以二次雷射方式產生白光光源的方法及其白光發光組件的製作方法
2023-07-28 00:43:01 6
專利名稱：以二次雷射方式產生白光光源的方法及其白光發光組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以二次雷射方式產生白光光源的方法，尤其涉及一種可放射出高純度白光光源的白光發光組件，利用可放射出波長360～420nm紫外光或紫光的晶片作為光源，來激發塗布在該晶片上面但又混合有藍色螢光粉體與黃色螢光粉體配方的封裝材料，並放射出高純度的白光光源。
背景技術：
按目前所使用的傳統光源，使用上既然有熱輻射、重金屬汙染及高耗電量等缺點，基於節省能源和符合環保條件的目的，是應該汰換成具有高能源效率又符合環保條件的新光源產品。
而利用發光二極體(LED)或雷射(LD)等發光組件所製成的白光發光源，使用壽命長達十萬小時，既省電又可節省能源，又具有體積小、應答速度快、耐候性佳、不易破損、演色性佳、色溫接近太陽光等特質，已經被應用在許多可應用的場合上，尤其可減少熱輻射汙染，和沒有水銀等重金屬汙染，完全合乎環保要求，故已被公認為二十一世紀的主要照明光源。
早期白光發光源的製造方式，例如白色LEDs，藉由將發黃色光的磷光劑塗布在藍色發光二極體上而製成，但所產生的色澤並不佳；或者，以紅色發光二極體(RED LED)、藍色發光二極體(BLUE LED)及綠色發光二極體(GREEN LED)共同組成發光組件，利用紅、藍、綠三原色混光而形成白光，但因所使用紅色發光二極體、藍色發光二極體及綠色發光二極體的驅動電壓不同，所以具有驅動電路設計複雜、耗電量高及成本較高等缺點。
而日亞(Nichia)公司在所擁有的美國第6,069,440號專利中，首先提出以氮化銦鎵(InGaN)LED所產生的藍光，激發可發出黃色光的釔鋁石榴石(Y3Al5O12，Yttrium Aluminum Garnet，YAG)螢光粉，利用藍光與黃光混光後，以取得高效率的白光光源。
但是，當光源的波長低於420nm以下時，對於YAG螢光粉的雷射效率並不佳，而且，氮化銦鎵(InGaN)LED所產生的藍光，其最佳效率在波長400nm左右，因此，以氮化銦鎵(InGaN)LED所產生的藍光來激發YAG螢光粉，事實上並無法得到高效率的白光光源。換句話說，日亞(Nichia)公司所擁有的美國第6,069,440號專利，並不適用于波長400nm左右的光源。
為了改善上述缺點，奇異電器公司(General Electric Company)在所擁有的美國第6,255,670號專利中，揭露以紫外光LED激發紅色、綠色、藍色三種螢光粉，利用發出紅色、綠色、藍色三原色混光而形成白光，但波長400nm左右的光源，對於紅色螢光粉的雷射效率仍然不佳，因此，奇異電器公司所擁有的美國第6,255,670號專利，亦不適用于波長400nm左右的光源。
發明內容
本發明的主要目的即在揭示一種以二次雷射方式產生白光光源的方法可適用于波長400nm左右的光源，以紫光或紫外光發光二極體(LED)或雷射(LD)作為光源，放射出波長範圍為360～420nm的紫光或紫外光，來激發第一種藍色螢光粉體，發出以藍光為主波峰的一次激發光頻譜，利用此一次激發光頻譜，可激發第二種黃色螢光粉體，發出以黃光為主波峰的二次激發光頻譜，令一次激發光頻譜與二次激發光頻譜經過混光後，即形成白光發光源；所以，本發明所揭示的使用以二次雷射方式產生白光光源的方法，可以改進美國第6,069,440號及第6,255,670號專利不適用于波長400nm左右的光源的缺點。
本發明的次要目的即在揭示一種可放射出高純度白光光源的白光發光組件，由得以放射出波長360～420nm紫光或紫外光的晶片、及塗布在該晶片上的樹脂封裝層所構成，利用紫光或紫外光晶片放射出波長360～420nm的紫光或紫外光，以二次雷射方式，激發混合在所屬的樹脂封裝層內的螢光粉材料(Phosphors)放射出藍光及黃光，再經由混光過程而產生白光。
