CN101353572A - 波长转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波长转换系统。该波长转换系统包含波长转换体，其可以在具有第一波长的第一电磁辐射照射下反应出具有第二波长的第二电磁辐射，其中第一电磁辐射的能级高于第二电磁辐射的能级，且第一波长与第二波长呈现正相关。

Description

波长转换系统

技术领域

本发明涉及一种波长转换系统，尤其涉及一种可随激发波长改变而产生相应的波长频谱以维持发射光于稳定色温的波长转换系统。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode；LED)因其高能源效率在世界节能潮流下应用日广，已导入至户外照明、交通工具、乃至家庭照明的各式装置中，如：路灯(Street Light)、红绿灯(Traffic Light)、户外显示器(OutdoorDisplay)、车前灯(Headlamp)、车尾灯(Tail Light)、第三煞车灯(Center HighMounted Stop Lamps；CHMSL)、装饰灯(Decoration Light)等。

发光二极管芯片(chip)的一种基本结构主要为p-n结(p-n junction)，p型半导体材料中的空穴与n型半导体材料中的电子在偏压下结合后发出光线。结构中发出光线的区域有时被称为有源层(Active Layer)或发光层(Light-Emitting Layer)。发光层产生的波长取决于基本结构使用的材料。红光系可以由采用磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、铝砷化镓(AlGaAs)、或磷化铝镓铟(AlGaInP)等主材料的结构获得。绿光系可以由采用磷化镓(GaP)与硒化锌镉(ZnCdSe)等主材料的结构获得。蓝光系可以由采用碳化硅(SiC)与氮化硅(GaN)等主要材料的结构获得。不同材料通常生长在不同的基板上，如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、与蓝宝石(Sapphire)等。

目前市场上常见的发光二极管芯片，除白光外，可以发射涵盖几乎所有可视波长范围(400nm～750nm)内的各色光以及紫外光(Ultraviolet；UV)。有数种用以产生白光的方法，如：混合分别来自于红蓝绿色芯片的红蓝绿三色光、使用紫外光激发荧光粉、使用蓝光激发荧光粉、使用半导体波长转换材料(亦称为光循环半导体LED(Photo-recycling Semiconductor LED；PRSLED))、及使用染料(Dye)等。其中又以使用蓝光芯片激发钇铝石榴石(Yttrium aluminium garnet；YAG)荧光体以互补色(Complementary Color)产生白光为最普遍的商业方法。例如，使用460nm蓝光芯片激发YAG:Ce荧光体产生570nm左右的黄光，通过控制荧光体浓度与厚度调整蓝光与黄光的比例，可以产生多种色温的白光。

荧光体(Phosphor)吸收短波长光以发射长波长光，亦即吸收高能量光线而发射低能量光线。荧光体具有激发频段(Excitation Band)与发射频段(Emission Band)，激发频段的主要波长分布短于发射频段的主要波长分布，但此二频段亦可能有部分区域相互重叠。吸收频段与发射频段的峰值差称为史托克位移(Stokes Shift)。落入激发频段内的任一波长皆可以使荧光体辐射出大致上相同的发射频谱，然而，荧光体对于不同的吸收波长其激发效率通常并不相同，视荧光体的成分而定。

另一方面，一片晶片(Wafer)上为数众多的芯片所呈现出的波长分布并不均匀，其跨距可能达10～20nm或更大。因此，若以单一种配方的荧光体搭配所有芯片，不论是直接覆盖于芯片之上，亦或与芯片一同封装，成品产出的白光色温范围变异明显，影响应用产品品质表现的一致性。

如图1A所示，LED光源12发出特定波长的蓝光11与13，其中蓝光13激发荧光粉14产生黄光15，蓝光11与黄光15混合形成白光17。但是，当LED光源12产生的蓝光波长改变，但仍落于荧光粉14的激发频段内将使得黄光15呈现的频谱维持不变。因此，由于蓝光波长的差异，使得混成的白光17波长频谱亦发生改变。

此外，如图1B所示的CIE色度图(Chromaticity Diagram)，460nm蓝光与固定条件下激发YAG荧光体产生的571nm黄光混合的白光其色温位于6000K左右，但若蓝光波长上下偏移至470nm或450nm，由于被激发的黄光波长持稳，混合出的白光色温亦随蓝光波长的变化上下移动至10000K与5000K，此种幅度的变化通常不容许于一般的应用。因此，芯片必须经过分类(Sorting)与筛选(Binning)后方可适用于特定条件或特性的荧光体以产生具有稳定色温的色光。

