TW201023405A - An optical element for a light emitting device and a method of manufacturing thereof - Google Patents

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TW201023405A
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optical element
light
porosity
optical
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TW98124442A
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Johannes Franciscus Maria Cillessen
Hal Henricus Albertus Maria Van
Hendrik Johannes Boudewijn Jagt
Oliver Jens Steigelmann
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Koninkl Philips Electronics Nv
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201023405 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於用於發光裝置之光學元件,其中該光學元 件包括一燒結陶瓷體,該燒結陶瓷體包括一波長轉換層及 一散射層,且本發明係關於製造該光學元件之方法。 【先前技術】 發光裝置包括大體上配置有一光學元件的至少一發光二 極體(LED)。該光學元件大體上包括一波長轉換層,該波 長轉換層包括一磷光體及/或將經發射之光重定向之一 層。藉此,可以多種方式影響從LED發射之主要光。 頂部發光之LED係指具有一光學元件之一發光二極體, 其中藉由LED產生之光照亮光學元件之頂面。對於在頂部 發光之LED中之光學元件,期望如高透明度及最佳波長轉 換之特性。此較佳地藉由使用包括一波長轉換層之一光學 元件達成,其中具有一第一波長之一光束藉由磷光體轉變 為一第二波長之光束且該光束接著透射穿過該層。 側發光之LED係指具有一光學元件之一發光二極體,其 中藉由LED產生之光照亮光學元件之側面。對於在側面發 光之LED中之光學元件,在光學元件之較低部大體上期望 如高透明度及最佳波長轉換之特性,而在光學元件之外側 較上部則大體上期望高反射率。此較佳地藉由使用包括一 波長轉換層之一光學元件達成,其中光藉由磷光體而被轉 變且該接著藉由一第二層被反射。 美國專利US 2007/0284600 A1描述包括一波長轉換層及 141532.doc 201023405 一反射體之側面發光之LED。波長轉換層可為在一透明或 半透明黏合劑中之燒結陶瓷體微粒或磷光體微粒,該透明 或半透明黏合劑可為無機或有機。反射體可為使光以許多 角度且最後以小於一臨界角而被反射之一鏡面或漫反射 體。此描述鏡面反射體可由有機或無極層(例如鋁或另一 反射金屬)形成。進一步,此描述漫反射體可由沉積於一 粗糙表面之金屬或漫射材料(諸如適合之白色塗料)形成。 當光學元件同時包括一波長轉換層與一散射層時,需要 ® 考慮一些問題。例如,期望獲得良好之物理與光學接觸及 熱穩定性,且期望避免化學降解。 為了避免光學元件之機械故障,諸如脫層,波長轉換層 及散射層之間之良好物理性接觸極其重要。當前,為了在 光學元件中達成層之足夠黏性,經常使用一額外之黏著 層。光學元件在使用期間曝露於溫度變動中,此可導致藉 由在波長轉換層及散射層中使用具有不同熱膨脹特性之材 料而引起之熱引發壓力。 因為兩層之間即使一非常小的缝隙可能在側面以非預期 之角度引起漏光,所以介於波長轉換層與散射層之間之良 好的光學接觸係重要的。