本發明的另一目的即在揭示一種白光發光組件，在所屬的樹脂封裝層內，得再添加可被紫外光或紫光激發的紅色螢光粉體或綠色螢光粉體，用來調整包括演色性及色溫的白光發光性質。
以光效函數而言，在明視的條件下，以波長為555nm的黃綠光，其光效值最大，因此，利用得以放射出短波長光源的晶片，來激發螢光粉材料(Phosphors)時，可以放射出長波長的光頻譜，以及，雷射的效果較佳；而且，當光源的波長愈短，其能量轉換的效率則愈高，故本發明以紫光或紫外光光源來激發藍光螢光粉體，使得藍光螢光粉體放射出以藍光為主波峰的光頻譜，藉以再激發黃光螢光粉體，使得黃光螢光粉體放射出以黃光為主波峰的光頻譜，可以得到最佳的光轉換效率。
本發明所揭示的以二次雷射方式產生白光光源的方法，其方法及原理如圖1所示，而圖2所示的白光發光組件10，即本方法發明的實際應用，是以能夠放射出如圖3所示的紫外光光頻譜、或圖4所示的紫光光頻譜的紫外光或紫光晶片20為發光組件，也即，得選用波長在360～420nm範圍內的紫外光或紫光發光二極體(LED)或紫外光或紫光雷射(LD)為光源，利用紫外光或紫光晶片20所放射的紫外光或紫光25，來激發一種藍色螢光粉體40配方，使本發明的藍色螢光粉體40得以放射出如圖5或圖6所示的以藍光45為主波峰的寬波段(broadbandspectrum)一次激發光頻譜(first spectrum)，再藉由此一次激發光頻譜的藍光45，來激發一種黃色螢光粉體50配方，使本發明的黃色螢光粉體50得以放射出如圖9所示的以黃光55為主波峰的寬波段(broadband spectrum)二次激發光頻譜(second spectrum)，由此二種藍色螢光粉體40及黃色螢光粉體50配方所放射出來的一次激發光波段(即，以藍光45為主波峰)及二次激發光波段(即，以黃光55為波峰)，可產生互補混光作用，故可放出如圖10所示的近於RGB三波段全光譜的高純度白光60。
此種以短波長光源產生白光60的方法，即為本發明所發明的以二次雷射方式產生白光光源的方法，而且由本方法發明所混光生成的白光60，為接近太陽光的光源，在日常照明中，極符合人體的需求，因此，可以克服習知技術以紫光或紫外光光源激發紅、綠、藍三色螢光粉體，在形成三波長混光時，容易發生混光不均及亮度不佳的缺點。
本發明所使用的藍色螢光粉體40配方，是從Sr10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ca10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ba10(PO4)6Cl12:Eu2+、Sr5(PO4)3Cl:Eu2+、及BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+的群體中選出其中一種；可以吸收全部或部分由紫外光或紫光晶片20所放射的紫光或紫外光25。
當本發明以紫外光晶片20為光源時，本發明的藍色螢光粉體40經由所放射的紫外光25激發，得以放射出如圖5所示的以藍光45為主波峰的寬波段一次激發光頻譜。
當本發明以紫光晶片20為光源時，本發明的藍色螢光粉體40經由所放射的紫光25激發，得以放射出如圖6所示的以藍光45為主波峰的寬波段一次激發光頻譜。
本發明所使用的黃色螢光粉體50配方，是從Y3Al5O12:Ce3+、Y3Ga5O12:Ce3+、Gd3Al5O12:Ce3+、及Gd3Ga5O12:Ce3+的群體中選出其中一種；如圖7及圖8所示，本發明的黃色螢光粉體50配方，對於紫光或紫外光25的激發，其雷射效果並不佳，但，可以吸收全部或部分由藍色螢光粉體40所放出的藍光45。
