TWI405356B - 發光單元 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種發光單元。
由於發光二極體(Light Emitting Diode,LED)具有高亮度及省電等優點，因此，隨著發光二極體的技術逐漸成熟，其應用領域也越來越廣泛，例如照明設備及液晶顯示裝置的背光源。
請參照圖1所示，一種習知的發光單元1包含一電路基板11及一發光二極體12。其中，發光二極體12係設置於電路基板11上，並利用打線接合(wire bonding)的方式與電路基板11上的電路層(圖中未顯示)電性連接。
發光二極體12的發光層可向四面八方射出光線。然而，由於習知之電路基板11例如為一印刷電路板，其係不透光，因此由發光二極體12背面所射出的光線無法經由電路基板11出射，如此也使得發光二極體12的光線利用率無法進一步地提高。另外，由發光二極體12表面出射的光係直接往各個方向射出，因此也使得發光單元1所發出的光線有指向性不足的問題。
因此，如何提供一種高指向性、可量產，且能提高發光二極體光線利用率的發光單元，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種高指向性、可量產，且能提高發光二極體光線利用率的發光單元。
為達上述目的，依據本發明之一種發光單元包含一基板、一第一反射元件、一發光二極體及一第二反射元件。基板係至少部分透光，發光二極體設置於基板與第一反射元件之間，第二反射元件與第一反射元件分別設置於基板之兩側。
為達上述目的，依據本發明之一種發光單元包含一基板、一反射元件、一發光二極體及一透鏡元件。基板係至少部分透光，發光二極體設置於基板與反射元件之間，透鏡元件相對於反射元件設置於基板之一出光面。
為達上述目的，依據本發明之一種發光單元包含一基板、一反射元件及一發光二極體。基板係至少部分透光，發光二極體設置於基板與反射元件之間。其中，反射元件之一最大口徑係小於發光二極體之一最大長邊的5倍。
承上所述，依據本發明之發光單元係將發光二極體設置於基板與一反射元件之間，而基板至少部分透光，因此，藉由小口徑反射元件可將由發光二極體表面出射的光線反射，再穿過基板出射，而小口徑反射元件可保持穿過基板之出光集中於較小的出光口徑內，以利於後續的反射或聚光設計。發光二極體之背面所發出的光線亦可經由基板射出，藉此，即可提高發光二極體的光線利用率。另外，再利用設置於基板另一側的透鏡元件或另一反射元件，來對穿過基板之光線的方向進行控制，藉此則可增加發光單元所發出之光線的指向性。再者，藉由於基板另一側設置透鏡元件或反射元件，可將發光單元分為穿透式或反射式，藉此可增加本發明之發光單元的應用範圍。
又，本發明之發光單元係可將複數反射元件及發光二極體設置於同一基板的不同表面，而藉由於同一基板上完成反射元件及發光二極體的組裝、製造及或量測，可使得本發明之發光單元較易大量生產。
以下將參照相關圖式，說明依據本發明之發光單元，其中相同元件以相同符號表示。
請參照圖2A所示，本發明第一實施例之一種發光單元2包含一基板21、一第一反射元件22、一發光二極體23及一第二反射元件24。
基板21至少部分透光，其材質包含玻璃、或藍寶石、或石英、或高分子材料、或塑膠。另外，基板21亦可為一電路板(例如為一玻璃電路板)。
第一反射元件22例如可為一反射片或一反射罩，材質可為金屬、金屬氧化物或白色塗料。其中，若第一反射元件22為反射罩，則其截面形狀可為平面或曲面。於本實施例中，以第一反射元件22為一曲面反射罩為例作說明，而曲面可具有單一或多個焦點。另外，第一反射元件22之一最大口徑D1係小於發光二極體23之一最大長邊D2的5倍。而於實際應用時，以第一反射元件22之最大口徑D1係以小於發光二極體23之最大長邊D2約2倍較佳。需注意者，第一反射元件22之口徑係可表示第一反射元件22本身或開口的有效光學直徑，若第一反射元件22本身或開口的形狀為不規則形，則最大口徑D1即表示第一反射元件22本身或開口的最大有效光學直徑。
發光二極體23設置於基板21與第一反射元件22之間，發光二極體23例如可為一發光二極體封裝體或一發光二極體晶粒。於本實施例中，以發光二極體23為發光二極體晶粒作說明，然其非限制性。其中，發光二極體23之發射光譜例如為可見光範圍或紫外光範圍，若發光二極體23之發射光譜為可見光範圍，則發光二極體23可為紅光發光二極體、綠光發光二極體、或藍光發光二極體或其他會發出可見光的發光二極體。本實施例中，發光二極體23係打線連接於基板21的電路層(圖中未顯示)，因為第一反射元件22之口徑較小，發光二極體23的導線係可伸出至第一反射元件22之外，以與基板21的電路層電性連接。
