使用基於副Ⅱ族元素硒化物的磷光體材料發射輸出光的器件和方法
2023-12-08 06:11:06 4
專利名稱：使用基於副Ⅱ族元素硒化物的磷光體材料發射輸出光的器件和方法
技術領域：
本發明一般地涉及發光二極體光源，更具體地涉及使用基於副II族元素硒化物的磷光體材料發射輸出光的器件和方法。
背景技術：
在過去的20年中，對於比如白熾燈、滷素燈和日光燈的傳統光源來說並沒有顯著的改進。但是，發光二極體(LED)在工作效率方面已經被提高到一定程度，這使得在比如交通信號燈、汽車尾燈的單色發光應用中，LED現在正逐步替代傳統光源。這一定程度上是因為LED相對傳統光源具有很多的優點。這些優點包括工作壽命長、功耗低以及尺寸小。
LED是典型的單色半導體光源，並且目前已經可以得到從紫外光-藍光到綠光、黃光以及紅光的各種顏色。由於其窄帶發射特性，單色LED還不能被直接用於「白」光應用中。相反，單色LED的輸出光必須與一種或多種不同波長的其它光相混合來產生白光。使用單色LED來產生白光的兩種通常的方法包括(1)將單獨的紅光、綠光和藍光LED封裝在一起，使得由這些LED發出的光相組合來產生白光；以及(2)在紫外光、藍光或綠光LED中引入螢光材料，使得由LED半導體管芯(die)發出的一些初始光被轉換為波長更長的光，並且與初始的紫外光、藍光或綠光相組合來產生白光。
在這兩種使用單色LED來產生白光的方法中，第二種方法通常相對第一種方法更優。與第二種方法相比，第一種方法需要更為複雜的驅動電路，這是因為紅光、綠光和藍光LED包括具有不同工作電壓要求的半導體管芯。除具有不同工作電壓要求外，紅光、綠光和藍光LED在它們的工作壽命期間衰減不同，這使得使用第一種方法在延長的時間裡難以控制顏色。而且，由於第二種方法只需要單一類型的單色LED，使用第二種方法能夠得到更為緊湊的器件，這樣構造更簡單、造價更低。而且，第二種方法可以得到更寬的光發射，它們將會轉變為具有更好的演色性(color-rendering characteristics)的輸出光。
對產生白光的第二種方法的一個擔憂就是，目前被用來轉換紫外光、藍光或綠光的螢光材料會導致LED的亮度效率(luminance efficiency)和/或輸出的時間穩定性低於理想水平。
考慮到這種擔憂，需要一種利用螢光磷光體材料來產生具有高亮度效率和良好的輸出穩定性的白色輸出光的LED及方法。
發明內容
一種發射輸出光的器件和方法，它們利用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將器件的光源所發出的至少一些初始光轉換為波長更長的光，以改變輸出光的光譜。於是，該器件和方法可以被用來產生白色光。基於副II族元素硒化物的磷光體材料被包括在光耦合到光源的波長移位區域裡，該光源可以是藍-綠髮光二極體(LED)管芯。
根據本發明實施例的發射輸出光的器件包括光源，該光源發射位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光；該器件還包括光耦合到光源以接收第一光的波長移位區域。波長移位區域包括基於副II族元素硒化物的磷光體材料，該磷光體材料具有將至少一些所述第一光轉換為第二峰值波長的第二光的性質。第二光是輸出光的組成部分。
根據本發明實施例的發射輸出光的方法包括產生位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光，接收第一光，這包括使用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將至少一些第一光轉換為第二峰值波長的第二光；以及將第二光作為輸出光的組成部分出射。
結合附圖，下面的詳細敘述以舉例的方式圖示說明了本發明的原則，本發明的其它方面和優點將由此變得更加清楚。
圖1示出了根據本發明實施例的白光磷光體轉換LED的示意圖；
圖2A、2B和2C示出了根據本發明實施例的具有其它燈泡構造的白光磷光體轉換LED的示意圖；圖3A、3B、3C和3D示出了根據本發明其它實施例的具有帶反射體杯的引線框架的白光磷光體轉換LED的示意圖；圖4A和4B分別示出了根據本發明實施例的具有藍光和綠光LED管芯的白光磷光體轉換LED的光譜；圖5是根據本發明實施例的白光磷光體轉換LED亮度隨時間衰減的圖；圖6是根據本發明實施例的用於發射輸出光的方法的流程圖。