发明内容

本发明的一实施例的波长转换系统包含波长转换体，其可以在具有第一波长的第一电磁辐射照射下反应出具有第二波长的第二电磁辐射，第一电磁辐射的能级高于第二电磁辐射的能级，且第一波长与第二波长呈现正相关。

在多个优选例中，上述的第一波长的范围为200nm～530nm；上述的第二波长的范围为480nm～700nm；上述的波长转换体包含钇铝石榴石荧光体及硅酸盐类荧光体。

本发明的另一实施例中的波长转换系统包含发射自第一发光体的第一激发波长；大于第一激发波长的第一发射波长；发射自第二发光体的第二激发波长；及大于第二激发波长的第二发射波长；其中，第一激发波长、第一发射波长、第二激发波长、及第二发射波长分别位于CIE色度坐标图的周缘，第一连线连接第一激发波长与第一发射波长，第二连线连接第二激发波长与第二发射波长，第一连线及第二连线相交于此CIE色度坐标图之内。

在多个优选例中，上述第一激发波长及第二激发波长的范围分别为200nm～530nm；第一发射波长及第二发射波长的范围分别为480nm～700nm；第一连线及第二连线相交于白光区域；第一发光体与第二发光体的组成材料包含氮元素。并且，第一激发波长与第二激发波长尤以经由相同或类似的波长转换体分别转换为第一发射波长与第二发射波长为佳，所谓相似的波长转换体是指主要成分相同者，其中，波长转换体尤以包含钇铝石榴石荧光体及硅酸盐类荧光体为佳。

本发明的又一实施例中的波长转换系统包含：

辐射源；第一荧光材料，可在波长频段内被辐射源激发，此波长频段具有一短波长与一长波长；及第二荧光材料，可在此波长频段内被辐射源激发；其中，在短波长激发下，第一荧光材料的激发效率高于第二荧光材料的激发效率，在长波长激发上，第一荧光材料的激发效率低于第二荧光材料的激发效率。

在多个优选例中，上述辐射源发出波长介于200nm～530nm的光线；上述辐射源包含氮化物系光电半导体；上述第一荧光材料包含硅酸盐类荧光体；上述第二荧光材料包含钇铝石榴石荧光体。

本发明的一实施例中的波长转换统包含二个或多个光源，这些光源中的二光源的波长差不小于1nm且不大于20nm；及波长转换体，位于此二光源的光径上，并可被此二光源中的一个光源激发产生第一混合光，被另一光源激发产生第二混合光，第一混合光与第二混合光的色温差不大于100K。

在多个优选例中，上述这些光源中至少其一包含发光二极管；上述这些光源的发光波长介于200nm～530nm。

本发明的一实施例中的波长转换系统包含半导体发光结构，包含电子提供体、空穴提供体、及位于电子提供体与空穴提供体间的发光层；及波长转换体，位于半导体发光结构的出光介面上，并可在一波长频段下被输入光激发产生输出光，且输入光与输出光的波长呈现正相关。优选地，上述半导体发光结构的材料包含氮元素。

本发明的一实施例中的波长转换系统包含：

发光源，自由选自晶片上的任一可应用发光二极管单元；及波长转换体，位于发光源的出光介面上，可回应输入光产生输出光，且输入光与输出光形成一混合色光。优选地，上述发光二极管单元包含氮化物系发光二极管。

附图说明

图1A与图1B为例示已知技术的波长转换系统的示意图与CIE色度坐标图；

图2A是显示依据本发明一实施例的YAG荧光体的激发与发射频谱图；

图2B是显示依据本发明一实施例的硅酸盐类荧光体的激发与发射频谱图；

图2C是显示依据本发明一实施例的波长转换系统的CIE色度坐标图；

图3是显示依据本发明另一实施例的波长转换系统的示意图；

图4是显示依据本发明又一实施例的波长转换系统的示意图。

附图标记说明

11蓝光            31B光线

12LED光源         31C发射光

13蓝光            32A第一光源

14荧光粉          32B第二光源

15黄光            33A未经转换光线

17白光            33B光线

22载体            33C发射光

24发光结构        34波长转换体

26荧光体          35A混合光

30波长转换系统    35B混合光

31A未经转换光线

具体实施方式

以下配合图式说明本发明的实施例。

本发明的一实施例中，YAG与硅酸盐类(Silicate-based)二类荧光体被选择并混合形成混合式荧光体(以下称“混合体”，但不限于仅有以上二种类的材料或数量)。本实施例中，YAG荧光体的频谱如图2A所示，其具有200nm～530nm的激发频段，480nm～700nm的主发射频段，与约530nm的峰值波长；硅酸盐类荧光体的频谱如图2B所示，其具有300nm～500nm的激发频段，470nm～650nm的主发射频段，与约525nm的峰值波长。