或者，請參照圖2B所示，第一反射元件22之口徑可再大一些，發光二極體23a的導線則可在第一反射元件22a之內，並由基板21之電路層(圖中未顯示)電性連接至外端的驅動電源。其中，基板21與第一反射元件22a之間亦可充填一流體或一膠體G，膠體G例如可為熔融態的膠體、半固化的膠體、具彈性的膠體或已固化的膠體；流體則可例如為氣體或液體，氣體可為空氣或惰性氣體，而液體例如為油或溶劑。藉由流體或膠體的熱對流，以提高發光二極體23a的散熱效果。另外，請參照圖2C所示，發光二極體23b亦可利用覆晶接合方式與基板21的電路層(圖中未顯示)連接。
請再參照圖2A所示，第二反射元件24與第一反射元件22分別設置於基板21之兩側，也就是設置於基板21相對的二個表面。其中，第二反射元件24例如可為一反射層、一反射片或一反射罩，反射層或反射片可平面設置於基板21的下表面。在本實施例中，則是以第二反射元件24為反射罩作說明，其中，反射罩的截面形狀為弧狀。而第二反射元件24之尺寸係大於第一反射元件22之尺寸。需注意者，於此係以第一反射元件22及第二反射元件24的開口大小來表示其尺寸大小。
因此，發光二極體23經由上表面發出之至少一部分光線L1係被第一反射元件22反射後，穿過基板21出射，而發光二極體23經由下表面所發出的光線L2則可直接穿過基板21出射。接著，光線L1、L2會再經由第二反射元件24反射，再穿過基板21射出。換言之，發光二極體23發出之至少一部分光線L1、L2依序經由第一反射元件22及第二反射元件24反射而穿過基板21。
由於經由發光二極體23上表面及下表面的光線均被利用，因此可提高發光單元2的光線利用率。另外，藉由第二反射元件24之反射面241的曲率或形狀(例如為拋物面、半球面、橢圓球面等等)的不同設計方式，可控制發光單元2所發出之光線L1、L2的出射方向，例如形成平行光或不平行光，且垂直或不垂直基板21的出光面射出，並可增加發光單元2的指向性。
請參照圖3A所示，其為本實施例之發光單元2a的另一變化態樣示意圖，需注意者，為能清楚說明及觀看方便，圖3A中部分的發光二極體23、第一反射元件22及第二反射元件24a係為部分剖面示意圖。發光單元2a係具有複數第一反射元件22、複數發光二極體23及複數第二反射元件24a。各第一反射元件22分別與各發光二極體23對應設置，各第二反射元件24a則可對應一個或複數個發光二極體23設置，於此以各第二反射元件24a對應複數個發光二極體23設置作說明。其中，該等第一反射元件22及該等發光二極體23係以二維陣列方式排列，然其非限制性，該等第一反射元件22及該等發光二極體23亦可以一維陣列方式排列。
第二反射元件24a對應二維陣列排列的複數個發光二極體23設置，藉由第二反射元件24a之反射面的曲率或形狀設計，可控制該等發光二極體23所發出之光線的出射方向，以藉此增加發光單元2a的指向性。另外，值得一提的是，該等第二反射元件24a也可以一平面反射片或一反射層取代，以減少製程的複雜度。
請參照圖3B所示，其為本實施例之發光單元2b的又一變化態樣示意圖。發光單元2b具有之複數第一反射元件22及複數發光二極體23係以特殊圖案排列(例如可排列為文字圖案或幾何圖案)，各個圖案並配合一第二反射元件24b來控制該等發光二極體23所發出之光線的出射方向。如此一來，可增加發光單元2b的應用範圍，例如應用於廣告看板或交通號誌等。
請參照圖3C所示，其為本實施例之發光單元2c的再一變化態樣示意圖。發光單元2c之該等發光二極體23間，係藉由晶粒對晶粒(die to die)方式直接打線接合，以電性連接。藉此，該等發光二極體23可直接藉由導線彼此電性連接，因此，可簡化基板21a上之電路層的複雜度以及減少導線材料成本。更甚者，基板21a上可不需再設置電路層，直接將發光單元2c與另一電路板電性連接，藉此可更進一步降低發光單元2c的的整體成本，並提高發光單元2c的製作效率。另外，第二反射元件24c則可具有複數反射結構242，各反射結構242則分別對應各發光二極體23，且各反射結構242可具有不同的曲率及截面形狀設計。
