極體(Light Emitting Diode，LED)具有發光效率高、耗電量少、無汞及使用壽命長等優點，成為極被看好的下一代照明工具。
    就照明用的白光LED而言，LED晶片與螢光粉搭配運用，利用藍光LED晶片所產生之藍光，激發YAG(Yttrium Aluminum Garnet，Y3Al5O12)黃色螢光粉產生黃光，再將二者混合而形成白光。
    其中常見之螢光粉塗佈方法包含敷型塗佈(Conformal Coating)及分離式螢光粉(Remote Phosphor)二種。敷型塗佈係將螢光粉直接塗佈於LED晶片上形成螢光粉層。由於是直接塗佈於LED晶片之上，此種做法具有厚度較均勻之優點。但是由於LED晶片及載板會吸收螢光粉層所發出之光，因此整體發光效率便會降低。另外，由於螢光粉係與LED晶片直接接觸，在LED晶片於操作時產生100℃至150℃的高溫的情形下，螢光粉層會因此逐漸變質退化，而影響其轉換效率。
    分離式螢光粉的做法，就是為了解決上述敷型塗佈之問題。分離式螢光粉之LED發光裝置之螢光粉層係與LED晶片分開，因此，可以儘量避免螢光粉層所發出之光直接被LED晶片吸收。也由於螢光粉層係以遠離LED晶片之方式設置，螢光粉層中之螢光粉較不易因LED晶片操作時的高溫而退化。
    螢光粉粒子接收來自LED晶片之光後，會受到激發並產生另一種顏色的光。然而，螢光粉粒子所激發產生之光線，乃是朝向所有方向，包括向內傳遞之光線，因此降低發光效率。
    根據本發明之一實施例，一種波長轉換結構，包含一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；以及一第二螢光粉層位於該第一螢光粉層上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    根據本發明之一實施例，一種波長轉換結構之製造方法，包含形成一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；形成一第二螢光粉層於該第一螢光粉層之上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    根據本發明之一實施例，一種發光裝置，包含一載板；一發光元件，設置於該載板之上；一種波長轉換結構位於該發光元件上，該波長轉換結構包含：一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；以及一第二螢光粉層位於該第一螢光粉層上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    以下，將搭配圖式就本發明之較佳實施例加以詳細說明。所列出之實施例係用以使本發明所屬技術領域中具有通常知識者得以明瞭本發明之精神。本發明並不限定於所列出之實施例，而亦可使用其他做法。在本說明書之圖式中，寬度、長度、厚度及其他類似之尺寸會視需要加以放大，以方便說明。在本說明書之所有圖式中，相同的元件符號係代表相同之元件。
    此處特別需要加以說明的是，當本說明書描述一元件或一材料層係設置於或連接於另一元件或另一材料層上時，其係可以直接設置或連接於另一元件或另一材料層之上，或者間接地設置或連接於另一元件或另一材料層之上，也就是二者之間再夾雜其他元件或材料層。相反地，若是本說明書係描述一元件或一材料層係直接地設置或連接於另一元件或另一材料層之上時，即表示二者之間沒有再設置其他元件或材料層。
    第1圖所示為本發明較佳實施例之波長轉換結構示意圖。波長轉換結構10，包括一導電基板101、一第一螢光粉層102、一第二螢光粉層103和一膠材層104。第一螢光粉層102形成於導電基板101之上，係由第一螢光粉顆粒所組成，第一螢光粉顆粒之間具有空隙。第二螢光粉層103形成於第一螢光粉層102之上，係由第二螢光粉顆粒所組成，第二螢光粉顆粒之間具有空隙。膠材層104係由膠材填入第一螢光粉層102和第二螢光粉層103的螢光粉顆粒空隙中所形成。
    導電基板101具有透明導電的性質，其材料可以包括但不限於透明導電金屬氧化物(TCO)。第一螢光粉層102形成於導電基板101的上方，包括第一螢光粉顆粒，其組成材料可以包括但不限於黃光陶瓷螢光材料，且顆粒之粒徑分佈約為225-275 nm，螢光粉顆粒間具有空隙。
