TWI422060B - 暖色系光源 - Google Patents

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Description

暖色系光源
本發明是有關於一種使用發光二極體作為光源的裝置，特別是使用混光的發光二極體混成暖色系光源。
發光二極體是一種半導體組件，可以在很小的體積內以很有效率的模式產生高亮度的光源。而發光二極體所產生的光源具有相當優異的單色性的波峰。如果要使用發光二極體產生白色光，必須要混合數種色光。一種簡單的模式是使用紅色、藍色，以及綠色的發光二極體產生白光。然而，目前以三色發光二極體混成的白光，並不均勻，並且需要使用複雜的光學模式將各色光混合成白光。再者，發光二極體的亮度會隨著半導體的溫度而改變，當發光二極體的溫度增加，混成的白光也會改變。另外，每個發光二極體的使用壽命並不相同，當單一發光二極體失效的時候，產品的色光的改變會很明顯而讓使用者覺得很刺眼。因此，提供理想的白光是一重要的議題。
目前的白光發光二極體所發射的光源，主要是以藍光發光二極體加上黃色螢光粉混合成白光。然而，這樣的混光模式，提供的白光是屬於冷色系的白光，無法提供暖色系的白光。因此，Shimizu等在美國專利第6577073號裡提出使用藍光、紅光，以及 螢光粉產生不同色系的白光，其中螢光粉的發射波長在紅光與藍光之間。這種模式可以產生暖色系的白光，但是調配色光的模式，必須同時調整藍光發光二極體的波長、藍光發光二極體的發光強度、紅光發光二極體的波長、紅光發光二極體的發光強度，以及螢光粉的發光頻譜。而這樣的調配模式過於複雜。另外，就封裝的架構而言，紅光發光二極體會吸收藍光而降低整體的光源輸出。
本發明的主要目的在於使用波長約在550至600奈米之間的發光二極體，更容易地降低色溫而形成暖色系白光。
本發明的另一目的在於該色光對人眼的敏感度較強，與紅光發光二極體相比較之下在相同的輸出功率可呈現的亮度(mcd)較高。
本發明的又一目的在於暖色系白光的演色性較高，具有較高的色彩呈現。
本發明的再一目的在於使用下沉式導線架，可以有效避免該色光發光二極體對於藍光的吸收。
根據上述目的，本發明使用藍色發光二極體與黃色螢光粉混成白光，另外使用增加一長波長發光二極體形成暖色系白光，其中色溫可降至3000K至2000K左右。長波長發光二極體的發光波長約在550至600奈米之間，較佳的使用波長約為590奈米。增加長波長發光二極體的發光強度可以降低色溫。
封裝的模式，可以將兩個發光二極體封裝在同一個殼體內，或是 分別封裝成兩個殼體。如果兩個發光二極體封裝在一個殼體內，依照不同的打線模式可以是並聯電路或是串連電路。如果封裝在兩個殼體內，對於一般的高功率發光二極體，以白光發光二極體與長波長發光二極體的數量比例為1比20至20比1，可以得到2500K色溫的白光。
使用的螢光粉，可以是氮化物或是氮氧化物，例如CaSiN2：Eu2+、Ba2Si5N8：Eu2+、AExSiyNz：Eu2+、CaSiAlN3：Eu2+，或是SiAlOxNy。也可以使用硫化物螢光粉，例如CaS：Eu2+、CaS‧A：Eu，或是CaS：Ce,X。也可以使用矽酸鹽類的螢光粉、釔鋁石榴石(YAG)，或是TAG等。螢光粉的發射主波長約在540至600奈米。
本發明使用下沉式導線架，將長波長發光二極體固定在下沉式導線架上，可以避免長波長發光二極體對藍光的吸收。
在本發明中，長波長發光二極體的材質可以是AlInGaP或是InGaN。