具體實施例方式
參考圖1，示出了根據本發明實施例的白光磷光體轉換發光二極體(LED)100。LED 100被設計來產生具有高亮度效率和優良的光輸出穩定性的「白」色輸出光。該白色輸出光是這樣產生的通過使用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將LED 100產生的一些初始光轉變為波長更長的光。在一個示例性的實施例中，LED 100隻包括單一類型的磷光體。於是，在該實施例中，LED 100並不像在一些傳統的白光磷光體轉換LED中的那樣，它並不需要不同磷光體的複雜混合物。
如圖1所示，白光磷光體轉換LED 100是引線框架安裝的LED。該LED 100包括LED管芯102、引線框架104和106、導線108和燈泡110。LED管芯102是產生特定峰值波長的光的半導體晶片。因此，LED管芯102是用於LED 100的光源。在示例性實施例中，LED管芯102被設計來產生在可見波長範圍內具有峰值波長的光，比如處在可見波長範圍中藍-綠光區域的400-520nm範圍內。LED管芯102被置於引線框架104上並且通過導線108電連接到另一個引線框架106。引線框架104和106提供驅動LED管芯102所需的電力。LED管芯102被包封在燈泡110中，該燈泡110是用於傳播LED管芯102的光的媒介。燈泡110包括主體部分112和輸出部分114。在該實施例中，燈泡110的輸出部分114是拱頂形狀的，並起到透鏡的功能。於是，從LED 100發射的光作為輸出光由燈泡110拱頂形狀的輸出部分114聚焦。但是，在其它實施例中，燈泡110的輸出部分114可以是水平的平面。
白光磷光體轉換LED 100的燈泡110由透明物質製成，使得來自LED管芯102的光能夠穿過燈泡並且能夠從燈泡的輸出部分114發射出去，這種透明物質可以是任何透明材料，比如清亮的環氧樹脂。在該實施例中，燈泡110包括波長移位區域116，這也是一種傳播光的介質，由透明物質與基於副II族元素硒化物的螢光磷光體材料的混合物製成。基於副II族元素硒化物的磷光體材料118被用來將一些由LED管芯102發出的初始光轉換為能量更低(波長更長)的光。基於副II族元素硒化物的磷光體材料118吸收一些由LED管芯102發出的初始光並且發出更長波長的光，所吸收的光激發基於副II族元素硒化物的磷光體材料中的原子。經過轉換的光的峰值波長部分地由初始光的峰值波長以及基於副II族元素硒化物的磷光體材料118確定。沒有被吸收的來自LED管芯102的初始光以及經過轉換的光被組合起來產生「白」色的光，該白光作為LED 100的輸出光從燈泡110的輸出部分出射。在示例性的實施例中，基於副II族元素硒化物的磷光體材料118具有這樣的性質，即它將來自LED管芯102的一些初始光轉換為峰值波長更長且位於可見光譜的紅色波長範圍內的光，這大約是620nm-800nm。
在一個實施例中，被包括在燈泡110的波長移位區域116中的基於副II族元素硒化物的磷光體材料118是由一種或多種適當的摻雜劑活化的硒化鋅(ZnSe)製成的磷光體，這些摻雜劑比如有銅(Cu)、氯(Cl)、氟(F)、溴(Br)、銀(Ag)和稀土元素。在一個示例性的實施例中，基於副II族元素硒化物的磷光體材料118是由Cu活化的ZnSe(即，ZnSe:Cu)製成。與那些用來使LED產生白光的傳統螢光磷光體材料(比如氧化鋁、氧化物、硫化物、磷酸鹽以及滷代磷酸鹽)不同，ZnSe:Cu磷光體在對LED管芯所發出的光進行波長移位轉換方面效率很高。這是由於，大部分傳統的螢光磷光體材料具有大的帶隙(bandgap)，這阻止了該磷光體材料有效地吸收比如藍-綠光的光，並將其轉換為波長更長的光。相反的是，ZnSe:Cu磷光體具有更小的帶隙，這相當於在利用螢光進行的波長移位轉換方面具有更高的效率。
ZnSe基的磷光體是優選的用於燈泡110的波長移位區域116中基於副II族元素硒化物的磷光體材料118。但是，波長移位區域116中基於副II族元素硒化物的磷光體材料118可以是由一種或多種比如Cu、Cl、F、Br、Ag和稀土元素的適當摻雜劑活化的硒化鎘(CdSe)製成。或者，波長移位區域116中基於副II族元素硒化物的磷光體材料118可以包括由一種或多種摻雜劑活化的ZnSe和CdSe組合物。