    所述的第一螢光粉層102厚度約為第一螢光粉顆粒平均粒徑的1.5-4倍，以第一螢光粉顆粒之平均粒徑為225nm為例，第一螢光粉層102的厚度最小約為337nm。第二螢光粉層103形成於第一螢光粉層102的上方，組成材料可以包括但不限於黃色螢光粉，例如黃光陶瓷螢光材料。第二螢光粉層102由第二螢光粉顆粒所組成，第二螢光粉層102和第一螢光粉層102之平均粒徑比約為3:1至5:1之間，以第一螢光粉顆粒之平均粒徑為225nm為例，第二螢光粉顆粒之平均粒徑約為375-1125nm，螢光粉顆粒間具有空隙。
    膠材填入第一螢光粉層102和第二螢光粉層103空隙中，形成一膠材層104。膠材層104的組成材料包括但不限於矽膠，矽膠的折射率約為1.45。本實施例之膠材為矽膠，但是在其他實施例中亦可使用其他材料。例如玻璃(折射率為1.5~1.9)、樹脂(Resin，折射率為1.5~1.6)、二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2，折射率為2.2~2.4)、二氧化矽(Silicon Oxide，SiO2，折射率為1.5~1.7)或氟化鎂(Magnesium Fluoride，MgF，折射率為1.38)等。
    於一實施例，膠材層104的厚度等於第一螢光粉層102加上第二螢光粉層103的厚度。在另一實施例中，膠材層104的厚度大於第一螢光粉層102加上第二螢光粉層103的厚度，膠材層106的頂面會高於第二螢光粉層103的頂面，可以使波長轉換結構10的表面更平整。
    膠材層104為具有高透光度的膠材，膠材的材料也可以選用透明的金屬氧化物。在其他實施例中亦可使用其他材料。例如玻璃(折射率為1.5~1.9)、樹脂(Resin，折射率為1.5~1.6)、二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2，折射率為2.2~2.4)、二氧化矽(Silicon Oxide，SiO2，折射率為1.5~1.7)或氟化鎂(Magnesium Fluoride，MgF，折射率為1.38)等。膠材層104可以包含有機化合物或無機化合物，折射率約介於1.3至2.4。無機化合物，例如金屬氧化物，可選用和螢光粉折射率相近似的金屬氧化物，因為折射率的差異較小，可以有效減少光因全反射所造成的損失。金屬氧化物和螢光粉顆粒的折射率相近似，也可以減少光在螢光粉顆粒間的散射。
    以下，將說明本實施例之波長轉換結構10之製作方法。首先，於一導電基板101置入電泳裝置內，所述之導電基板101可以如ITO玻璃。藉由電泳技術進行螢光粉顆粒的鍍層沉積於ITO的表面上以形成一第一螢光粉層102及第二螢光粉層103。本實施例之螢光粉層102、103為一具有將入射光線之波長加以轉換之材料，例如是螢光材料(Phosphor)。沉積螢光粉層102、103不限定於電泳法，也可以包括其它可將螢光材料沉積的方法，例如重力沉積法。緊接著再以電鍍的方式將透明的膠材鍍入螢光粉層102、103中的孔隙中。本實施例中膠材的材料可以為矽膠，其折射率約為1.45。在另一實施例中，膠材也可以選用金屬氧化物(如ZnO)，所述之ZnO其折射率約為2。藉由填入與螢光粉折射率相近的透明氧化物，可以減少光的散射(scattering)損失，增加白光的出光效率。再者，以電鍍方式填入金屬氧化物可當作螢光粉顆粒的黏結劑亦可增加螢光粉層的機械強度，如第2圖SEM照片所示。沉積金屬氧化物層103不限定於電鍍，也可以包括其它可將金屬氧化物鍍入螢光粉的孔隙中的方法，例如CVD法、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)法。溶膠-凝膠法之細節已為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所習用，此處不再加以贅述。波長轉換結構10大致上具有一均一或不均一之厚度。
    第3圖所示為本發明較佳實施例之發光裝置之示意圖。發光裝置20包括一封裝基板111及一發光二極體110，所述的發光二極體110位於封裝基板111上。一導光層113覆蓋所述的封裝基板111及發光二極體110。發光裝置20包括如上述實施例之波長轉換結構10，其中所述的波長轉換結構10和發光二極體110間利用支架112分開，螢光粉不直接和發光二極體110接觸，可以儘量避免螢光粉層所發出之光直接被發光二極體110晶片吸收。也由於螢光粉係以遠離發光二極體110晶片之方式設置，螢光粉層中之螢光粉較不易因發光二極體110晶片操作時的高溫而退化。