當本發明以紫外光晶片20為光源時，紫外光25激發藍色螢光粉體40放射出藍光45，而所放射的藍光45再激發本發明的黃色螢光粉體50，使其再放射出如圖9所示的以黃光55為主波峰的寬波段二次激發光頻譜。
據此，只需調整本發明所使用的藍色螢光粉體40配方及黃色螢光粉體50配方的成份及用量比例，就可輕易搭配不同波長的紫光或紫外光晶片20，而達到產生白光60光源的目的。
而且，藉助調整藍色螢光粉體40配方及黃色螢光粉體50配方的成份及用量比例，可輕易調整白光60的演色性及色溫等發光性質；此外，藉助另外加入可受紫外光或紫光25激發的綠色螢光粉體及紅色螢光粉體，可以輕易調整白光60的色溫及色光，或將白光60調整成其它不同色光的光源。
本發明所選用的紅色螢光粉體配方，是從Y2O2S:Eu2+，Bi3+、YVO4:Eu2+，Bi3+、SrS:Eu2+、SrY2S4:Eu2+、CaLaS4:Ce3+、CaS:Eu2+、及SrS:Eu2+的群體中選出其中一種。
而本發明所選用的綠色螢光粉體，是從BaMg2Al16O27:Eu2+，Mn2+、YBO3:Ce3+，Tb3+、SrAl2S4:Eu2+、BaAl2S4:Eu2+、CaAl2S4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+、BaGa2S4:Eu2+、及CaGa2S4:Eu2+的群體中選出其中一種。
圖1為本發明利用二次雷射方式產生白光的流程圖。
圖2為本發明的白光發光組件10利用二次雷射方式產生白光的結構圖。
圖3為本發明以紫外光晶片20作為光源時，其所放出來的紫外光光頻譜。
圖4為本發明以紫光晶片20作為光源時，其所放出來的紫光光頻譜。
圖5為本發明以紫外光晶片20為光源時，紫外光激發藍色螢光粉體40所放射出以藍光為主波峰的寬波段一次激發光頻譜。
圖6為本發明以紫光晶片20為光源時，紫光激發藍色螢光粉體40所放射出以藍光為主波峰的寬波段一次激發光頻譜。
圖7為本發明以紫外光晶片20為光源時，紫外光激發黃色螢光粉體50所放出來的黃光頻譜。
圖8為本發明以紫光晶片20為光源時，紫光激發黃色螢光粉體50所放出來的黃光光頻譜。
圖9為本發明以紫外光晶片20為光源時，紫外光激發藍色螢光粉體40放射出藍光45，此藍光45再激發黃色螢光粉體50放射出黃光55的二次激發光頻譜。
圖10為本發明以紫外光二次雷射方式產生白光的光頻譜。
圖11為本發明的白光發光組件10的第二種實施例結構圖。
圖12為本發明的白光發光組件10的第三種實施例結構圖。
符號說明10白光發光組件20紫外光或紫光晶片25紫外光或紫光30樹脂封裝層31第一塗布層 32第二塗布層33第三塗布層 35封裝材料40藍色螢光粉體45藍光50黃色螢光粉體55黃光60白光具體實施方式
請參考圖2，本發明以二次雷射方式產生白光光源的方法，可實際應用於白光發光組件10上，而產生高純度的白光光源，所以，可應用於提供室內照明、特殊照明、LCD背光源、掃描儀、傳真機、手機與軍事照明等用途。
本發明的白光發光組件10，由可放出波長360-420nm紫光或紫外光的紫外光或紫光晶片20，及塗布在該紫外光或紫光晶片20上的樹脂封裝層30所構成，其中，該樹脂封裝層30是由封裝材料35混合藍色螢光粉體40與黃色螢光粉體50，或者，再進一步混合有紅色螢光粉體、綠色螢光粉體，經過熱固化或光硬化而形成。
