БЛОК СВЕТОДИОДА Российский патент 2014 года по МПК H01L33/50 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к области блоков светоизлучающих диодов (LED). В частности, изобретение относится к блокам световых устройств LED с люминофорами улучшенного излучения (pcLED). Такие сборки часто используют для обеспечения белого света.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

LED, излучающие белый свет, как правило, содержат LED синего излучения, объединенный со слоем люминофора, который стимулируется посредством синего излучения LED в излучаемый желтый свет, сочетание желтого и синего излучений, обеспечивает белый свет. Для направления нормали, вертикально к поверхности LED кристалла или вертикально к поверхности слоя люминофора с углом излучения 0°, длина пути световых лучей в слое люминофора, излучаемых LED синего излучения, равна толщине слоя люминофора. Для увеличения углов излучения длина пути синих световых лучей увеличивается. Таким образом, доля синих световых лучей, поглощенных слоем люминофора ниже для световых лучей с углом излучения 0°, чем для световых лучей с увеличивающимся углом излучения. Поскольку преобразованный свет, излучаемый слоем люминофора всегда имеет угловое распределение согласно закону Ламберта, белый свет, излучаемый посредством LED, имеет более высокую коррелированную цветовую температуру для нормального излучения с углом излучения приблизительно 0°. Как правило, слой люминофора представляет собой Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce). В случае такого YAG:Ce слоя люминофора излучаемый свет становится желтоватым с увеличением угла излучения, и воспринимается как желтое кольцо. Для решения проблемы желтого кольца известно увеличение рассеивающей способности слоя люминофора и/или добавление рассеивающего слоя поверх слоя люминофора. Для обоих решений снижение проблемы желтого кольца приводит к снижению эффективности LED, поскольку рассеивание сопровождается отражением света, ведущим к потере света. В частности, рассеивание люминофором с пониженной частотой излучаемого света ведет к отражению с сопровождаемыми потерями на отражении.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей изобретения является обеспечение блока светоизлучающего диода (LED), который решает указанную выше проблему желтого кольца без снижения эффективности блока LED.

Блок светоизлучающего диода (LED) согласно изобретению содержит LED кристалл, слой люминофора и фильтрующий слой, в котором фильтрующий слой разработан таким образом, что световые лучи с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм, предпочтительно приблизительно от 420 нм до 490 нм, излучаемые LED кристаллом, по меньшей мере, частично отражаются в зависимости от их угла излучения относительно нормали к фильтрующему слою.

LED кристалл предпочтительно представляет собой LED синего излучения. Слой люминофора предпочтительно представляет собой Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(YAG:Ce). Фильтрующий слой предпочтительно представляет собой диэлектрический фильтрующий слой. Этот фильтрующий слой обеспечивает полное пропускание световых лучей, излучаемых LED кристаллом, независимо от их длины волны в пределах диапазона видимости для больших углов излучения, предпочтительно угол излучения между 30° и 90° к нормали фильтра. Для меньших углов излучения предпочтительны углы излучения между 0° и 30° относительно нормали к фильтрующему слою, обеспечены частичные отражения световых лучей с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм. Световые лучи с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм представляют собой синие световые лучи, излучаемые посредством LED кристалла. Частичные отражения синих световых лучей, излучаемых посредством LED кристалла, в зависимости от их угла излучения относительно нормали к фильтрующему слою, обеспечивают однородность по углам излучения без потери эффективности света, излучаемого посредством LED. Нормаль к фильтрующему слою является вертикальной осью к плоской поверхности фильтрующего слоя.