    本實施例導光層113為光通過層，可以為具有增進光取出效率(Improved Light Extraction Efficiency)之材料層。在本實施例中，導光層113具有複數個材料層，並具有漸變折射率(Gradient Refractive Index，GRIN)。在本實施例中，導光層113的複數材料層可以為由氮化矽(Silicon Nitride，Si3N4)，其折射率為na=1.95、三氧化二鋁(Aluminum Oxide，Al2O3)，其折射率為nb=1.7、以及矽膠(Silicone)，其折射率為nc=1.45所構成的堆疊。但在其他實施例中亦可使用其他材料的組合。利用層和層間的折射率差異小，遠離發光二極體110的折射率逐漸變小所形成的漸變折射率層，可以有效地降低光線之全反射現象，所用的材料可以為：玻璃(折射率為1.5~1.9)、樹脂(Resin，折射率為1.5~1.6)、類鑽碳膜(Diamond Like Carbon，DLC，折射率為2.0~2.4)、二氧化鈦(Titanium Oxide，TiO2，折射率為2.2~2.4)、二氧化矽(Silicon Oxide，SiO2，折射率為1.5~1.7)或氟化鎂(Magnesium Fluoride，MgF，折射率為1.38)等組合。在本實施例中，發光二極體110可選用GaN藍光LED晶片，其折射率為2.4。因此，藉由堆疊的漸變折射率使層和層間的折射率差異較小，可以有效地降低光線之全反射現象。
    本實施例之發光裝置20，在導光層113上設置如上述實施例所述的波長轉換結構10，光從發光二極體110發出後，經過導光層113後進入波長轉換結構10，藉由導光層113具有的複數個材料層，材料層間的折射率的差異較小，可以有效減少光因全反射所造成的損失。當光通過導光層113入射到波長轉換結構10時，其中第二螢光粉層103較靠近發光二極體110，發光二極體110所產生的光以第二螢光粉層103為入光面，第一螢光粉層102為出光面。發光二極體110所產生的光激發第二螢光粉層103的第二螢光粉顆粒，產生一激發光線，所述的激發光線會再入射到第一螢光粉層102，第一螢光粉顆粒相對於第二螢光粉顆粒有較大的比表面積，以及第二螢光粉顆粒的體密度堆積相對於第一螢光粉顆粒體密度堆積來得緻密。當激發光線入射到第一螢光粉層102時，會造成散射現象破壞導電基板和第一螢光粉層102間的全反射。當至少部分的第一螢光粉顆粒接觸導電基板101時，如同將波長轉換結構形成介面粗化效果，所造成的散射現象會減少導電基板101和第一螢光粉層102介面的反射而增加出光效率。
    本實施例所示之發光裝置20為一平板狀之封裝結構，在其它的實施例中，波長轉換結構10的導電基板101不限於平板，也可以為凸透鏡、凹透鏡或三角錐等形狀，亦即導電基板101之表面為一平面、曲面、或曲折面。
    表1顯示本發明實施例所揭露的發光裝置20具有波長轉換結構10的測試出光強度比較表，比較波長轉換結構10具(一)將第一螢光粉顆粒和第二螢光粉顆粒混合後沉積於導電基板101上的堆疊結構、(二)第二螢光粉層103/第一螢光粉層102/導電基板101的堆疊結構、(三)第二螢光粉顆粒/導電基板101的堆疊結構、以及(四)第一螢光粉層102/第二螢光粉層103/導電基板101的堆疊結構的光學效率比較表。其中(二)第二螢光粉層103/第一螢光粉層102/導電基板101的堆疊結構，其光通量為173流明，相較於其它的堆疊結構，其光通量約增加3-4%，其結果如表一所示。
    本發明之發光裝置之較佳實施例已說明如前，但並不限於上述之方法，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神與範圍內，所完成之等效改變或修飾，均包含在本發明之申請專利範圍內
    10．．．波長轉換結構
    101．．．導電基板
    102．．．第一螢光粉層
    103．．．第二螢光粉層
    104．．．膠材層
    110．．．發光二極體
    111．．．封裝基板
    112．．．支架
    113．．．導光層113
    20．．．發光裝置
    第1圖為本發明第一實施例之波長轉換結構示意圖。
    第2圖為波長轉換結構之電子顯微鏡照片圖。
    第3圖為本發明發光裝置之示意圖。
    10．．．波長轉換結構
    101．．．導電基板
    102．．．第一螢光粉層
    103．．．第二螢光粉層
    104．．．膠材層
    权利要求:
    Claims (23)