如图2A与2B所示，YAG荧光体于激发波长470nm左右具有较高的效率；硅酸盐类荧光体于激发波长450nm左右具有较高的效率。当激发波长由470nm移动至450nm，YAG荧光体的光转换效率将降低，而硅酸盐类荧光体的光转换效率将提高。换言之，将两种荧光体混合后，当激发波长由470nm移动至450nm时，其中硅酸盐类荧光体贡献的较短波长荧光占总体荧光的比例将增加，而YAG荧光体贡献的较长波长荧光占总体荧光的比例将减少。于是，YAG荧光体与硅酸盐类荧光体二者的发射光比例可随激发波长的变化而变化。在本例中，激发波长变短，混合体产生的混合光线的波长频谱亦朝向短波长方向移动，亦即提高短波长光于混合光线中的权重。因此，混合体的发射光与激发光混成的色光色温将可以维持在稳定区间范围中。反之，当激发波长由短波长偏移至长波长时，依据本实施例的荧光混合体将可产生朝长波长移动的发射光。通过本实施例的荧光混合体，可以使得发射波长与激发波长间具有正面的连动关系。

CIE色度图呈现出本发明一实施例的激发光与发射光的关系或波长转换系统如图2C所示。混合体中的一种荧光体与另一种荧光体，或任两种荧光体，二荧光体各自的代表激发波长与代表发射波长的连线在图上交叉。位于交叉图案左下角的扇形中的弧线代表激发光的波长范围，位于交叉图案右上角的扇形中的弧线代表荧光体被激发后产生发射光的波长范围，发射光与未被转换的激发光混成的色光的色度坐标位于CIE图中交叉图案上或其附近。在适当调整激发光源的波长分布与混合体中荧光体的比例后，可以使波长转换系统呈现的色温局限于线段交叉区域的附近。因此，可以使系统产生的色光维持于相对稳定的色温，具体而言，应用本实施例的荧光混合体于彼此具有相异的波长或频谱的蓝光LED芯片，来自于这些芯片的光线激发混合体所产生的黄光与芯片产生的原始蓝光可以混合成色温变异较小的白光。

在图中，450nm与569nm的连线代表经由单纯硅酸盐类荧光体所可能产生的色光，470nm与573nm的连线代表经由单纯YAG荧光体所可能产生的色光。二连线相交于约6000K的白光处。YAG荧光体与硅酸盐类荧光体以特定的混合比例与配置，450nm～470nm间的激发光可以产生569nm～573nm间的主波长的发射光并混成6000K左右的稳定白光。

如图3所示，本发明的另一实施例包含载体22、发光结构24、以及覆盖于发光结构24上的荧光体26，其中发光结构24的数目仅为例示而非用以限制本实施例的披露。载体22包含但不限于生长基板与可用于安置发光结构24的材料或结构。发光结构24的波长在一区间内呈现变化，此区间可能横跨数纳米、数十纳米、或荧光体26的容许范围内，例如：10nm～20nm。发光结构24的主发光波长位于可见光波长，例如：420nm～480nm、或可用以激发荧光体26的波长。载体22上发光结构24的波长分布可能为高斯分布(Gaussian distribution)或非常态分布。荧光体26的发射光波长移动趋势是跟随激发光波长的动向。因此，即使各个发光结构24的激发波长不尽相同，荧光体26于各发光结构所产生的发射波长可以通过跟随或追踪激发波长的偏移趋势，或依照激发波长的改变而自发性地调整。由此可降低发光结构24的发光波长等品质差异对于混合光色差异度或被感知色光品质的影响。例如：使用本实施例的荧光体26可使来自于发光结构24的激发光与荧光体26产生的发射光所混成的色光其色温维持于稳定的区间内，此区间的范围为取决于使用的荧光体、用户的需求规格、及/或使用环境。

