关于发光二极管的发光装置与驱动方法
【专利摘要】本发明公开一种关于发光二极管的发光装置与驱动方法。发光装置包含、至少一蓝光发光二极管管芯、至少一红光发光二极管管芯、及一电连接结构。蓝光发光二极管管芯可发出第一种光。红光发光二极管管芯设可发出第二种光。电连接结构电连接蓝光发光二极管管芯以及红光发光二极管管芯，并使其发光。当蓝色与红光发光二极管管芯发光时，蓝光发光二极管管芯以及红光发光二极管管芯分别消耗一第一电功率WB以及一第二电功率WR，且发光装置的相关色温为TN绝对温度。功率比RW为第一电功率WB对第二电功率WR的比值。功率比RW大约介于7.67*ln(TN)–56.6到5.01*ln(TN)–37.2之间。
【专利说明】关于发光二极管的发光装置与驱动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发光二极管，尤其是涉及采用发光二极管，可以产生高演色性指标的发光装置以及相关的驱动方法。
【背景技术】
[0002]发光二极管(light emitting diodes,LEDs)是一种以半导体为材料的发光装置。因为LED本身具有高寿命、省电、轻巧等优点，LED渐渐地取代像是钨丝灯泡等的一些传统发光装置。LED所发出的光颜色往往取决于制造时所采用的半导体材料。
[0003]有些LED所采用的半导体材料是三五族合金，像是氮化镓(galliumnitride,GaN)。制造LED的过程,一般是将这些合金以外延的方式一层一层沉积在碳化娃(siliconcarbide)基底或是蓝宝石(sapphire)基底上。而这些合金可以有P型或是η型掺杂来调整其电性特质。以GaN为基础的LED所发出的光，其颜色，在光谱上大致是落在紫外线(UV)或是蓝色附近。
[0004]为了照明上的使用，可以在LED上覆盖一层荧光粉来达到此目的。荧光粉是一种光致发光的物质，它可以吸收光谱中某一部分的电磁波，然后发出在光谱中另一部分的电磁波。因此，当LED上覆盖一层荧光粉时，LED中没有被荧光粉层所吸收的光、以及荧光粉所发出的光互相混合之后，就可产生所希望的颜色与亮度。
[0005]以白光为例，白光LED所采用的是以InGaN为发光层的蓝光LED，而这蓝光LED上涂布有荧光粉，其可以将蓝光LED所发出的部分蓝光，转换成黄光或是黄绿光。当此白光LED被供电时，蓝光LED中的半导体会将电能转换而发射出蓝光(或UV光)，其中部分将会被荧光粉所吸收并转换成黄绿光(或黄光)。因为黄光或是黄绿光大致是蓝光的互补色，所以人眼判定这黄光与蓝光的整体组合为白光。白色光源有几个特性需要考虑，像是相关色温(correlated color temperature, CCT)以及演色指数(color rendering index, CRI)等，都是用来描述这白色光源所发出的白光有多接近自然界的白光。
[0006]色温以凯氏温度(° K)表示，代表了一理想黑体在那温度时所发出的颜色组合。一般就光谱而言，钨丝灯泡很接近理想黑体。当钨丝灯泡加热至2000° K时，会发出红色光线。随着温度升高，会渐渐地转橙红、黄。到5000° K时，大致是白色。到8000° K时为蓝色。简单的说，温度越高，蓝色的成分越多；温度越低，红色的成分越多。因为许多人造光源的光谱分布并不相同于理想黑体的光谱分布，所以往往采用相关色温CCT来表示其色温。若一人造光源所发出的颜色组合接近理想黑体在一色温的颜色组合，此人造光源的CCT即定义为该色温。有数种方法可以从色度座标(Chromaticity Coordinates)上的位置,来推导出一白光的CCT。尽管方法不同，但是推导出来的CCT差异不会太大。