此可導致非預期地偏離於規則光 強度分佈。 此外,波長轉換層與散射層之間之化學相互作用可導致 光學元件之功能退化’諸如破壞發光或改變發光顏色。 因此,在本技術中需要提供用於發光裝置之光學元件, 該光學元件包括一波長轉換層與一散射層,及需要提供該 141532.doc 201023405 光學元件之製造方法,其中可克服此等缺點。 【發明内容】 本發明之一目的係至少部份地克服先前技術之上文提及 的問題及滿足此項技術中之需求,且因此提供用於一發光 裝置與製造該發光裝置之方法的陶瓷光學元件。 本發明之進一步目的係提供包括一波長轉換層與一散射 層之陶瓷元件’其中該光學元件適於在製造包括侧發光之 led的發光裝置中使用。特別地,期望無需使用任何黏著 劑之一密切接觸,該密切接觸可使波長轉換層與散射層之參 間之高光學接觸。 本發明之又一目的係提供包括燒結陶瓷體之光學元件的 製造方法,其中提供波長轉換層與散射層之間之高物理性 接觸(亦即提供無需使用黏著劑之高物理性接觸)^進一 步,本發明之一目的係提供一製造方法,在此方法中,光 學兀件之兩層以相同製造步驟被製造。此外,期望一種具 有尚持久性、高製造效能及以簡易且具成本效益之方式製 造光學元件之堅固材料結構。 _ 本發明之又另一目的係提供一發光裝置,該發光裝置具 有包括-新賴之光學元件的至少一本質上側發光之元件。 本發明之又另—目的係提供—種方法,該方法用於提供 包括根據本發明之-光學元件的-發光裝置。此等及其他 目的係藉由根據本發明之方法及產品來達成。 、 在一第—態樣中’本發明提供—光學S件,該光學元件 匕括具有帛$與配置於該第一層上之—第二層的—燒 I41532.doc • 6 · 201023405 結陶瓷體,其中該第一層包括一波長轉換材料,其中該第 一層之孔隙度高於該第一層之孔隙度,且在該第二層中之 氣孔經配置以提供藉由一光源產生之光束的散射。藉由使 用根據本發明之光學元件,藉由在波長轉換層與散射層兩 者中使用陶瓷材料來提供一本質上側發光之光學元件。根 據本發明之光學元件具有若干優點。例如,在光學元件中 僅使用一種陶瓷體將產生一堅固的材料結構。此外,可藉 由在兩層中僅使用陶瓷材料來本質上減少或避免熱不穩定 ❿ 性。進一步,因僅使用一種燒結陶瓷體,所以可能在兩層 之間達成一密切接觸,此導致一有效之光學耦合。另一優 點係本發明容許在兩個組件之間無需使用任何黏著劑之一 完美的物理性接觸。 在本發明之實施例中,光學元件之第二層的反射率可為 大於90%。此高反射率產生一高側面發光能力。 在本發明之實施例中,在光學元件之該第二層中之氣孔 的平均直徑可在大約0.1 μιη至1 μπι之範圍内。為了提供可 ^ 見光之有效散射,孔隙度較佳地係在此間隔内。 在本發明之實施例中,光學元件之第一層之孔隙度較佳 地可為低於約10%。此低孔隙度導致在第一層只有少數散 射中心可用,而此導致透過第一層之光之有效透射。 在本發明之實施例中,光學元件之第一層之熱膨脹係數 與第二層之熱膨脹係數可相互匹配,亦即在該等層中之熱 膨脹係數彼此偏離並不超過10%。藉由使用具有相似熱係 數之材料可避免由曝露於熱變動中而引起之機械故障。藉 141532.doc 201023405 此可促進光學元件延長壽命。 在本發明之實施例中,光學元件之第一層之折射率與第 二層之折射率可相互匹配,亦即在該等層令之折射率彼此 偏離並不超過10%。藉由在該等層中使用具相似折射率之 陶竞材料,光線本質上並不受影響,且因此可避免不期望 之效果。 在本發明之實施例中,光學元件可包括一第一層與一第 一層,其中該第一層包括一第一材料及該第二層包括一第 二材料,其中該第一與第二材料可包括相同之主要成份。 本文中主要成份係指包括於生&中之基礎材料構成份。如 本文中所使用之,基礎材料係指以大於5%之濃度存在的 材料。可藉由使用相同之主要成份減少或排除化學相互作 用及熱不穩定性。此外,在該等層t提供相似之折射率。 在本發明之實施例中,第一層之助熔劑濃度可高於第二 層之助熔劑濃度。