10‧‧‧導線架
12‧‧‧殼體
21、22‧‧‧發光二極體
24‧‧‧發光二極體
圖1顯示色溫與長波長發光二極體的關係圖；圖2顯示藍色發光二極體與長波長發光二極體封裝在同一個殼體內的架構示意圖，其中是使用並聯電路的打線模式；圖3顯示藍色發光二極體與長波長發光二極體封裝在同一個殼體內的架構示意圖，其中是使用串聯電路的打線模式；圖4顯示將藍色發光二極體與長波長發光二極體封裝在不同的殼體所組成的光源的示意圖； 圖5顯示將藍色發光二極體與長波長發光二極體封裝在不同的殼體所組成的光源的另一示意圖；圖6顯示在本發明中以藍光發光二極體，黃色螢光粉，以及長波長發光二極體混成的暖色系白光的CIE圖；以及圖7顯示在圖6中形成暖色系白光的光譜圖。
相較於現有技術使用紅光發光二極體，本發明使用長波長發光二極體形成暖色系白光。在本發明中，只要簡單的調配長波長發光二極體的強度即可調整白光的色溫。如圖1所示，當長波長發光二極體的數量增加，色溫就可以從6000K以上降低到2000K左右，其中，暖色系白光是以藍光發光二極體與黃色螢光粉混成的白光發光二極體封裝單體，與長波長發光二極體單獨封裝在封裝單體之間混光而成。在圖1中，只要長波長發光二極體的數量的增加，色溫的降低就相當的明顯。
在本發明中，長波長發光二極體的波長約在550到600奈米之間。在本實施例中，是使用波峰在590奈米發光二極體，其中誤差約在正負五個奈米之間。
長波長發光二極體的材質可以是GaP、InGaP、AlGaP、AlInP、AlInGaP、InGaN，或是AlInGaN。如果是以磷化物為材質，可以使用GaAs或是InP作為磊晶層(Epitaxy)的基材，如果是以氮化物為材質，可以使用藍寶石、SiC、Si，或是GaN做為基材。使用氮化物材質的長波長發光二極體可以有較好的使用壽命。如果基 材是導體，長波長發光二極體在晶片切割製程中可以形成雙面電極；如果基材不是導體，長波長發光二極體在晶片切割製程中形成單面電極。
藍光發光二極體的材質主要是以氮化物為主，可以是GaN，InGaN，或是AlInGaN等。基材可以是藍寶石，SiC，Si，或是GaN。如果基材是導體，長波長發光二極體在晶片切割製程中可以形成雙面電極；如果基材不是導體，長波長發光二極體在晶片切割製程中形成單面電極。在本發明中，藍光發光二極體的波長約在440到470奈米之間，在本實例中是使用波峰在460奈米的發光二極體。
發光二極體的製程，包含了在有機金屬物化學氣相沈積室裡進行磊晶，其中磊晶的條件依照發光二極體的材料，發光頻率等有所不同。然後在將磊晶完成的成品經過晶片切割後形成一個個的晶片(chip)。
螢光粉的材質可以是氮化物、氮氧化物、硫化物、矽酸鹽、釔鋁石榴石，或是TAG等。氮化物的螢光粉可為CaSiN2：Eu2+、Ba2Si5N8：Eu2+、AExSiyNz：Eu2+，或是CaSiAlN3：Eu2+等，而氮氧化物的螢光粉可為SiAlOxNy。硫化物的螢光粉可為CaS：Eu2+、CaS‧A：Eu，或是CaS：Ce,X等。另外，亦可以使用矽酸鹽族系的螢光粉、YAG(釔鋁石榴石)或是TAG(鋱鋁石榴石)等的螢光粉，螢光粉的發射主波長約在540至600奈米。在本實施例中，是使用黃色的螢光粉將藍光發光二極體的藍光先混合成白光，所使用的螢光粉主要是氮化物、氮氧化物、硫化物，或是矽酸鹽。上述的螢光粉 是屬於無機螢光粉，其形成模式主要是以高溫燒結之後研磨成粉粒。