[0007]CRI 一般的定义是8种选定颜色在那白光光源照射下的表现结果。一个白光光源的CRI最高值是100，表示8种颜色完整的被重现出来。越低的CRI，表示8种颜色中，在那白色光源的照射下，有越大的偏差。有的CRI的定义是采用了 14种选定颜色。在此说明书中，CRI的定义泛指以上或是任何类似定义所产生的结果。[0008]目前比较为人所熟知的白光LED是采用中心发光波长(peak-emissionwaveIength)大约为440nm到480nm的蓝光二极管与俗称YAG突光粉(其组成为cerium doped yttrium aluminum)的组合。YAG突光粉可以将部分的蓝光转换成黄绿光。人眼看到蓝光与黄绿光的组合光时，会认为是白光。
[0009]目前，采用YAG荧光粉或类似荧光粉的白光LED很难达到所希望的CRI以及CCT。因为这种白光LED所发出的光，在光谱上，往往只有两个峰值，分别落在蓝光附近与黄绿光附近，欠缺了要调整CRI与CCT所需要的低波长红光部分。所以，这样的白光LED的CCT很难降到5000° K以下，CRI往往低于75。
[0010]一种可以拉低白光LED的CCT与增加其CRI的方法，是改变荧光粉的成分。举例来说，荧光粉层采用两种以上的荧光粉:一种是YAG荧光粉，用来产生黄绿光，另一种荧光粉专门用来产生红光。这样的白光LED在光谱上，就可能可以在蓝光、黄绿光、与红光附近的频率各产生一个峰值。只要调整峰值的比例与大小，就可能可以得到所希望的CCT与CRI。但是，产生红光的荧光粉的能量转换效率并不好，会降低整个白光LED的发光效率。
【发明内容】
[0011]为解决上述问题，本发明提供一种发光装置，其包含、至少一蓝光发光二极管管芯、至少一红光发光二极管管芯、以及一电连接结构。蓝光发光二极管管芯可发出第一种光。红光发光二极管管芯可发出第二种光。电连接结构用以电连接蓝光发光二极管管芯以及红光发光二极管管芯，并使其发光。当蓝光与该红光发光二极管管芯发光时，蓝光发光二极管管芯以及红光发光二极管管芯分别消耗一第一电功率Wb以及一第二电功率WK，且发光装置的相关色温为Tn绝对温度。功率比Rw为第一电功率Wb对第二电功率Wk的比值。功率比 Rw 大约介于 7.67*ln(TN) - 56.6 到 5.01*ln(TN) - 37.2 之间。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明所实施的一白光LED ；
[0013]图2为图1的白光LED的等效电路图；
[0014]图3为图1的白光LED的切面示意图；
[0015]图4为一发光二极管管芯的不意图；
[0016]图5为图1的白光LED的相关色温Tn与功率比Rw的关系；
[0017]图6为本发明的另一个实施例的示意图；
[0018]图7为蓝光发光二极管管芯与红光发光二极管管芯设置于不同的平面的示意图；
[0019]图8为白光LED具有多个光学透镜的不意图。
[0020]主要元件符号说明
[0021]10白光 LED
[0022]12封装基板
[0023]13凹槽
[0024]14电子元件
[0025]15光反射层
[0026]18树脂[0027]20蓝光发光二极管管芯(二极管晶粒)
[0028]22红光发光二极管管芯
[0029]24荧光粉层
[0030]26焊线
[0031]28粘着垫
[0032]29金属线
[0033]31整流器
[0034]32a~32d发光二极管管芯
[0035]34滤波电容
[0036]36限流电阻
[0037]37焊线
[0038]38粘着垫
[0039]39导电线
[0040]40发光二极管管芯
[0041]42基底
[0042]44LED 单元
[0043]46导线
[0044]48粘着垫
[0045]50发光接面
[0046]60、61、62曲线
[0047]64斜线区域
[0048]66、68定电流
[0049]70蓝光发光二极管单元
[0050]72红光发光二极管单元
【具体实施方式】