優選的ZnSe:Cu磷光體能夠通過各種技術合成。一種技術包括將預定數量的未摻雜的ZnSe材料幹磨為精細的粉末或晶體，其可以小於5微米。然後，將少量的Cu摻雜劑加入到比如甲醇的醇類溶液中，與未摻雜的ZnSe粉末進行球磨。添加到溶液中的Cu摻雜劑的量可以是從最低量到ZnSe材料和Cu摻雜劑總重量的大約6％之間的任何值。摻雜後的材料然後在大約100攝氏度(100℃)下用烤箱烘乾，所製得的餅被重新幹磨以產生小的顆粒。研磨後的材料被加載到比如石英坩鍋的坩鍋中，在大約1,000攝氏度(1,000℃)下、於惰性氣氛中燒結1到2小時。然後，如果需要可以對燒結後的材料過篩，以產生具有理想顆粒大小分布的ZnSe:Cu磷光體粉末，其顆粒大小可以是微米級的。
ZnSe:Cu磷光體粉末還可以被進一步處理來產生具有矽石(silica)塗層的磷光體顆粒。磷光體顆粒上的矽石塗層減少了磷光體顆粒在與透明物質相混合以形成LED中的波長移位區域(比如燈泡110的波長移位區域116)時它們的團簇和聚集。磷光體顆粒的團簇和聚集能夠導致產生具有非均勻顏色分布的輸出光的LED。
為了將矽石塗層施加到ZnSe:Cu磷光體顆粒上，過篩後的材料被進行退火處理以將磷光體顆粒退火和去除汙染物。接下來，磷光體顆粒與矽石顆粒混合，然後該混合物在爐中約200攝氏度下加熱。所施加的熱量在磷光體顆粒上形成薄的矽石塗層。磷光體顆粒上的矽石塗層的量與磷光體顆粒相比大約是1％。所得到的具有矽石塗層的ZnSe:Cu磷光體顆粒可以具有小於或等於30微米的顆粒大小。
在完成合成操作之後，ZnSe:Cu磷光體粉末能夠和例如環氧樹脂的與燈泡110相同的透明物質混合，沉積在LED管芯102的周圍以形成燈泡的波長移位區域116。燈泡110的剩餘部分能夠通過沉積不含有ZnSe:Cu磷光體粉末的透明物質來形成，以製造出白光磷光體轉換LED 100。雖然在圖1中所示出的燈泡110的波長移位區域116為矩形的，但是波長移位區域可以被構造為其它形狀，比如半球形。而且，在其它實施例中，波長移位區域116可以不與LED管芯102在物理上相耦合。於是，在這些實施例中，波長移位區域116可以被置於燈泡110中的其它位置。
在圖2A、2B和2C中，示出了根據本發明實施例的具有其它燈泡構造的白光磷光體轉換LED 200A、200B和200C。圖2A的白光磷光體轉換LED 200A包括燈泡210A，其中整個燈泡都是波長移位區域。於是，在該構造中，整個燈泡210A都是由透明物質與基於副II族元素硒化物的磷光體材料118的混合物製成。圖2B的白光磷光體轉換LED 200B包括燈泡210B，其中波長移位區域216B位於燈泡的外表面上。於是，在該構造中，燈泡210B中不含有基於副II族元素硒化物的磷光體材料118的區域首先在LED管芯102上形成，並且然後在該區域上沉積透明物質與基於副II族元素硒化物的磷光體材料118的混合物以形成燈泡的波長移位區域216B。圖2C的白光磷光體轉換LED 200C包括燈泡210C，其中波長移位區域216C是塗覆在LED管芯102上的透明物質與基於副II族元素硒化物的磷光體材料118的混合物薄層。於是，在該構造中，首先用透明物質與基於副II族元素硒化物的磷光體材料118的混合物塗覆或覆蓋LED管芯102以形成波長移位區域216C，然後燈泡210C的剩餘部分可以通過在波長移位區域上沉積不含有磷光體材料的透明物質形成。例如，LED 200C的波長移位區域216C的厚度可以在10到60微米之間，這取決於由LED管芯102所產生的光的顏色。
在另一個實施例中，LED管芯被置於白光磷光體轉換LED的引線框架上，該引線框架可以包括反射體杯，如圖3A、3B、3C和3D所示。圖3A-3D示出了具有不同燈泡構造的磷光體轉換的LED 300A、300B、300C和300D，其包括具有反射體杯322的引線框架320。該反射體杯322設置了用於放置LED管芯102的凹陷區域，使得由該LED管芯所產生的一些光被反射離開引線框架320，從而能從各個LED發射出去以作為有用的輸出光。
上述不同燈泡構造能夠被應用於其它類型的LED，比如表面安裝的LED，以使用根據本發明的基於副II族元素硒化物的磷光體材料來製造其它類型的白光磷光體轉換LED。此外，這些不同的燈泡構造能夠被應用於其它類型的發光器件，比如半導體雷射器件，以根據本發明得到其它類型的發光器件。在這些發光器件中，光源可以是除LED外的任何光源，比如雷射二極體。