另外，請同時參照圖3A、圖3B、及圖3C所示，發光單元2a～2c係可將複數第一反射元件22、複數發光二極體23及複數第二反射元件24a～24c設置於同一基板21、21a的不同表面，而藉由於同一基板21、21a上完成第一反射元件22、發光二極體23及第二反射元件24a～24c的組裝、製造及或量測，可使得發光單元2a～2c較易大量生產。
請參照圖3D所示，其為本實施例之發光單元2d的再一變化態樣示意圖。發光單元2d更包含一螢光轉換材料25，其係設置於發光二極體23與基板21之間，並與第一反射元件22的開口對應。其中，螢光轉換材料25之佈設面積係大於等於第一反射元件22之開口面積。於此以螢光轉換材料25之佈設面積等於第一反射元件22之開口面積為例，然其非限制性。
螢光轉換材料25至少包含一黃色螢光轉換材料、一紅色螢光轉換材料、一綠色螢光轉換材料、一藍色螢光轉換材料或其組合。且，螢光轉換材料25例如可為螢光轉換層或螢光體膠帶(phosphor tape)，於本實施例中，螢光轉換材料25以螢光轉換層為例作說明，然其非用以限制本發明。另外，螢光轉換材料25除可設置於發光二極體23與基板21之間外，其他光路徑上均可設置，例如：設置於基板21上表面及或下表面、第一反射元件22及或第二反射元件24的內表面，或摻雜於第一反射元件22與基板21間的填充材料(例如圖2B所述的流體或膠體G)之中，或者直接摻雜於發光二極體23與基板21之間的固晶膠體中。
發光二極體23所發出的光線，會先激發螢光轉換材料25，才射出發光單元2d。因此，藉由螢光轉換材料25可改變發光單元2d的出光顏色，以增加發光單元2d的應用範圍。另外，設置螢光轉換材料25至基板21後，可先利用標準光源對螢光轉換材料25進行出光顏色的頻譜或色溫量測，符合規格後再將發光二極體23設置至螢光轉換材料25上。藉此，即可確保發光單元2d的產品可靠度。其中，若螢光轉換材料25以螢光體膠帶取代，則更可減化發光單元2d的製程。
另外，請參照圖3E所示，其為本實施例之發光單元2e的另一變化態樣示意圖。第二反射元件24e係以一反射層為例，而螢光轉換材料25a設置於第二反射元件24e與基板21之間，第二反射元件24e與螢光轉換材料25a均位於基板21的下表面。其中，螢光轉換材料25a之佈設面積同樣可大於等於第一反射元件22之開口面積。於此以螢光轉換材料25a之佈設面積大於第一反射元件22之開口面積為例，其非限制性。因此，利用反射層作為第二反射元件24e，並將螢光轉換材料25a設置在第二反射元件24e與基板21之間，可避免螢光轉換材料25a過於靠近發光二極體23，而因發光二極體23的強光及高熱造成變質。另外，若基板21上設置有複數發光二極體23時，第二反射元件24e與螢光轉換材料25a也可搭配該等發光二極體23，而形成於基板21下表面的複數區域。
請參照圖4所示，其為本發明第二實施例之發光單元3的示意圖。發光單元3包含基板31、第一反射元件32、發光二極體33、第二反射元件34及一封膠體或一絕緣層36。其中，基板31、發光二極體33、第二反射元件34係與前述實施例中之基板21、發光二極體23、第二反射元件24具有相同的技術與功效，於此不再贅述。
本實施例中封膠體或絕緣層36係至少覆蓋部分發光二極體33，並至少部分設置於第一反射元件32與發光二極體33之間。而第一反射元件32係為一反射層，其形成於封膠體或絕緣層36上。
當第一反射元件32的材質為金屬時，形成第一反射元件32的方式可為蒸鍍或濺鍍；當第一反射元件32的材質為反光塗料時，形成第一反射元件32的方式可為點膠、噴墨或印刷。由於製程的不同，故第一反射元件32的形狀並非一定有固定的形狀。因此，當第一反射元件32為一反射層時，第一反射元件32之最大口徑D1係以反射層的內表面所形成的開口來估算，其係小於發光二極體33之最大長邊D2的5倍。需強調的是，第一反射元件32之口徑係可表示第一反射元件32覆蓋範圍之開口的有效光學直徑。
因此，若第一反射元件32的開口形狀為不規則形，則最大口徑D1即表示第一反射元件32之開口的最大有效光學直徑。而第二反射元件34之尺寸大於第一反射元件32之尺寸。需注意者，於此分別以第一反射元件32的覆蓋面積及第二反射元件34的開口大小來表示其尺寸大小。
封膠體或絕緣層36的材質可為透光材質，且則可利用點膠製程來形成。藉由封膠體或絕緣層36除可避免第一反射元件32直接與發光二極體33接觸，致使發光二極體33表面發出的光線L1無法射出外，亦可避免第一反射元件32(例如可為金屬材質)與發光二極體33接觸產生短路。