本文中助熔劑係指在組合物中之一組 分,此組分例如藉由在氣孔中進行填充來增快燒結過程。 助熔劑可具有比主要成份更低的融化溫度範圍内的一融化 溫度。助熔劑之選擇取決於陶瓷材料的哪些主要成份將會 在光學元件中使用,及主要成份之量。 在本發明之實施例中,光學元件之第一層與第二層可包 括一陶瓷材料,該陶瓷材料包括YAG結構。已發現YAg係 可用於此種光學元件之適合材料且可能藉由在光學元件中 使用一 YAG結構材料來達成良好之光學效果。本文中YAg 結構材料係指一合成釔鋁榴石結構,其中在結構中之晶格 141532.doc -8 - 201023405 位置可被代替及/或其中間隙位置可被填充。 在本發明之實施例中,其中光學元件包括一 YAG結構材 料’第一層可包括作為助熔劑之Si〇2,該助熔劑之濃度係 在大約200 ppm至2000 ppm之範圍内,及第二層可包括濃 度係在大約0 ppm至500 ppm之範圍内的Si〇2。本發明者發 現可提供一幾乎密實之第一層及在第二層中獲得一有效之 散射。 在一第二樣態中,本發明提供一發光裝置,該發光裝置 ® 包括至少一 LED及根據本發明之光學元件,其中光學元件 之第一層被配置為面向LED以接收藉由led發射之光的至 少部份。因陶瓷材料被用於兩層中,所以本發光裝置具有 良好之側發光效果及良好之熱穩定性。 在一第三樣態中,本發明提供用於製造光學元件之方 法,該方法包括:提供一生坯,該生坯包括一第一材料之 一第一層與一第二材料之一第二層;及將該等層共燒結為 ❹單個燒結陶瓷體;該第一與第二層之組分經調整使得在燒 結之後,第二層之孔隙度比第一層之孔隙度高且在第二層 中之氣孔經配置以提供藉由一光源產生之光束散射。 根據本發明之方法可使用用於該等層之一共燒結過程。 該方法就若干方面具有優點。根據本方法,在相同之製造 步驟中產生兩層。此外,本發明促進高製造效能,以簡單 與具成本效益之方法製造光學元件。進一步,共燒結層於 導致波長轉換層與散射層之間產生一密切接觸而無需㈣ 劑。由於非常良好的黏性可藉由使用此方法獲得,所以可 141532.doc 201023405 提供具有高持久性之堅固光學元件。亦提供其他優點,例 如,因共燒結層提供一堅固之材料結構,所以此方法可改 良通常更易碎之第二層的碾磨能力。 在本方法之實施例中,第一層可包括在燒結期間具有比 第一層更馬之敏密度的材料組分。藉由改質該等層之陶 瓷組分可控制緻密化程度。據此,可在第一層中獲得一密 實結構’而在第二層中獲得一多孔層。 在本發明之實施例中,可藉由在第一層中使用比第二層 更大量之助熔劑而控制孔隙度。藉由改變助熔劑之濃度, 可控制在一光學元件内之孔隙度且因此控制反射率。一高 濃度之助熔劑導致一低溫可燒結成高密度。因此,較佳地 在第-層(即波長轉換層)中使用一高濃度之助熔劑,而為 了提供散射,在第二層中之助熔劑濃度保持低於在第一層 之助熔劑濃度。此導致緻密化過程在第二層中的效率較 低’而這又導致一多孔結構。 在本發明之實施例中’第一層包括一第一材料及第二層 包括-第二材料,其中該第一與第二材料包括相同之主要 成伤如此可減少或排除化學相互作用及熱不穩定性。 此外,在該等層中提供相似之折射率。 在一第四態樣中,本發明提供用於製造包括至少-LED 之一發光裝置的方法,該方法包括:提供根據產品請求項 中任一項或藉由任一方法請求項中任-項獲得的-光學元 件;及配置光學元件以接收藉由發光二極體發射之光的至 hp伤,及使得第—層面向至少-lee^藉由在製造 141532.doc 201023405 光裝置中使用根據本發明之光學元件,可提供具有高持久 性之一發光裝置。 【實施方式】 現在本發明將參考附隨之示意圖而得以更詳細地描述 之一當前較佳之 該附隨之示意圖係經由實例而說明本發明 實施例。