Для однородного белого света, излучаемого посредством LED кристалла, отношение интенсивностей непосредственно излучаемого света от LED кристалла и преобразованного слоем люминофора света является константой для всех углов. Обычно свет, излучаемый посредством LED, обеспечивает конусообразную форму в области малого угла излучения, предпочтительно угол излучения приблизительно от 0° до 30° относительно нормали к фильтрующему слою. Однако желтый свет, излучаемый посредством LED кристалла, обычно обеспечивает шарообразную форму на всем угле излучения приблизительно от 0° до 90°. Таким образом, существуют области, особенно на больших углах излучения, предпочтительно между 30° и 90°, где отношение синего света к желтому уменьшается. Излучения под этими углами являются причиной проблемы желтого кольца. Посредством отражения некоторого количества синего света на малых углах излучения приблизительно от 0° до 30° возможно преобразование конусообразной формы синего света в шарообразную форму так, чтобы синий и желтый свет имели такое же отношение на всем угле излучения от 0° до 90°. Таким образом, суперпозиция желтого и синего света на всем угле излучения получена так, чтобы однородный белый свет излучался посредством блока LED на всем угле излучения без проблемы желтого кольца.

Предпочтительно, фильтрующий слой отражает световые лучи с углом излучения приблизительно от 0° до 30°, предпочтительно от 0° до 20°, относительно нормали к фильтрующему слою. Отраженные световые лучи являются синими световыми лучами излучаемого света LED кристалла с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм, предпочтительно от приблизительно 420 нм до 490 нм.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения приблизительно от 10% до 50%, предпочтительно от приблизительно 15% до 30% световых лучей, излучаемых посредством LED кристалла, отражаются посредством фильтрующего слоя в зависимости от их угла излучения. Отраженные световые лучи являются синими световыми лучами излучаемого света LED кристалла с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм, предпочтительно от приблизительно 420 нм до 490 нм. Таким образом, приблизительно от 10% до 50%, предпочтительно от 15% до 40% синих световых лучей, излучаемых посредством LED с углом излучения приблизительно от 0° до 40°, предпочтительно от приблизительно 0° до 30° относительно нормали к фильтрующему слою, отражаются. Остальные синие световые лучи, излучаемые посредством LED с углом излучения приблизительно от 0° до 40°, предпочтительно от приблизительно 0° до 30°, проходят фильтрующий слой без отражения.

Фильтрующий слой предпочтительно содержит слой диэлектрического покрытия, состоящего из чередующихся материалов с низким и высоким показателем преломления. Чередующиеся материалы с низким и высоким показателем преломления могут быть выбраны таким образом, что может быть достигнуто точно направленное отражение синего света, излучаемого посредством LED кристалла.

Материалы слоя диэлектрического покрытия предпочтительно являются проницаемыми для длины волны между 400 нм и 800 нм с показателем преломления материалов высокого показателя преломления в диапазоне от 1,6 до 3 и с показателем преломления материалов низкого показателя преломления в диапазоне от 1,2 до 1,8. Коэффициент поглощения обозначенных материалов является <0,00001 для длины волны >480 нм и <0,003 для длины волны >400 нм. Nb₂O₅ (оксид ниобия) предпочтительно используют в качестве материала с высоким показателем преломления, и SiO₂ (оксид кремния) предпочтительно используют в качестве материала с низким показателем преломления.

Предпочтительно фильтрующий слой содержит девять слоев материалов с высоким показателем преломления и девять слоев материалов с низким показателем преломления. Слои могут быть нанесены посредством технических приемов напыления тонкопленочных покрытий, таких как химическое парофазное осаждение или напыление.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения фильтрующий слой расположен между LED кристаллом и слоем люминофора. Таким образом, фильтрующий слой расположен сверху LED кристалла, и слой люминофора расположен сверху фильтрующего слоя.

Согласно другому варианту осуществления изобретения слой люминофора расположен сверху LED кристалла, и фильтрующий слой расположен сверху слоя люминофора.

Дополнительно, согласно дополнительному варианту осуществления изобретения, возможно снабдить блок LED первым слоем люминофора и вторым слоем люминофора, где фильтрующий слой расположен между первым слоем люминофора и вторым слоем люминофора. Предпочтительно первый слой люминофора расположен сверху LED кристалла.