又，封膠體或絕緣層36的材質可為一介電材料或環氧樹脂，其結構可為一單層折射率材料或一多層折射率材料結構，多層折射率材料結構其材料折射率的特性可隨著與發光二極體33的距離由近到遠，將材料的折射率由大至小作排列。因此，藉由封膠體多層折射率材料結構的特性，可增加發光二極體33的出光效率。
同樣地，經由發光二極體33上表面發出之光線L1被第一反射元件32反射，穿過基板31出射，而經由發光二極體33之下表面所發出的光線L2則可直接穿過基板31出射。接著，光線L1、L2會再經由第二反射元件34之反射面341反射，再穿過基板31射出。
值得一提的是，本實施例之第一反射元件32亦可取代前述圖3A至圖3D的第一反射元件22結構，由於該等結構之特徵與功效已於前述實施例中詳述，於此不再贅述。另外，需注意者，應用於圖3D之結構時，螢光轉換材料之佈設面積係大於等於本實施例之第一反射元件32的覆蓋面積，且螢光轉換材料亦可混合於本實施例之封膠體或絕緣層36內。
請參照圖5所示，其為本發明第三實施例之發光單元4的示意圖。發光單元包含一基板41、一反射元件42、一發光二極體43及一透鏡元件44。其中，基板41、反射元件42及發光二極體43之技術特徵，係與第一實施例中之基板21、第一反射元件22及發光二極體23相同，於此不再贅述。
透鏡元件44相對於反射元件42設置於基板41之一出光面411。換言之，反射元件42與透鏡元件44分別設置於基板41的兩側。透鏡元件44之結構例如為凸透鏡、微透鏡(Micorlens)或菲涅爾透鏡(Fresnel lens)等結構，於本實施例中，透鏡元件44之結構以凸透鏡為例作說明。另外，透鏡元件44係可與基板41為一體成型，於本實施例中，則以透鏡元件44貼合於基板41為例作說明。
經由發光二極體43上表面發出之至少一部分光線L1被反射元件42反射，並穿過基板41再穿出透鏡元件44射出。而經由發光二極體43之下表面所發出的光線L2則可直接穿過基板41及透鏡元件44射出。因此，藉由透鏡元件44的曲率或形狀不同設計方式，可控制發光單元4所發出之光線L1、L2的出射方向，以增加發光單元4的指向性。
請參照圖6所示，其為本實施例之發光單元4a的另一變化態樣示意圖。與圖5之發光單元4不同之處在於，反射元件42a為反射層，其形成於一絕緣層46上。其中，反射元件42a與絕緣層46係與前述實施例中之第一反射元件32及絕緣層36具有相同的技術特徵，於此不再贅述。
同樣地，經由發光二極體43上表面發出之光線L1被反射元件42a反射，並穿過基板41再穿出透鏡元件44射出。而經由發光二極體43之下表面所發出的光線L2則可直接穿過基板41及透鏡元件44射出。
值得一提的是，本實施例之發光單元4、4a亦可具有複數發光二極體43而應用如圖3A至圖3D的結構，例如以一維陣列、二維陣列或特殊圖形方式排列，或者該等發光二極體43間，以晶粒對晶粒方式直接打線接合，或者發光單元4、4a更包含螢光轉換材料設置於發光二極體43與基板41之間。另外，需注意者，發光單元4、4a應用如圖3D之結構時，螢光轉換材料之佈設面積係需大於等於本實施之反射元件42a的覆蓋面積，且螢光轉換材料亦可設置於本實施例之封膠體或絕緣層46內。
綜上所述，依據本發明之發光單元係將發光二極體設置於基板與一反射元件之間，而基板至少部分透光，因此，藉由小口徑反射元件可將由發光二極體表面出射的光線反射，再穿過基板出射，而小口徑反射元件可保持穿過基板之出光集中於較小的出光口徑內，以利於後續的反射或聚光設計。發光二極體之背面所發出的光線亦可經由基板射出，藉此，即可提高發光二極體的光線利用率。另外，再利用設置於基板另一側的透鏡元件或另一反射元件，來對穿過基板之光線的方向進行控制，藉此則可增加發光單元所發出之光線的指向性。再者，藉由於基板另一側設置透鏡元件或反射元件，可將發光單元分為穿透式或反射式，藉此可增加本發明之發光單元的應用範圍。
另外，藉由複數發光二極體以一維陣列、二維陣列或特殊圖形方式排列，則可增加本發明之發光單元的應用範圍。又，若藉由晶粒對晶粒方式電性連接該等發光二極體，則可簡化基板上之電路層的複雜度以及減少導線材料成本。更甚者，基板上可不需再設置電路層，發光單元可直接與另一電路板電性連接，藉此可更進一步降低發光單元的整體成本，並提高發光單元的製作效率。