封裝的架構，可以是使用針腳式的封裝體，或是表面黏著型(SMD)封裝體。不同的封裝體會對應到不同的應用，在本實施例中主要是以表面粘著型的封裝體為主，但是本發明不限於應用在表面粘著型封裝體。封裝的模式，可以將兩種發光二極體封裝在同一個殼體內，然後在灌膠的時候混入螢光粉，然而亦可以使用轉移壓模(transfer-molding)的模式。殼體的材質，可以是高溫陶瓷、低溫陶瓷、silicon、氧化鋁、氮化鋁或是塑膠(例如PPA)等。發光二極體的封裝模式可以是打線(wire-bonding)封裝或是覆晶(flip-chip)封裝。本發明可以同時應用在這兩種封裝模式，例如藍光發光二極體與長波長發光二極體同時使用打線封裝或是覆晶封裝，或是兩種發光二極體的分別使用不同的封裝模式，例如藍光發光二極體使用覆晶封裝而長波長發光二極體使用打線封裝。在本實施例中主要是以打線封裝為說明的對象。在打線封裝中，不同的線上模式可以讓藍光發光二極體與長波長發光二極體之間的電路是並聯或是串聯。
如圖2所示，是顯示並聯電路的封裝架構示意圖。在本實施例中，殼體12具有反射面可以將光線反射出去，長波長發光二極體22固定在下沉式導線架10上，可以降低長波長發光二極體22對於藍光的吸收。在圖2中，長波長發光二極體22是雙面電極的架構，因此只有一條打線架構，而藍光發光二極體21是單面電極的架構，因此有兩條打線。當藍光發光二極體21與長波長發光二極體22 均固定並且完成打線之後，就可以將膠材灌入殼體12內，其中螢光粉是按照比例混入膠材內。在本實施例中，膠材可以使用環氧樹脂(epoxy)，或是矽氧烷(silicone)。膠材的選擇，需要考慮到透光性、光線的折射系數，以及與殼體12之間的關連性，亦即膠材與殼體12之間的氣密性。當灌膠程式完成之後，可以將一透鏡安裝在殼體12的出光面上，以修正發光二極體的光學效果。上述的步驟是選擇性的步驟。
在本實施例中，封裝的過程包含先將發光二極體21、22依序使用固晶膠將發光二極體固定在導線架10上，然後進入烘烤箱中將固晶膠固化以固定住發光二極體21、22。之後進行打線程式將發光二極體21、22的電極分別連接至導線架10上。之後，進行灌膠程式後再次送入烤箱中烘烤使得膠材固化。
如圖3所示，是顯示串聯電路的封裝架構示意圖。在本實施例中，殼體12具有反射面可以將光線反射出去，長波長發光二極體22固定在下沉式導線架10上，可以降低長波長發光二極體22對於藍光的吸收。在圖2中，長波長發光二極體22是雙面電極的架構，因此只有一條打線架構，而藍光發光二極體21是單面電極的架構，因此有兩條打線。在本實施例中，導線直接連接藍光發光二極體21的電極與長波長發光二極體22的電極。當藍光發光二極體21與長波長發光二極體22均固定並且完成打線之後，就可以將膠材灌入殼體12內，其中螢光粉是按照比例混入膠材內。在本實施例中，膠材可以使用環氧樹脂(epoxy)，或是矽氧烷(silicone)。膠材的選擇，需要考慮到透光性、光線的折射系數，以及與殼體 12之間的關連性，亦即膠材與殼體12之間的氣密性。
不同的封裝體可以決定有兩個電極、三個電極，或是四個電極。三個電極的電路，可以共用陰極或是共用陽極，而兩個電極必須要同時共用陰極與陽極。