在本图中，荧光体26的覆盖型态仅用以说明本实施例的理念，荧光体26当可以任意的方式覆盖于发光结构24之上，例如：局部覆盖、均匀厚度覆盖、可变厚度覆盖、上方覆盖、及侧向覆盖等。在一示例中，发光结构24生长于生长基板上并被覆盖荧光体26。在另一示例中，发光结构24与生长基板分离并固定于载体22上后再覆盖荧光体26。相关专利可参考本案申请人的中华人民共和国发明专利公开说明书第CN1747190A号或美国专利申请案第11/160,588号，其内容并视为本案的一部分。在再一示例中，发光结构24为发光二极管芯片或封装，载体22为电路载板。此外，发光结构24亦可以倒装焊(Flip Chip)方式置放于载体22上后再覆盖荧光体26，此时，荧光体26尤以覆盖于透光基板或透光光学元件为佳。发光结构24是以发出400nm～500nm的波长为佳。发光结构24的激发光与荧光体26的发射光所混成的色光包含但不限于白光与其他可视色光。

如图4所示，依据本发明另一实施例，波长转换系统30包含第一光源32A、第二光源32B、及波长转换体34。第一光源32A与第二光源32B可发射光线，且这些光线的波长、频谱、或强度具有可察觉的差异，在通常的示例中，此可察觉的差异为如1nm～20nm上下的波长差异或频谱位移。波长转换系统34至少包含一种材料，其组成可以为第一光源32A与第二光源32B激发而辐射光线，且此种材料所产生的发射光在一定频段内反应出激发光的波长改变趋势，或是与激发光的波长间呈现正相关(Positive Correlation)。

第一光源32A中的光线31B激发波长转换体34产生发射光31C，来自于第一光源32A的未经转换光线31A与光线31B混成为混合光35A。第二光源32B中的光线33B激发波长转换体34产生发射光33C，来自于第二光源32B的未经转换光线33A与光线33C混成为混合光35B。混合光35A与35B具有相近的色温，例如：混合光35A与35B间的色温差小于100K或用户不易察觉的数值、或者具有相近色度坐标。利用本实施例的波长转换体34，即使具有可察觉波长差异的光源，例如：光源32A与32B，存在于系统30中，系统30仍可以产生均匀或相似的色光，例如：混合光35A与35B。

在本实施例中，波长转换体34可以直接与光源32A与32B接触，例如：包含多个发光二极管芯片的封装体，用以封装此封装体的材料包含荧光混合体，此混合体于特定频段中其激发波长与发射波长呈现正相关。波长转换体34亦可以与光源32A与32B相分离，例如：照明装置，内含多个光源与透光光学元件，透光光学元件如灯罩、灯管、透镜、外罩、贴纸、板状物、膜片等覆盖物，波长转换体34是涂附、贴合、或混入此透光光学元件，使其位于光源的光径上以转换光源的原始波长。此外，波长转换体34亦可以选择性地形成于照明装置的反射内壁上，当来自于光源的光线经波长转换体34转换后将为内壁所反射，或经反射穿过波长转换体34。

依据本发明一实施例进行实验的结果如表1所示。二颗15mil的氮化物系列的发光二极管芯片在可控电流下进行操作并相邻置放于一个具有银反射体的封装结构中，其中一个芯片的主波长为450nm，另一芯片的主波长为470nm。硅酸盐类荧光体与YAG荧光体是以约1.08的重量比(0.26g/0.24g)混入环氧树脂(Epoxy)中并覆盖于此二发光二极管芯片之上。输入二发光二极管芯片的电流分别控制于0mA～20mA间反向变化，亦即，一个芯片的输入电流上升，而另一芯片的输入电流即下降。通过调整通过芯片的电流，改变产自此二芯片的混合光的波长频谱。本实验的设计亦可以视为模拟分布于450nm～470nm波长的蓝光。在一实验例中，输入电流值控制为0mA、5mA、10mA、15mA、与20mA。可以发现即便输入二芯片的电流值发生变化，最终混合光线的相对色温(Correlated Color Temperature；CCT)仍可以维持于5945K～6035K之间，其间差异小于100K。换言之，使用依据本发明的实施例中的荧光混合体作为系统的波长转换媒介，对于光源间强度与波长的差异具有较佳的容忍程度，使得系统可以表现出相对稳定的照明品质。

表1

通过依据本发明的一实施例中的波长转换体，用户可以有机会自由使用单一晶片上生产的任一芯片。换言之，即使一片晶片中的发光二极管芯片间彼此存在发射波长的差异，只要可正常运作，该芯片可能有机会不需经过分类与筛选即可使用于下游产品的中。甚者，通过依据本发明的一实施例中的波长转换体，即使配置于波长转换系统中的光源具有分散的发射波长分布，该发光特性相异的光源亦仅对系统所提供光线的色温造成轻微的影响。