又，本發明之發光單元係可將複數反射元件及發光二極體設置於同一基板的不同表面，而藉由於同一基板上完成反射元件及發光二極體的組裝、製造及或量測，可使得本發明之發光單元較易大量生產。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1、2、2a～2e、3、4、4a．．．發光單元
11．．．電路基板
12、23、23a、23b、33、43．．．發光二極體
21、21a、31、41．．．基板
22、22a、32．．．第一反射元件
24、24a～24e、34．．．第二反射元件
241、341．．．反射面
242．．．反射結構
25、25a．．．螢光轉換材料
36、46．．．絕緣層
411．．．出光面
42、42a．．．反射元件
44．．．透鏡元件
D1．．．最大口徑
D2．．．最大長邊
G．．．膠體
L1、L2．．．光線
圖1為一種習知之發光單元的示意圖；
圖2A為本發明第一實施例之發光單元的示意圖；
圖2B及圖2C為本發明第一實施例之發光單元的另一示意圖；
圖3A至圖3E為本發明第一實施例之發光單元的不同變化態樣示意圖；
圖4為本發明第二實施例之發光單元的示意圖；
圖5為本發明第三實施例之發光單元的示意圖；以及
圖6為本發明第三實施例之發光單元的另一變化態樣示意圖。
2．．．發光單元
21．．．基板
22．．．第一反射元件
23．．．發光二極體
24．．．第二反射元件
241．．．反射面
D1．．．最大口徑
D2．．．最大長邊
L1、L2．．．光線
Claims (14)
- 一種發光單元，包含：一基板，其係至少部分透光；一第一反射元件；一發光二極體，其係設置於該基板與該第一反射元件之間；以及一第二反射元件，其與該第一反射元件分別設置於該基板之兩側。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該第二反射元件之尺寸係大於該第一反射元件之尺寸。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該發光二極體發出之至少一部分光線依序經由該第一反射元件及該第二反射元件反射而穿過該基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該第一反射元件之一最大口徑係小於該發光二極體之一最大長邊的5倍。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該第一反射元件係為一反射層、一反射片或一反射罩。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該第二反射元件係為一反射層、一反射片或一反射罩。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該基板之材質包含玻璃、或藍寶石、或石英、或高分子材料、或塑膠。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該基板係為一電路基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，其中該發光二極體係為一發光二極體封裝體或一發光二極體晶粒。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，更包含：一封膠體或一絕緣層，其係至少覆蓋部分該發光二極體，並至少部分設置於該第一反射元件與該發光二極體之間。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光單元，其中該第一反射元件為一反射層，該第一反射元件形成於該封膠體或該絕緣層上。
- 如申請專利範圍第10項所述之發光單元，更包含：一螢光轉換材料，其係設置於該封膠體或該絕緣層內。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，更包含：一螢光轉換材料，其係設置於該發光二極體與該基板之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之發光單元，更包含：一螢光轉換材料，其係設置於該基板與該第二反射元件之間。
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