現在轉向圖4A，其中示出了根據本發明實施例的具有藍光LED管芯的白光磷光體轉換LED的光譜424。該LED的波長移位區域是由相對於環氧樹脂為40％的ZnSe:Cu磷光體形成。被包括在LED的波長移位區域中的ZnSe:Cu磷光體的加載含量或百分比數量可以根據磷光體的效率而改變。隨著磷光體效率的增加(例如，可以通過改變摻雜劑的量來增加磷光體效率)，可以減少加載含量。光譜424包括位於480nm附近的第一峰值波長426，其對應於從藍光LED管芯發射的光的峰值波長，光譜424還包括位於650nm附近的第二峰值波長428，這是由該LED的波長移位區域中的ZnSe:Cu磷光體轉換後的光的峰值波長。類似地，在圖4B中，示出了根據本發明實施例的具有綠光LED管芯的白光磷光體轉換LED的光譜430。該LED的波長移位區域是由相對於環氧樹脂為45％的ZnSe:Cu磷光體形成。光譜430包括位於494nm附近的第一峰值波長432，其對應於從綠光LED管芯發射的光的峰值波長，光譜430還包括位於650nm附近的第二峰值波長434，這是由該LED的波長移位區域中的ZnSe:Cu磷光體轉換後的光的峰值波長。於是，通過調節被包括在LED波長移位區域中的ZnSe:Cu磷光體的相對量可以將峰值波長不同的光進行波長移位至大致相同的峰值波長。
圖5是根據本發明實施例的白光磷光體轉換LED亮度隨時間衰減的圖，其中該LED具有相對於環氧樹脂為45％的ZnSe:Cu磷光體的波長移位區域。如圖5所示，在暴露於高強度的光(即，由LED半導體管芯所發出的光)的延長時間內，白光磷光體轉換LED的亮度性質僅經歷了很小的變化。於是，在LED中所使用的ZnSe:Cu磷光體具有優良的抗光性。該抗光性不限於由LED半導體管芯所發出的光，而且也包括任何外來光，比如包括有紫外光的陽光。於是，根據本發明的LED適於室外使用，而且能夠提供隨時間推移穩定的亮度，並具有最小的顏色漂移。此外，由於ZnSe:Cu磷光體的餘輝延續時間短，所以這些LED能夠在需要高響應速度的應用中使用。
參考圖6說明了根據本發明實施例的用於產生白色輸出光的方法。在框602，產生位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光。第一光可以由LED管芯產生，比如藍-綠LED管芯。接下來，在框604，接收第一光，並且使用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將一些第一光轉換為第二峰值波長的第二光。接下來，在框606，第一光和第二光作為輸出光的組成部分出射。
雖然已經對本發明的具體的實施例進行了說明和圖示，但是本發明不限於這裡所說明和圖示的具體形式或部件布置。而且，本發明不限於用於產生白色輸出光的器件和方法。本發明也包括用於其它類型的輸出光的器件和方法。舉例來說，根據本發明的基於副II族元素硒化物的磷光體材料可以被用在這樣的發光器件中——其中幾乎由光源所產生的全部初始光都被轉換為具有不同波長的光，在這樣的情形輸出光的顏色可能不是白色的。本發明的範圍由所附的權利要求和它們的等同物所確定。
本申請要求2004年1月21日遞交、申請號為10/761,762的美國專利申請和2004年8月17日遞交、申請號為10/920,791的美國專利申請的優先權，這裡引用其全文以作參考。
權利要求
1.一種發射輸出光的器件，所述器件包括發射位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光的光源；光耦合到所述光源以接收所述第一光的波長移位區域，所述波長移位區域包括基於副II族元素硒化物的磷光體材料，所述磷光體材料具有將至少一些所述第一光轉換為第二峰值波長的第二光的性質，所述第二光是所述輸出光的組成部分。
2.如權利要求1的器件，其中所述波長移位區域中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料摻雜有至少一種稀土元素。
3.如權利要求1的器件，其中所述波長移位區域中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括磷光體顆粒。