大體而言,本發明係關於用於發光裝置之光學元件,其 中該光學元件包括一波長轉換層與一散射層,該等兩層藉 由一單個燒結陶瓷體形成;及關於其製造方法。 對本發明之實施例之示意圖繪示於圖1,該圖顯示一發 光裝置1,該發光裝置1包括一發光二極體(LED) 2、一光 學元件3,該光學元件3包括一第一層4與配置於該第一層* 上之一第二層5的一燒結陶瓷體,其中該第—層4包括—波 長轉換材料’該第二層5之孔隙度高於該第一層4之孔隙 度。發光裝置1視應用而定可不同地構建。發光裝置丨包括 至少一LED 2,該LED 2產生諸如可見光、紫外線輻射或 IR光的光束。LED 2可根據習知之熟知方法而獲得。若需 要,LED 2可被換成任一其他光源。光學元件3包括—燒妹 陶瓷體且其被配置為直接或間接地面向LED 2。光學元件3 包括一第一層4與一第二層5,該第一層4位於光學元件3之 較低部份。 第一層4本質上係一密實陶瓷層且其包括一波長轉換材 料’諸如磷光體。陶瓷材料可包括被視為陶瓷之任何材 料。可被形成為陶瓷波長轉換層之磷光體的實例包括具有 14I532.doc • 11 - 201023405 以下通式之鋁榴石磷光體:(Lui.wbYxGdyMAlmGaAO丨2:CeaPrb (其中 〇<x<l、0<y<l、〇<ζ$〇·1、〇<a$0.2 及 0<b$0.1),諸如 發射黃-綠光範圍内之光的Lu3Al5012:Ce3+與Y3Al5012:Ce3+ ;及 (Sri.x-yBaxCay)2_zSi5.aAlaN8.aOa:Euz2+(其中 0Sa<5、0<x51、 OSySl及0<zSl),諸如發射紅光範圍内之光的Sr2Si5N8:Eu2+。 適宜的Y3AI50】2:Ce3+陶瓷板可從北卡羅來納州夏洛特之 Baikowski國際公司購得。其他發射綠光、黃光及紅光之 麟光體亦適宜,該等磷光體包含:(Sri_a.bCabBac)SixNyOz:Eua2+ (a=0.002-0.2、b=0.0-0.25、c=0.0-0.25、x=l.5-2.5、y=l.5-2.5、鲁 ζ=1.5·2·5),其包含’例如 SrSi2N2〇2:Eu2+ ; (Sri u xMguCa Bax) (Ga2-y_zAlyInzS4):Eu2+,其包含’例如SrGa2S4:Eu2+ ; SrkBaxSiOwEu2.; 及(Ca】.xSrx)S:Eu2+(其中〇<d)’其包含,例如cas:Eu2 +與
SrS :Eu2。第一層之孔隙度較佳地可為低於大於丨〇%,更 較佳地可低於大約5 〇/〇。 第二層5本質上係一多孔陶瓷層’且其包括經配置以提 供一光束散射的氣孔。第二層可被設計為反射任一特定之 波長間隔的光,諸如可見光、紫外線輻射或爪輻射。本文粵 中術語孔隙度因此係指具有從大約〇·2 μηι至大約2〇 μηΐ2 尺寸的孔穴,該等孔穴在燒結之後存在於陶瓷材料中。 孔隙度較佳地係穿過光學元件之第二層均勻地分佈。氣 孔之尺寸分佈取決於起始材料及燒結條件而變化。例如, 在燒結期間所形成之孔隙度取決於用於一生堪之粉末的粒 徑。為了避免較大的並不預期之氣孔,同樣熟知在擠壓一 生达期間的條件係重要的。為了在生柱中減少此類偏離之 141532.doc 12 201023405 風險’熟悉此項技術者了解如何最佳化擠壓條件。為了提 供一光束之有效散射,燒結後在第二層中之氣孔的尺寸應 在將被散射之光束的對應波長範圍内。據此,對於可見光 之散射,在第二層中之平均氣孔直徑較佳地係〇11 μιη。 清注意即使相同之主要成份可被用於兩層中在第一層 中之不同基礎材料之濃度可不同於第二層。第一層之功能 特性可藉由添加劑而被提供,例如將摻雜劑添加至第一層 之材料組分。第二層之功能藉由改變孔隙度(例如藉由改 變助熔劑之濃度)而被控制,此改變導致兩層之燒結速率 會彼此不同。 有利地,藉由在第一與第二層中使用相同之主要陶瓷成 份,該等層之熱膨脹係數可相互匹配。此外,第一層之折 射率與第二層之折射率可相互匹配。