而該藍色螢光粉體40是從Sr10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ca10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ba10(PO4)6Cl12:Eu2+、Sr5(PO4)3Cl:Eu2+、及BaMgAl10O17: Eu2+，Mn2+的群體中選出其中一種；該黃色螢光粉體50是從Y3Al5O12:Ce3+、Y3Ga5O12:Ce3+、Gd3Al5O12:Ce3+、及Gd3Ga5O12:Ce3+的群體中選出其中一種；該綠色螢光粉體是從BaMg2Al16O27:Eu2+，Mn2+、YBO3:Ce3+，Tb3+、SrAl2S4:Eu2+、BaAl2S4:Eu2+、CaAl2S4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+、BaGa2S4:Eu2+、及CaGa2S4:Eu2+的群體中選出其中一種；及該紅色螢光粉體是從Y2O2S:Eu2+，Bi3+、YVO4:Eu2+，Bi3+、SrS:Eu2+、SrY2S4:Eu2+、CaLaS4:Ce3+、CaS:Eu2+、及SrS:Eu2+的群體中選出其中一種。
當白光發光組件10的封裝材料35、藍色螢光粉體40、黃色螢光粉體50、紅色螢光粉體、綠色螢光粉體所形成的配方總重量為A，而封裝材料35的重量為E、藍色螢光粉體40的重量為B、黃色螢光粉體50的重量為Y、紅色螢光粉體的重量為R、綠色螢光粉體的重量為G，則各組成成份之間的重量關係，滿足E≥50％A；B+Y+R+G≤50％A；5％A≤B≤40％A；5％A≤Y≤40％A；0.001％A≤R≤20％A；0.0001％A≤G≤20％A。
請參考圖11，本發明的第二種白光發光組件10具體實施例，也可將藍色螢光粉體40與封裝材料35混合，先塗布於紫外光或紫光晶片20上，形成第一塗布層31，待此第一塗布層31熱固化或光硬化後，將黃色螢光粉體50、藍色螢光粉體40、紅色螢光粉體、綠色螢光粉體與封裝材料35混合，再塗布於第一塗布層31上，以形成第二塗布層32，並進行熱固化或光硬化。或者，請參考圖12，又在第二塗布層32上，再塗布一層由封裝材料35所構成的第三塗布層33，並進行熱固化或光硬化，而構成本發明的第三種白光發光組件10具體實施例。此種塗布方式，可提高藍色螢光粉體40對紫外光或紫光的轉化效率，少量未轉化的紫外光或紫光，可再由第二塗布層32的黃色螢光粉體50吸收或轉化，故可得到較佳的光轉換效率，紫外光充分轉換為可見光的效率高。
其中，第二種及第三種白光發光組件10的第一塗布層31及第二塗布層32的組成成份，滿足以下的重量關係第一塗布層31由封裝材料35與藍色螢光粉體40所形成的配方總重量為A，而封裝材料35的重量為E、藍色螢光粉體40的重量為B，則E≥50％A；5％A≤B≤50％A；
第二塗布層32由封裝材料35、黃色螢光粉體50、紅色螢光粉體及綠色螢光粉體所形成的配方總重量為X，封裝材料、而封裝材料35的重量為E、黃色螢光粉體50的重量為Y、紅色螢光粉體的重量為R、綠色螢光粉體的重量為G，則E≥50％X；Y+R+G≤50％X；5％X≤Y≤50％X；0.001％X≤R≤20％X；0.0001％X≤G≤20％X。
權利要求
1.一種以二次雷射方式產生白光光源的方法，其利用可放出紫光或紫外光的發光組件為光源，放出波長範圍為360-420nm的紫光或紫外光，先激發第一種藍色螢光粉體，發出一次放光光譜，利用此一次放光光譜，再激發第二種黃色螢光粉體，發出二次放光光譜，令一次放光光譜與二次放光光譜混光後，而形成白光發光源。
2.如權利要求1所述的以二次雷射方式產生白光光源的方法，其中，作為光源使用的發光組件，為紫光或紫外光發光二極體。
3.如權利要求1所述的以二次雷射方式產生白光光源的方法，其中，作為光源使用的發光組件，為紫光或紫外光雷射。
4.如權利要求1所述的以二次雷射方式產生白光光源的方法，利用調整藍色螢光粉體與黃色螢光粉體的比例，可調整白光光源的色溫及演色性。
5.如權利要求1所述的以二次雷射方式產生白光光源的方法，利用加入紅色螢光粉體及綠色螢光粉體，可調整成不同色系的光源。