4.如權利要求3的器件，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有矽石塗層。
5.如權利要求3的器件，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有小於或等於30微米的顆粒大小。
6.如權利要求1的器件，其中所述波長移位區域中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括硒化鋅。
7.如權利要求1的器件，其中所述波長移位區域中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括硒化鎘。
8.一種發射輸出光的器件，所述器件包括發射位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光的半導體管芯；被設置來接收所述第一光的含磷光體介質，所述含磷光體介質包括基於副II族元素硒化物的磷光體材料，所述磷光體材料具有將至少一些所述第一光轉換為第二峰值波長的第二光的性質，所述第二光是所述輸出光的組成部分。
9.如權利要求8的器件，其中所述含磷光體介質中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料摻雜有至少一種稀土元素。
10.如權利要求8的器件，其中所述含磷光體介質中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括磷光體顆粒。
11.如權利要求10的器件，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有矽石塗層。
12.如權利要求10的器件，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有小於或等於30微米的顆粒大小。
13.如權利要求8的器件，其中所述含磷光體介質中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括硒化鋅。
14.如權利要求8的器件，其中所述含磷光體介質中的所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括硒化鎘。
15.一種用於發射輸出光的方法，所述方法包括產生位於可見波長範圍內的第一峰值波長的第一光；接收所述第一光，這包括使用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將至少一些所述第一光轉換為第二峰值波長的第二光；以及將所述第二光作為所述輸出光的組成部分發射出去。
16.如權利要求15的方法，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料摻雜有至少一種稀土元素。
17.如權利要求15的方法，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括磷光體顆粒。
18.如權利要求17的方法，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有矽石塗層。
19.如權利要求17的方法，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料的磷光體顆粒具有小於或等於30微米的顆粒大小。
20.如權利要求15的方法，其中所述基於副II族元素硒化物的磷光體材料包括硒化鋅和硒化鎘中的一種。
全文摘要
本發明公開了一種發射輸出光的器件和方法，它們利用基於副II族元素硒化物的磷光體材料將器件光源所發出的至少一些初始光轉換為波長更長的光，以改變輸出光的光譜。於是，該器件和方法可以被用來產生白光。基於副II族元素硒化物的磷光體材料被包括在光耦合到光源的波長移位區域中，該光源可以是藍－綠髮光二極體(LED)管芯。
文檔編號C09K11/88GK1716652SQ200510002578
公開日2006年1月4日 申請日期2005年1月21日 優先權日2004年1月21日
發明者蔡美鶯, 伍啟元, 阿茲利達·艾哈邁德 申請人:安捷倫科技有限公司