Слой люминофора может содержать пластину Lumiramic и/или люминофор, помещенные в прозрачный материал матрицы. Пластина Lumiramic является поликристаллической керамической пластиной Ce (III), легированной иттрий-гадолиниевым гранатом (Y, GdAG:Ce). Существенным преимуществом является сочетание такой пластины Lumiramic с LED кристаллом синего излучения для производства белого света в диапазоне 5000 K коррелированной цветовой температуры. Рассеивание и выделение света посредством керамических цветопреобразующих пластин Lumiramic дает возможность изготовления надежных и эффективных белых pcLED. Измерение оптических свойств пластин Lumiramic до заключительной сборки LED позволяет подобрать и поместить компоновку с точным позиционированием желаемой точки белого цвета в LED.

Предпочтительно, блок LED может обеспечить прозрачную стеклянную пластину, которая функционирует в качестве подложки для фильтрующего слоя. Таким образом, фильтрующий слой не обязательно должен быть нанесен непосредственно на LED кристалл или слой люминофора. Фильтрующий слой может быть легко нанесен на прозрачную стеклянную пластину и после нанесения фильтрующего слоя на стеклянную пластину он выполнен с возможностью нанесения на блок LED.

Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения фильтрующий слой имеет итоговую толщину от 750 нм до 950 нм, предпочтительно от приблизительно 800 нм до 900 нм.

Дополнительно, согласно варианту осуществления изобретения слой люминофора имеет толщину приблизительно от 80 мкм до 150 мкм, предпочтительно от приблизительно 100 мкм до 130 мкм.

Кроме того, толщина слоев материалов высокого показателя преломления предпочтительно варьируется от 5 мкм до приблизительно 70 мкм и толщина слоев материалов низкого показателя преломления предпочтительно варьируется от приблизительно 20 нм до 300 нм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие аспекты изобретения станут очевидны и описаны со ссылкой на варианты осуществления и сопровождающие чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схематический вид первого варианта осуществления блока светодиода согласно изобретению;

Фиг.2 изображает диаграмму, показывающую коэффициент пропускания фильтрующего слоя изобретения, в зависимости от угла излучения и длины волны света, излучаемого посредством LED кристалла;

Фиг.3 изображает диаграмму, показывающую геометрическое расстояние координат цвета к координатам цвета в нормальном излучении в Однородном Цветовом Пространстве (CIE 1976) блока белого LED;

Фиг.4 изображает схематический вид второго варианта осуществления блока светодиода по изобретению; и

Фиг.5 изображает схематический вид третьего варианта осуществления блока светодиода по изобретению.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фиг.1 показан первый вариант осуществления блока светодиода (LED) согласно изобретению с LED кристаллом 10, слоем 12 люминофора и фильтрующим слоем 14. LED кристалл 10, слой 12 люминофора и фильтр 14 предпочтительно закрыты корпусом 16 полукруглой формы, который может иметь отражающее покрытие, нанесенное на его внутренние стенки. LED кристалл 10, который излучает синий свет с длиной волны приблизительно от 400 нм до 500 нм расположен на подложке блока 18 LED. Сверху LED кристалла 10 расположен слой 12 люминофора. Слой 12 люминофора излучает желтый свет с длиной волны приблизительно от 570 нм до 590 нм. Слой 12 люминофора может содержать пластину Lumiramic и/или люминофор, помещенный в прозрачный связующий материал. Толщина слоя 12 люминофора составляет приблизительно от 100 мкм до 120 мкм. Сверху слоя 12 люминофора расположен фильтрующий слой 14. Фильтрующий слой 12 содержит слой диэлектрического покрытия, состоящего из чередующихся материалов с низким и высоким показателем преломления, таких как Nb₂O₅ и SiO₂.

На фиг.2 показана диаграмма, показывающая коэффициент пропускания фильтрующего слоя 14 по изобретению в зависимости от угла излучения и длины волны света, излучаемого LED кристаллом. Фильтрующий слой 14, показанный на диаграмме, имеет структуру слоя, показанную в следующей таблице 1:

Таблица 1 Слой Материал Толщина [нм] 1 Nb₂O₅ 15,04 2 SiO₂ 40,81 3 Nb₂O₅ 19,95 4 SiO₂ 62,79 5 Nb₂O₅ 11,03 6 SiO₂ 554,43 7 Nb₂O₅ 1,32 8 SiO₂ 101,21 9 Nb₂O₅ 13,57 10 SiO₂ 76,41 11 Nb₂O₅ 19,62 12 SiO₂ 58,04 13 Nb₂O₅ 15,14 14 SiO₂ 72,37 15 Nb₂O₅ 15,13 16 SiO₂ 97,54 17 Nb₂O₅ 12,78 18 SiO₂ 90,31 19 Nb₂O₅ 7,44 20 SiO₂ 66,31 21 Nb₂O₅ 3,68

Различные линии, показанные на диаграмме, представляют собой различные углы излучения 0°, 26°, 40° и 77°. Как можно видеть, для больших углов излучения, таких как 40° и 77°, световые лучи в независимости от их длины волны способны проходить сквозь фильтрующий слой 14 без какого-либо отражения или поглощения. При этом угле излучения пропускание излучаемых световых лучей, в особенности синих излучаемых световых лучей, составляет приблизительно 100%. Для малых углов излучения, таких как 0° и 26°, синие световые лучи с длиной волны от 400 нм до 500 нм не способны полностью проходить сквозь фильтрующий слой. При этом угле излучения пропускание излучаемых световых лучей составляет приблизительно 80%. Приблизительно 20% синих световых лучей отражены фильтрующим слоем 14. Желтые световые лучи слоя 12 люминофора с длиной волны приблизительно от 520 нм до 650 нм способны полностью проходить сквозь фильтрующий слой в независимости от угла излучения. Таким образом, фильтрующий слой 14 только отражает некоторое количество синих излучаемых световых лучей. Частичные отражения синих световых лучей, излучаемых посредством LED кристалла 10 в зависимости от их угла излучения относительно нормали к фильтрующему слою 14 обеспечивают однородность по углам излучения без потери эффективности света, излучаемого LED кристаллом 10, поскольку синий свет, отраженный от фильтрующего слоя, поглощен слоем люминофора и преобразован в излучение люминофора.

Фильтрующий слой 14 также может иметь структуру слоя, показанную в следующей таблице 2:

Таблица 2 Слой Материал Толщина [нм] 1 Nb₂O₅ 25,85 2 SiO₂ 33,7 3 Nb₂O₅ 29,11 4 SiO₂ 36,26 5 Nb₂O₅ 11,19 6 SiO₂ 35,9 7 Nb₂O₅ 11,91 8 SiO₂ 95,52 9 Nb₂O₅ 14,5 10 SiO₂ 114,43 11 Nb₂O₅ 22,39 12 SiO₂ 50,5 13 Nb₂O₅ 32,33 14 SiO₂ 27,98 15 Nb₂O₅ 31,87 16 SiO₂ 68,13 17 Nb₂O₅ 12,63 18 SiO₂ 203,49

На фиг.3 показано геометрическое расстояние координат цвета к координатам цвета в нормальном излучении в Однородном Цветовом Пространстве (CIE 1976) блок белого LED без (сплошная линия) и с (пунктирная линия) фильтрующим слоем по изобретению в зависимости от угла излучения излучаемых световых лучей. Как можно видеть на диаграмме, с использованием фильтрующего слоя 14 по изобретению возможно получение практически постоянного цвета световых лучей, излучаемых посредством блоков LED в независимости от угла излучения световых лучей.

На фиг.4 показан схематический вид второго варианта осуществления блока светодиода согласно изобретению. В этом варианте осуществления фильтрующий слой 14 расположен между LED кристаллом 10 и слоем 12 люминофора.

На фиг.5 показан схематический вид третьего варианта осуществления блока светодиода согласно изобретению, при этом блок LED содержит первый слой 12 люминофора и второй слой 20 люминофора. Фильтрующий слой 14 расположен между первым слоем 12 люминофора и вторым слоем 20 люминофора, при этом первый слой 12 люминофора расположен сверху LED кристалла 10.

Несмотря на то, что изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, подобные иллюстрация и описание следует рассматривать как иллюстративные или примерные и не ограничительные, изобретение не ограничено описанными здесь вариантами осуществления.