現回到顯示本發明之實施例之示意圖的圖丨,其顯示藉 由LED 2產生之光束6。所產生之光束6透過光學元件之第 一層且其取決於不同波長轉換材料之存在而轉變。光束6 接著在第二層5附近被反射且最後該光束本質上於光學元 件3之第一層4的側表面7處被反射。 本發明也包含用於製造一光學元件之方法,該方法包 括:提供一生坯,該生坯包括一第一材料之—第一層與一 第二材料之一第二層;及將該等層共燒結為一燒結陶竟 體,其中該第一與第二層之組分經調整使得在燒結之後, 第二層之孔隙度比第一層之孔隙度高。生坯可藉由擠壓一 粉末、熱壓或任何習知之已知方法而獲得。如本文中使用 141532.doc -13- 201023405 之術語「生述」係指並未燒結之經擠壓或壓實體。共燒妹 產生單個燒結體。經燒結之介面可包括在層之燒結過程期 間所形成之一元素濃度梯度。共燒結藉由熟知之技術(諸 如包含擠壓及/或曝露於一經控制之氣態大氣中)在高溫下 執行。 兩層4、5之孔隙度可藉由在第一層中使用比在第二層中 更大量之助熔劑來控制。大體而言,使用越多的助熔劑, 在燒結期間會更快地發生緻密化過程,此導致減少氣孔之 尺寸與減少孔隙度。從而,可能獲得一幾乎密實結構之第 一層’而第二層可包括可用於光束散射之大量氣孔。 孔隙度亦可藉由在第一層4中使用一材料組分而被調 整,該第一層4在燒結期間具有比第二層5更高的燒結速 率。此可藉由在第二層中改變具體陶瓷的主要成份或次要 成份之濃度來完成。方法可因此包括··第一層與第二層之 材料可包括相同之主要或次要陶瓷成份,但其中該兩層中 之成份濃度可改變。 視情況而定’孔隙度可藉由改變任一條件而被控制,該 任一條件與在燒結之後獲得之孔隙度相關,諸如粉末之粒 徑及/或兩層使用不同之壓縮條件。 本發明之光學元件可被用於製造包括至少一 LED的一發 光裝置中’其中光學元件可經配置以接收藉由發光裝置發 射之光的至少部份,及使得第一層面向至少一 led。藉 此’可提供包括一本質上為側發光之led的發光裝置。 儘管本發明已被描述為與其特定實施例有關,但應瞭解 141532.doc -14· 201023405 夕種修改、變動及改編可藉由熟悉此項技術者在不脫離主 張之範圍下而完成。 例如,根據本發明之光學元件可包括額外層,例如若干 波長轉換層。在光學元件中之層可為連續或不連續。此 外,只要達成光學元件之目的就可改變層之厚度。例如, 光學元件之第二層之厚度可為10_300 nm,諸如8〇15〇 nm,或120 nm ^在本發明之進一步實施例中,在光學元件 中之層並不具有一固定厚度。進一步,其他額外層 含於光學元件内。 在本發明之實施例中,為了提供層之期望的材料特性或 功能特性,兩層中至少一層包括一種或數種添加劑。相同 或不同添加劑可被用於兩層中,且濃度可取決於光學元件 之應用而變化。 應瞭解根據本發明之方法在不脫離本發明之範圍可被修 改。例如’可藉由諸如分離加熱來預處理生坯,接著將該 _ 等生坯安放在一起,最後燒結該等生坯。 本發明進一步藉由下文之實例來圖解說明,該實例並不 視為限制’僅作為本發明之一些較佳特徵的一說明。 < 實例1 . 製備根據本發明之光學元件,該光學元件包括一第一層 (即波長轉換層)及具有散射特性之一第二層,其中該光學 元件係以Y3AI5O12為主。 下列氧化物成份被用於生坯: Y2〇3,比表面積15 m2/g,可&R〇dia獲得; 141532.doc -15- 201023405 AI2O3,比表面積8m2/g,可從Reynolds/Malakoff獲得; Ce〇2,比表面積4 m2/g,可從Rodia獲得;及 Gd2〇3(在紅移波長轉換層之情況下),比表面積17 m2/g。 此外,用於燒結以Y3A15〇i2為主之陶瓷材料之適合助熔 劑的Si〇2以200 ppm-2000 ppm之濃度添加至第一層及以〇- 500 ppm之濃度添加至第二層。第一層摻雜有001·2〇/ο的
Ce。 生场藉由一下子單軸緊壓兩個粉末層(在圖1中之層4及 層5)來製備,隨後冷均壓成型至最大緻密化。接著在空氣 中以1650。(:執行燒結:首先使用125 °C /hr之漸增加熱溫 度’接著於最高溫度暴露4小時’且最後以125。(: /hr之漸減 溫度冷卻。 藉此兩層反應性地燒結產生包括兩層之γ3Α15〇12類型之 陶瓷體。此係因為在第一粉末層與在第二粉末層中使用上 文之燒結參數及上述之Si〇2濃度而導致第一層變得幾乎密 集’而第二層變得多孔’其中在第二層中之氣孔為可見光 提供一有效之散射。 【圖式簡單說明】 圖1顯示根據本發明之一光學元件的實例,該光學元件 係安裝至一 led上。 【主要元件符號說明】 1 發光裝置 2 發光二極體(LED) 3 光學元件 141532.doc • 16 - 201023405 4 5 6 7 第一層 第二層 光束 侧表面
