TWI405836B

TWI405836B - 螢光材料

Info

Publication number: TWI405836B
Application number: TW97137070A
Authority: TW
Inventors: yu sheng Tang; Shu Fen Hu; Ru Shi Liu; Hung Yuan Su; Cheng Wen Tsai
Original assignee: Lite On Electronics Guangzhou; Lite On Technology Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2013-08-21
Also published as: TW201012895A

Description

螢光材料

本發明涉及一種適用於LED發光元件的螢光材料，具體的說是，涉及一種螢光材料的結構。

利用發光二極體(Light Emitting Diode，簡稱LED)產生與太陽光色相似的白光，以大幅取代傳統日光燈等白光照明，乃本世紀照明光源科技領域積極研發的目標。目前全球推動單晶片白光LED的封裝技術中多半研究主要為利用發光波長440~460納米的藍光LED晶片，激發黃光螢光粉混合封裝成白光LED。關於螢光粉應用於封裝白光LED的規範並無明確的使用方式。

又，近來白光封裝之研究引起廣泛地討論與研究，如何增加光之萃取效率為一重要課題，諸如表面粗糙化、光子晶體排列方式、設計不同之封裝結構等，皆已被證實均能有效地提升光的萃取效率。而關於螢光粉層之結構位置，亦越來越受到重視。

然而，多數的研究均集中於整個LED元件的結構設計，或是關於螢光粉層塗布位置與結構改變的探討，並無針對螢光材料顆粒的研究與探討。

事實上，螢光材料顆粒的表面結構、大小等等因素均影響光的萃取效率。有鑒於此，提供一種螢光材料，通過該螢光材料的顆粒的結構增加光的萃取效率確為必要。

本發明所要解決的技術問題在於提供一種螢光材料，利用該螢光材料顆粒結構，來增加LED光的萃取率。

為實現上述目的，一種螢光材料，該螢光材料顆粒的結晶區域粒徑為d_c ，該結晶區域粒徑d_c 的取值範圍為：150nm≧d_c ≧10nm。

為實現上述目的，一種螢光材料，該螢光材料顆粒的粒徑之長軸與短軸之比為r，該r的取值範圍為：3≧r>1。

為實現上述目的，一種螢光材料顆粒具有幾何形狀的蝕刻層。

優選的是，所述的蝕刻層呈錐形、長方條形、圓形或凹洞形。

優選的是，所述的螢光粉層的外層塗敷有至少一層包覆介質。

優選的是，該包覆介質外具有膠體。

優選的是，所述螢光材料的折射率≧包覆介質的折射率≧膠體的折射率。

優選的是，該至少一層包覆介質的折射率，由表及裏為n₁ 、n₂ …n_n ，折射率範圍為：螢光材料的折射率≧n₁ ≧n₂ …≧n_n ≧膠體的折射率。

作為LED封裝的螢光材料，採用上述結構利於提供光線的萃取率。

以下結合附圖對本發明作進一步詳細的說明：

有關本發明之前述及其它技術內容、特點與功效，在以下配合參考附圖的較佳實施例的詳細說明中，將可清楚呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

3a~3b圖所示為LED的封裝結構。請參閱3a圖，LED10包括有一發光晶片1、一反射層2、封裝膠體3以及一螢光粉層4。這其中，該發光晶片1為Ⅲ-V族半導體所形成的多元晶片，而反射層2可將螢光粉層4反射的光再反射回去，並亦可增加粗糙化，增加反射角度，避免全反射發生，以提升光的萃取效率。該螢光粉層4亦即為本發明的螢光材料，是充滿螢光材料顆粒5。請參閱圖3b，為另一種封裝結構，該螢光粉層4為一弧形結構。螢光粉層4為由內層模與外層模所形成一厚度可調的螢光粉層，將螢光材料塗布於球殼上。

該發光晶片1可激發出藍光(420-460nm)或是紫外光(350-410nm)，使得該螢光粉層4受該藍光激發出黃光，並與該藍光或紫外光最終混為白光發出。

本發明的螢光材料是具有多個螢光材料顆粒，螢光材料顆粒如圖1以及圖2a~2d所示。螢光材料顆粒5的外層部分61亦是顆粒大小的徑長，且其內部有結晶區域(crystallite size)62。從Ⅲ-V族半導體晶片中所發出之入射光70包括藍光(420~460nm)或是紫外光(350~410nm)，而入射光70在該結晶區域62中經能量轉換後發出出射光72。