另外，亦可以將兩個發光二極體先封裝在不同的殼體內，例如以藍光發光二極體與螢光粉先形成白光發光二極體。利用數量不同的白光發光二極體與長波長發光二極體，形成暖色系的白光，白光發光二極體與長波長發光二極體的數量比例約在1比20至20比1之間。在圖4與圖5中，顯示本發明的一個實施例是白光發光二極體的數量比上長波長發光二極體的數量為15比4以及17比5，可以提供色溫在3000K左右的白光。圖4與圖5顯示白光發光二極體24與長波長發光二極體22的分佈，然而亦可以有其他各種分佈，其中分佈的圖案可以是週期性或是非週期性。
圖6顯示在本發明中，利用白光發光二極體與長波長發光二極體組成暖色系白光的色度值(CIE)圖。在圖中左下角的小方塊是藍光發光二極體所發出光源的色坐標，在x坐標接近0.4的小方塊是黃色螢光粉的色坐標，在x坐標接近0.6的小方塊是長波長發光二極體的色坐標。在後兩個小方塊之間的斜直線式表示3000K的色溫，而在CIE圖中的曲線是表示黑體輻射的曲線，其中斜直線與曲線相交的小方塊是表示色溫為3000K的白光，是由藍光發光二極體所標示的小方塊，黃色螢光粉所標示的小方塊，以及長波長發光二極體所標示的小方塊所混光的結果。
圖7是顯示在圖6中形成暖色系白光的光譜圖，其中藍光發光二極體的波長約在460奈米、螢光粉的波長約在550奈米，以及長波長發光二極體的波長約在590奈米。
由於本發明使用長波長發光二極體，其波長在550至600奈米之間，可以更容易地降低一般白光發光二極體的色溫而形成暖色系白光。而長波長對人眼的敏感度較強，與紅光發光二極體相比較之下在相同的輸出功率可呈現的亮度(mcd)較高。另外，暖色系白光的演色性較高，具有較高的色彩呈現。
本發明使用下沉式導線架，可以有效避免長波長發光二極體對於藍光的吸收。整體的封裝架構簡單，成本可以降低。並且，可以使用氮化物系列的琥珀光發光二極體，有較高的使用壽命。
本發明之技術內容及技術特點已揭示如上，然而熟悉本項技術之人士仍可能基於本發明之教示及揭示而作種種不背離本發明精神之替換及修飾。因此，本發明之保護範圍應不限於實施例所揭示者，而應包括各種不背離本發明之替換及修飾，並為以下之申請專利範圍所涵蓋。
10‧‧‧導線架
12‧‧‧殼體
21、22‧‧‧發光二極體

Claims (9)

  1. 一種暖色系光源，其包含：一第一發光二極體，用以產生藍色波長光源；一螢光粉，吸收該藍色發光二極體發射之一部份藍色波長光源後，轉換成白光光源；一第二發光二極體，其發光波長在550與600奈米之間，其中該第二發光二極體可以將色溫調整至2500K附近。
  2. 根據請求項1所述的暖色系光源，其中該螢光粉可為YAG(釔鋁石榴石)、TAG(鋱鋁石榴石)、矽酸鹽、硫化物、氮化物或是氮氧化物為主之螢光粉。
  3. 根據請求項2所述的暖色系光源，其中該螢光粉的發射主波長在540至600奈米。
  4. 根據請求項1所述的暖色系光源，其中該第二發光二極體的材料系列為AlInGaP，或是AlInGaN。
  5. 根據請求項1所述的暖色系光源，其中該第二發光二極體是封裝在下沉式導線架上。
  6. 根據請求項1所述的暖色系光源，其中該第一發光二極體與該螢光粉混成一白光發光二極體。
  7. 根據請求項6所述的暖色系光源，其中該白光發光二極體與該第二發光二極體分別封裝在不同的殼體內。
  8. 根據請求項7所述的暖色系光源，其中該白光發光二極體與該第二發光二極體的數量比例約為1比20至20比1之間。
  9. 根據請求項1所述的暖色系光源，其中該第一發光二極體與該第二發光二極體是封裝在同一封裝殼體內。
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