Другие разновидности описанных вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены на практике специалистами в данной области описываемого в заявке изобретения, путем изучения чертежей, раскрытия сущности и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы, и упоминание предметов изобретения в единственном числе не исключает множественного числа. Тот факт, что определенные измерения, изложены во взаимно различных зависимых пунктах, не означает, что комбинация этих мер не может быть использована в качестве преимущества. Любые указания на ссылочные материалы в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничение области.

Блок LED, содержащий LED кристалл (10), слой (12) люминофора и фильтрующий слой (14), который расположен таким образом, что световые лучи, излучаемые от LED кристалла (10), с углом излучения ниже предварительно определенного угла относительно нормали фильтра, по меньшей мере, частично отражаются, и световые лучи, излучаемые от LED кристалла выше этого предварительно определенного угла, относительно нормали к фильтрующему слою (14) пропускаются. Изобретение обеспечивает возможность создания блока LED, который решает проблему желтого кольца без снижения эффективности блока LED. 13 з.п. ф-лы, 2 табл., 5 ил.

1. Блок LED, содержащий
LED кристалл (10),
слой (12) люминофора и
фильтрующий слой (14), который расположен таким образом, что световые лучи, излучаемые от LED кристалла (10), с углом излучения ниже предварительно определенного угла относительно нормали фильтра, по меньшей мере, частично отражаются, и световые лучи, излучаемые от LED кристалла выше этого предварительно определенного угла, относительно нормали к фильтрующему слою (14) пропускаются.

2. Блок LED по п.1, в котором фильтрующий слой (14) частично выполнен с возможностью отражения световых лучей с углом излучения приблизительно от 0° до 30°, предпочтительно от приблизительно 0° до 20°, относительно нормали к фильтрующему слою (14).

3. Блок LED по п.1, в котором приблизительно от 10% до 50%, предпочтительно от 15% до 30%, световых лучей, излучаемых посредством LED кристалла (10) отражаются в зависимости от их угла излучения к нормали фильтра (14).

4. Блок LED по п.1, в котором фильтрующий слой (14) содержит слой диэлектрического покрытия, состоящего из чередующихся материалов с низким и высоким показателем преломления.

5. Блок LED по п.4, в котором материалы слоя диэлектрического покрытия проницаемы для длины волны между 400 нм и 800 нм с показателем преломления материалов с высоким показателем преломления в диапазоне от 1,6 до 3 и с показателем преломления материалов с низким показателем преломления в диапазоне от 1,2 до 1,8.

6. Блок LED по п.4, в котором обеспечены девять слоев материалов с высоким показателем преломления и девять слоев материалов с низким показателем преломления.

7. Блок LED по п.1, в котором фильтрующий слой (14) расположен между LED кристаллом (10) и слоем (12) люминофора.

8. Блок LED по п.1, в котором слой (12) люминофора расположен сверху LED кристалла (10) и фильтрующий слой (14) расположен сверху слоя (12) люминофора.

9. Блок LED по п.1, в котором блок LED содержит первый слой (12) люминофора и второй слой (20) люминофора, при этом фильтрующий слой (14) расположен между первым слоем (12) люминофора и вторым слоем (18) люминофора.

10. Блок LED по п.1, в котором слой (12) люминофора содержит пластину Lumiramic и/или люминофор, помещенные в прозрачный материал матрицы.

11. Блок LED по п.1, в котором прозрачная стеклянная пластина обеспечена в качестве подложки для фильтрующего слоя (14).

12. Блок LED по п.1, в котором фильтрующий слой (14) имеет общую толщину от 750 нм до 950 нм, предпочтительно от 800 нм до 900 нм.

13. Блок LED по п.1, в котором слой (12) люминофора имеет толщину приблизительно от 80 мкм до 150 мкм, предпочтительно от приблизительно 100 мкм до 130 мкм.

14. Блок LED по п.4, в котором толщина слоев материалов с высоким показателем преломления варьируется от 5 нм до приблизительно 70 нм и толщина слоев материалов с низким показателем преломления варьируется от приблизительно 20 нм до 300 нм.