除本发明实施例使用的YAG与硅酸盐类系列荧光材料外，其他可被激发出黄色荧光的材料包含但不限于铽铝石榴石型荧光粉(Terbium AluminumGarnet；TAG)，其组成例如Tb₃Al₅O₁₂:Ce，与氮氧化物荧光粉(oxynitride)，其组成例如(SrBa)Si₂N₂O₂:Eu。

虽然本发明已说明如上，然其并非用以限制本发明的范围、实施顺序、或使用的材料与工艺方法。对于本发明所作的各种修饰与变更，皆不脱本发明的精神与范围。

Claims (23)

1.一种波长转换系统，包含：

波长转换体，可以在具有第一波长的第一电磁辐射照射下反应出具有第二波长的第二电磁辐射，该第一电磁辐射的能级高于该第二电磁辐射的能级，且该第一波长与该第二波长呈现正相关。

2.如权利要求1所述的波长转换系统，其中该第一波长的范围为200nm～530nm。

3.如权利要求1所述的波长转换系统，其中该第二波长的范围为480nm～700nm。

4.如权利要求1所述的波长转换系统，其中该波长转换体包含钇铝石榴石荧光体及硅酸盐类荧光体。

5.一种波长转换系统，包含：

第一激发波长，发射自第一发光体；

第一发射波长，大于该第一激发波长；

第二激发波长，发射自第二发光体；及

第二发射波长，大于该第二激发波长；

其中，该第一激发波长、该第一发射波长、该第二激发波长、及该第二发射波长分别位于CIE色度坐标图的周缘，第一连线连接该第一激发波长与该第一发射波长，第二连线连接该第二激发波长与该第二发射波长，该第一连线及该第二连线相交于该CIE色度坐标图之内。

6.如权利要求5所述的波长转换系统，其中该第一激发波长及该第二激发波长的范围分别为200nm～530nm。

7.如权利要求5所述的波长转换系统，其中该第一发射波长及该第二发射波长的范围分别为480nm～700nm。

8.如权利要求5所述的波长转换系统，其中该第一连线及该第二连线相交于白光区域。

9.如权利要求5所述的波长转换系统，其中该第一激发波长与该第二激发波长经由波长转换体分别转换为该第一发射波长与该第二发射波长。

10.如权利要求5所述的波长转换系统，其中该第一发光体与该第二发光体的材料包含氮元素。

11.如权利要求10所述的波长转换系统，其中波长转换体包含钇铝石榴石荧光体及硅酸盐类荧光体。

12.一种波长转换系统，包含：

辐射源；

第一荧光材料，可在一波长频段内被该辐射源激发，该波长频段具有一短波长与一长波长；及

第二荧光材料，可在该波长频段内被该辐射源激发；

其中，在该短波长激发下，该第一荧光材料的激发效率高于该第二荧光材料的激发效率，且在该长波长激发下，该第一荧光材料的激发效率低于该第二荧光材料的激发效率。

13.如权利要求12所述的波长转换系统，其中该辐射源发出波长介于200nm～530nm的光线。

14.如权利要求12所述的波长转换系统，其中该辐射源包含氮化物系光电半导体。

15.如权利要求12所述的波长转换系统，其中该第一荧光材料包含硅酸盐类荧光体。

16.如权利要求12所述的波长转换系统，其中该第二荧光材料包含钇铝石榴石荧光体。

17.一种波长转换系统，包含：

二个或多个光源，该光源中的二光源的波长差不小于1nm且不大于20nm；及

波长转换体，位于该二光源的光径上，并可被该二光源中之一光源激发产生第一混合光，被另一光源激发产生第二混合光，该第一混合光与该第二混合光的色温差不大于100K。

18.如权利要求17所述的波长转换系统，其中该光源中至少其一包含发光二极管。

19.如权利要求17所述的波长转换系统，其中该光源的发光波长介于200nm～530nm。

20.一种波长转换系统，包含：

半导体发光结构，包含电子提供体、空穴提供体、及位于该电子提供体与该空穴提供体间的发光层；及

波长转换体，位于该半导体发光结构的出光介面上，并可在一波长频段下被输入光激发产生输出光，该输入光与该输出光的波长呈现正相关。

21.如权利要求20所述的波长转换系统，其中该半导体发光结构的材料包含氮元素。

22.一种波长转换系统，包含：

发光源，自由选自晶片上的任一可应用发光二极管单元；及

波长转换体，位于该发光源的出光介面上，可回应输入光产生输出光，且该输入光与该输出光形成混合色光。

23.如权利要求22所述的波长转换系统，其中该发光二极管单元包含氮化物系发光二极管。

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