圖5a以及圖5b所示的樣品的粒徑分別為大小為6.55μm、12.89μm。通過謝樂等式(Scherrer Equation)可計算出結晶粒徑，如下公式：

在該等式中d為預計算的結晶粒徑，λ為入射X光之波長，於此為1.5405981Å，B為繞射強度之半高寬(FWHM)，θ_B 為所計算的繞射角角度。

通過該謝樂等式(Scherrer Equation)可以算出5a圖的樣品的螢光材料顆粒結晶粒徑大小d_c 約為100nm；5b圖的樣品螢光材料顆粒5的結晶粒徑大小為92nm。於此可得知，雖兩樣品之粒徑相差近一倍，但結晶粒徑相當接近，由此可證明當粒徑大於某一數值之後，其結晶粒徑並不會隨之改變，而趨於一穩定值。於計算時，結晶粒徑取決於繞射角與半高寬的寬度，亦即相同的繞射角之半高寬越窄計算出的結果結晶粒徑大。一般而言，結晶粒徑越大發光強度越強，但也不是越強越好，當粒徑大到某個程度之後，反而會有光被散射掉而造成光強度變弱。總之，綜合以上資料計算，最佳的結晶區域粒徑範圍為：150nm≧d_c ≧10nm。

請參閱圖5c，圖5c顯示出此兩不同粒徑之樣品。此兩樣品皆發光波長由460nm的藍光LED晶片當作激發源，再收其放射光譜，其最大放射波長皆為544nm。依據量測結果顯示，此兩樣品所量測出之結果相同，亦是其發光強度並不隨著粒徑改變而有增強或減弱之現象，反而與結晶粒徑之資料而有一致性。

YAG螢光粉之折射率經量測約為1.8，而所使用的封裝膠體折射率隨使用的封裝膠體不同而有所不同，以矽(silicon)為例約為1.5，因而光從外界要進入螢光粉，從光疏到光密不會產生全反射，但當入射光70經過能量轉換經發射出螢光粉時，則遭遇到光密到光疏的問題，此一結果會造成全反射。於是，本專利於螢光材料顆粒5的表面做粗糙化，或於粉體表面做不同的結構，以降低全反射現象，進而增加光導出的機率。

請參閱圖2a~圖2d，如圖2a所示，螢光粉表面設計成三角椎狀63，如圖2b所示，螢光粉表面設計成長方條狀64；請參閱圖2c所示，螢光粉表面設計成圓球狀65；請參閱圖2d所示，螢光粉表面還可以被設計成凹洞狀66，將減少光射出粉體時全反射的可能。於此所稱之減少全反射之可能即是先前提到之粗糙化或是置入光子晶體的結構，而大幅增加光導出的機率。

另外，本發明中於螢光粉粉體外層塗布一層或是多層不同折射率的包覆介質61，此一層或多層包覆介質61的折射率n介於螢光粉5與封裝膠體3之間，以上述YAG螢光粉與封裝膠體矽(Silicon)為例，其限制範圍為1.8≧n≧1.5。相同例子於多層塗布則1.8≧n₁ ≧n₂ …≧n_n ≧1.5，其中n₁ 、n₂ …n_n 分層為從螢光粉至封裝膠體3依序分佈。

請參閱圖4之所示，73為螢光材料顆粒不為圓之粒徑短軸部分；71螢光材料顆粒不為圓的粒徑長軸。於此先定義長軸71除以短軸73得一比值r。若光自螢光材料顆粒內部62發射出來，較佳的發光效率的螢光粉的顆粒粒徑約為圓形，但因某些合成方式未能使粉末顆粒形成圓形，反倒是形成啞鈴短柱狀之形貌，當螢光材料顆粒5的外層部分61之顆粒形貌以3≧r≧1為最佳，亦是當螢光材料顆粒5粒徑之長軸與短軸比介於1~3之間，其發光效率為最佳。