    [1] 一種波長轉換結構，包含：一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；以及一第二螢光粉層位於該第一螢光粉層上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    [2] 如申請專利範圍第1項之波長轉換結構，更包含一導電基板於該第一螢光粉層之一側。
    [3] 如申請專利範圍第1項之波長轉換結構，其中該些第二螢光粉顆粒的平均粒徑大於該些第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    [4] 如申請專利範圍第1項之波長轉換結構，其中該些第二螢光粉顆粒的平均粒徑和該些第一螢光粉顆粒的平均粒徑比為3:1至5:1之間。
    [5] 如申請專利範圍第1項之波長轉換結構，其中該些第一螢光粉顆粒的粒徑分佈範圍介於225-275奈米，及/或其中該些第二螢光粉顆粒的粒徑分佈範圍介於740-910奈米。
    [6] 如申請專利範圍第1-5項中任一項之波長轉換結構，其中，該第一螢光粉層和該第二螢光粉層包含黃色螢光粉。
    [7] 如申請專利範圍第6項之波長轉換結構，更包括一有機化合物或無機化合物填充於該些第一螢光粉顆粒及/或該些第二螢光粉顆粒之間，其中該有機化合物及無機化合物的折射率約介於1.45至2。
    [8] 如申請專利範圍第7項之波長轉換結構，其中該有機化合物包含一矽膠，其折射率約為1.45。
    [9] 如申請專利範圍第1項之波長轉換結構，其中該第一螢光粉層的厚度約為該些第一螢光粉顆粒平均粒徑的1.5至4倍。
    [10] 一種波長轉換結構之製造方法，包含：形成一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；形成一第二螢光粉層於該第一螢光粉層之上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    [11] 如申請專利範圍第10項之波長轉換結構之製造方法，更包含一基板於該第一螢光粉層之一側。
    [12] 如申請專利範圍第11項之波長轉換結構之製造方法，其中，該第一及/或該第二螢光粉層可利用電泳法或重力沉積法形成於該基板之上。
    [13] 如申請專利範圍第10項之波長轉換結構之製造方法，更包括形成一有機化合物或無機化合物於該些第一螢光粉顆粒及/或該些第二螢光粉顆粒之間。
    [14] 如申請專利範圍第13項之波長轉換結構之製造方法，其中該有機化合物包含一矽膠，其中該矽膠係利用填膠法形成。
    [15] 一種發光裝置，包含：一載板；一發光元件，設置於該載板之上；一種波長轉換結構位於該發光元件上，該波長轉換結構包含：一第一螢光粉層，包括複數個第一螢光粉顆粒；以及一第二螢光粉層位於該第一螢光粉層上，包括複數個第二螢光粉顆粒，其中該第二螢光粉顆粒的平均粒徑不相同於該第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    [16] 如申請專利範圍第15項之發光裝置，更包含一導電基板於該第一螢光粉層之一側。
    [17] 如申請專利範圍第15項之發光裝置，其中該些第二螢光粉顆粒的平均粒徑大於該些第一螢光粉顆粒的平均粒徑。
    [18] 如申請專利範圍第15項之發光裝置，其中該些第二螢光粉顆粒的平均粒徑和該些第一螢光粉顆粒的平均粒徑比為3:1至5:1之間。
    [19] 如申請專利範圍第15項之發光裝置，其中該些第一螢光粉顆粒的粒徑分佈範圍介於225-275奈米，及/或該些第二螢光粉顆粒的粒徑分佈範圍介於740-910奈米。
    [20] 如申請專利範圍第15-19項中任一項之發光裝置，其中該第一螢光粉層和該第二螢光粉層包含黃色光螢光粉。
    [21] 如申請專利範圍第20項之發光裝置，更包括一有機化合物或無機化合物填充於該些第一螢光粉顆粒及/或該些第二螢光粉顆粒之間，其中該有機化合物或無機化合物的折射率約介於1.45至2。
    [22] 如申請專利範圍第21項之發光裝置，其中該有機化合物包含一矽膠，其折射率約為1.45。
    [23] 如申請專利範圍第19項之發光裝置，其中該第一螢光粉層的厚度約為該第一螢光粉顆粒平均粒徑的1.5至4倍。
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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