6.一種白光發光組件，以二次雷射方式產生白光光源，由可放出波長360-420nm紫光或紫外光的晶片及塗布在該晶片上的樹脂封裝層所構成，其中，該樹脂封裝層是由封裝材料混合藍色螢光粉體與黃色螢光粉體所構成，而且該藍色螢光粉體是從Sr10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ca10(PO4)6Cl12:Eu2+、Ba10(PO4)6Cl12:Eu2+、Sr5(PO4)3Cl:Eu2+、及BaMgAl10O17:Eu2+，Mn2+的群體中選出其中一種，和該黃色螢光粉體是從Y3Al5O12:Ge3+、Y3Ga5O12:Ce3+、Gd3Al5O12:Ce3+、及Gd3Ga5O12:Ce3+的群體中選出其中一種。
7.如權利要求6所述的白光發光組件，其中，該樹脂封裝層內進一步混合有綠色螢光粉體，而且該綠色螢光粉體是從BaMg2Al16O27:Eu2+，Mn2+、YBO3:Ce3+，Tb3+、SrAl2S4:Eu2+、BaAl2S4:Eu2+、CaAl2S4:Eu2+、SrGa2S4:Eu2+、BaGa2S4:Eu2+、及CaGa2S4:Eu2+的群體中選出其中一種。
8.如權利要求6或7所述的白光發光組件，其中，該樹脂封裝層內進一步混合有紅色螢光粉體，而且該紅色螢光粉體是從Y2O2S:Eu2+，Bi3+、YVO4:Eu2+，Bi3+、SrS:Eu2+、SrY2S4:Eu2+、CaLaS4:Ce3+、CaS:Eu2+、及SrS:Eu2+的群體中選出其中一種。
9.如權利要求8所述的白光發光組件，其中，該樹脂封裝層的總重量為A，而封裝材料的重量為E、藍色螢光粉體的重量為B、黃色螢光粉體的重量為Y、紅色螢光粉體的重量為R、綠色螢光粉體的重量為G，令各組成成份之間的重量關係，滿足以下條件，E≥50％A；B+Y+R+G≤50％A；5％A≤B≤40％A；5％A≤Y≤40％A；0.001％A≤R≤20％A；及0.0001％A≤G≤20％A。
10.如權利要求8所述的白光發光組件，其中，該樹脂封裝層為二層疊層結構，第一塗布層是由封裝材料混合藍色螢光粉體所構成的塗布層，塗布在該晶片上，第二塗布層是由封裝材料混合黃色螢光粉體、藍色螢光粉體、紅色螢光粉體及綠色螢光粉體所構成的塗布層，塗布在第一塗布層上；其中，第一塗布層的總重量為A，而所屬的封裝材料的重量為E及藍色螢光粉體的重量B，兩者之間的重量關係，滿足E≥50％A及5％A≤B≤50％A的條件；而且，第二塗布層的總重量為X，而所屬的封裝材料的重量為E、藍色螢光粉體的重量為B、黃色螢光粉體的重量為Y、紅色螢光粉體的重量為R、綠色螢光粉體的重量為G，令各組成成份之間的重量關係，滿足以下條件，E≥50％X；B+Y+R+G≤50％X；0％X≤B≤5％X；5％X≤Y≤50％X；0.001％X≤R≤20％X；及0.0001％X≤G≤20％X。
全文摘要
一種以二次雷射方式產生白光光源的方法，其利用能發出紫外光或紫光(波長360－420nm)的發光源，如發光二極體(簡稱LED)或鐳射(簡稱LD)，激發藍色螢光粉體，放射出以藍光為主波峰的寬波段一次激發光頻譜，此一次激發光頻譜再激發能階較低的黃色螢光粉體，即可放射出以黃光為主波峰的寬波段二次激發光頻譜，經過適當調整此二種螢光粉體的比例，使所放出的一次激發光頻譜及二次激發光頻譜可產生互補混光作用，而產生全光譜的白光；此外，可另加入可為紫外光或紫光激發的紅色螢光粉體或綠色螢光粉體，以調整白光的不同演色性及色溫，並且可調整出其它不同色光的光源。
文檔編號H01S5/00GK1547266SQ20031012131
公開日2004年11月17日 申請日期2003年12月11日 優先權日2003年12月11日
發明者楊銘發, 張紀銘, 馮殿潤 申請人:南亞塑膠工業股份有限公司