以上所述，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明權利要求及發明說明書所記載的內容所作出簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明權利要求所涵蓋範圍之內。此外，摘要部分和標題僅是用來輔助專利文獻搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

1‧‧‧發光晶片

2‧‧‧反射層

3‧‧‧封裝膠體

4‧‧‧螢光粉層

5‧‧‧螢光材料顆粒

61‧‧‧外層部分

62‧‧‧螢光材料顆粒內

63‧‧‧三角椎狀

64‧‧‧長方條狀

65‧‧‧圓球狀

70‧‧‧入射光

71‧‧‧長軸

72‧‧‧出射光

73‧‧‧短軸

10‧‧‧LED

第1圖為本發明的結構圖。

第2a圖為本發明的螢光材料顆粒表面為三角錐形狀的結構圖。

第2b圖為本發明的螢光材料顆粒表面為條狀的結構圖。

第2c圖為本發明的螢光材料顆粒表面為球狀的結構圖。

第2d圖為本發明的螢光材料顆粒表面為凹形的結構圖。

第3a圖為LED的結構圖，該圖省略金屬引腳架。

第3b圖為LED的另一種結構圖，該圖省略金屬引腳架。

第4圖為本發明螢光材料顆粒的長短軸的示意圖。

第5a圖是樣品為YAG螢光粉粒徑大小為6.55μm的X-ray繞射圖譜。

第5b圖為是樣品為YAG螢光粉粒徑大小為12.89μm的X-ray繞射圖譜。

第5c圖為該兩樣品的光激發光譜圖，包含激發圖譜與放射圖譜，圖中YAG(A)為YAG螢光粉粒徑大小為6.55μm的樣品，YAG(B)為螢光粉粒徑大小為12.89μm的樣品。

5‧‧‧螢光材料顆粒

61‧‧‧外層部分

62‧‧‧螢光材料顆粒內

63‧‧‧三角椎狀

Claims

一種螢光材料，其適用於發光二極體元件，該螢光材料係被藍光(420-460nm)或紫外光(350-410nm)所激發，該螢光材料具有多個螢光材料顆粒，每一螢光材料顆粒包括：一結晶區域，該結晶區域粒徑為d_c ，該結晶區域粒徑d_c 的取值範圍為：150nm≧d_c ≧10nm；以及至少一包覆介質，其係設置於該結晶區域之外表面，用以包覆該結晶區域，該結晶區域的折射率≧該包覆介質的折射率。
一種螢光材料，其適用於發光二極體元件，該螢光材料係被藍光(420-460nm)或紫外光(350-410nm)所激發，該螢光材料具有多個螢光材料顆粒，每一螢光材料顆粒包括：一結晶區域；以及至少一包覆介質，其係設置於該結晶區域之外表面，用以包覆該結晶區域，該結晶區域的折射率≧該包覆介質的折射率；其中，該螢光材料顆粒的粒徑之長軸與短軸之比為r，該r的取值範圍為：3≧r>1。
一種螢光材料，其適用於發光二極體元件，該螢光材料係被藍光(420-460nm)或紫外光(350-410nm)所激發，該螢光材料具有多個螢光材料顆粒，每一螢光材料顆粒包括：一結晶區域；至少一包覆介質，其係設置於該結晶區域之外表面，用以包覆該結晶區域，該結晶區域的折射率≧該包覆介質的折射率；以及一蝕刻層，其係設置於該包覆介質之外表面。
根據專利申請範圍第3項所述之螢光材料，其中該蝕刻層呈錐形、長方條形、圓形或凹洞形。
根據專利申請範圍第3項所述之螢光材料，其中該包覆介質外具有封裝膠體。
根據專利申請範圍第5項所述之螢光材料，其中該螢光材料的折射率≧該包覆介質的折射率≧該封裝膠體的折射率。
根據專利申請範圍第5項所述之螢光材料，其中所述至少一層包覆介質的折射率，由表及裏為n₁ 、n₂ …n_n ，折射率範圍為：螢光材料的折射率≧n₁ ≧n₂ …≧n_n ≧該封裝膠體的折射率。