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Claims (1)

  1. 201023405 七、申請專利範圍: 1_ 一種光學元件(3) ’其包括一第—層(4)與配置於該第一 層(4)上之一第二層(5)的一燒結陶瓷體,其中該第一層 (4)包括一波長轉換材料’該第二層(5)之孔隙度高於該 第一層(4)之孔隙度,且在該第二層(5)中之氣孔經配置 以提供一光束之散射。 • 2.如請求項1之光學元件(3),其中該第二層(5)之反射率係 大於90%。 ❿3.如晴求項1或2之光學元件(3)’其中在該第二層(5)中之 該等氣孔之平均直徑係在0.1 μιη至1 μιη之範圍内。 4. 如請求項之光學元件(3) ’其中該第一層(4)之該孔 隙度係低於約1〇〇/0。 5. 如請求項1或2之光學元件(3) ’其中該第一層(4)之熱膨 脹係數與該第二層(5)之熱膨脹係數係相互匹配。 6. 如請求項之光學元件(3)’其中該第一層(4)之折射 率與該第二層(5)之折射率係相互匹配。 ❿7.如請求項1或2之光學元件(3),其中該第一層(4)包括一 第一材料及該第二層(5)包括一第二材料,其中該第一材 ▼ 料及該第二材料包括相同之主要成份。 • 8.如請求項1或2之光學元件(3),其中該第一層(4)之助熔 劑濃度高於該第二層(5)之助熔劑濃度。 9. 如咐求項1或2之光學元件,其中該第一層及該第 一層(5)包括一陶瓷材料,該陶瓷材料包括YAg結構。 10. 如明求項9之光學元件(3),其中該第一層(4)包括濃度在 141532.doc 201023405 * . 200 ppm至2000 ppm之範圍内的Si〇2及該第二層(5)包括 濃度在0 ppm至500 ppm之範圍内的Si〇2。 11. 一種包括至少一發光二極體(2)及如前述請求項丨至⑺中 任一項之一光學元件(3)的發光裝置(1),其中該光學元 件之該第一層(4)係配置為面向該發光二極體(2)以接收 藉由該發光二極體(2)發射之光的至少部份。 12. —種用於製造光學元件(3)之方法,其包括: 私:供一生链,該生链包括一第一材料之一第一層及一 第二材料之一第二層;及 共燒結該等層為一燒結陶瓷體; 該等第一及第二層之組分經調整使得在燒結之後,該 第一層(5)之孔隙度南於該第一層(4)之孔隙度,及在該 第二層(5)中之氣孔經配置以提供一光束之散射。 13. 如請求項12之用於製造光學元件之方法,其中該第一層 (4) 包括一材料組分,該組分在燒結期間具有比該第二層 (5) 更南之一燒結速率。 14. 如請求項12或13之方法,其中藉由在該第一層(4)中使用 比在該第二層(5)中之更高數量的助熔劑而控制該孔隙 度。 15. —種用於製造包括至少一發光二極體(2)之一發光裝置 (1)的方法,該方法包括:提供如請求項1至1〇中任一項 之一光學元件(3) ’及配置該光學元件以接收藉由該 發光二極體(2)發射之該光的至少部份;及使得該第一層 (4)面向至少一發光二極體。 141532.doc • 2 - 201023405 16. —種用於製造包括至少 一發先二極體(2)的一發光裝置 (1)之方法’該方法包括. 枯· &供可藉由如請求項12至14中 任一項之該方法而獲取夕一 叉取之光學7L件(3);及配置該光學 元件(3)以接收藉由該發光二極趙(2)發射之該光的至少 部份;及使得該第一層(4)面向至少一發光二極體。
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