[0051]图1显不依据本发明所实施的一白光LED 10。白光LED 10可为一COB (circuit-on-board)封装,其包含有一封装基板(submount) 12、一整流器31、四个发光二极管管芯32a~32d、一滤波电容34、一限流电阻36、粘着垫(bonding pad) 38、以及电连接结构。电连接结构由封装基板12上的导电线(conductive strips)39与焊线(bondingwire) 37所构成。图2显示图1的白光LED10的等效电路图。
[0052]交流的高压市电(譬如110ACV或120ACV)AC，可以从封装基板12上的粘着垫38输入，提供白光LED 10的电能。整流器31可以是一桥式整流器(bridge rectifier),粘着于封装基板12上，可以用来将交流的高压市电AC，转换成直流电源。限流电阻36可控制流经白光LED 10的电流量。滤波电容34可用来稳定整流器31的两输出端的跨压，以提供稳定的电压给发光二极管管芯。发光二极管管芯32a~32d设置于封装基板12上，且利用一焊线37连接使发光二极管管芯32a~32d成一串联结构，使流经每个发光二极管管芯的电流都一样。发光二极管管芯32a~32d至少一个是红光发光二极管管芯，其余是蓝光发光二极管管芯。通过电连接结构，滤波电容34上的直流电源可提供电流使发光二极管管芯32a~32d可以发光。
[0053]图3举例显示图1的白光LED 10的切面示意图。封装基板12可以是一具有良好导热系数的陶瓷基板，其技术可由厚膜制作工艺(thick film)、低温共烧制作工艺(LTCC)与薄膜制作工艺等方式制作而成。封装基板12上可以形成有以印刷制版或是光刻制作工艺所形成的金属线(metal strip)29。在本实施例中，封装基板12上的一凹槽13中，放置了一蓝光发光二极管管芯20以及一红光发光二极管管芯22。在此实施例中，蓝光发光二极管管芯为一种发光二极管，可发出第一种光，其中心发光波长大约位于430nm到480nm之间；红光发光二极管管芯为另一种发光二极管，可发出第二种光，其中心发光波长大约位于600nm到660nm之间。蓝光发光二极管管芯20上设有一突光粉层24,其可受蓝光发光二极管管芯20所发出的第一种光，例如蓝光或是UV，所激发而发出第三种光，例如黄光或是黄绿光(其中心发光波长大约位于540nm到590nm之间)。在图3的实施例中，荧光粉层24并没有形成在红光发光二极管管芯22上。透明或半透明的树脂18将蓝光发光二极管管芯20以及红光发光二极管管芯22封在凹槽13中。树脂18也可作为一个光学透镜，来控制白光LED的出射光角度。在另一个实施例中，荧光粉可以大致均匀地分布于树脂18，同时覆盖在蓝光发光二极管管芯20以及红光发光二极管管芯22之上。一光反射层15形成于凹槽13上,其可反射蓝光发光二极管管芯20以及红光发光二极管管芯22往光反射层15方向所发出的光线，进而增加往树脂18方向的照明亮度。蓝光发光二极管管芯20与红光发光二极管管芯22用金或铜的焊线(bonding wire) 26相连接。焊线26也提供了蓝光发光二极管管芯20与红光发光二极管管芯22到封装基板12上的金属线29的电连接。电子元件14，可以是一整流器、一电阻、或一电容等，设置在两个金属线29之上。有的金属线29会作为一粘着垫28，作为高压市电AC的输入。
[0054]图4举例显示一发光二极管管芯40，其可以是图1中的发光二极管管芯32a?32d其中之一。基底(subStrate)42可以是一蓝宝石基底，其上有以半导体制作工艺所形成数个LED单元44、导线46、以及粘着垫48。LED单元44可以在基底42排成一个阵列，发出大约相同光谱的光线。每个LED单元44具有一发光接面50，其半导体材料可以决定LED单元44的发光颜色。举例来说，AlGaInP适合于一红光LED单元，而InGalN适合于一深绿、蓝、紫及紫外光LED单元。导线46将LED单元44串联在一起，也将LED单元44电连接到粘着垫48。
[0055]图5显示图1的白光LED 10的相关色温Tn与功率比Rw的关系，其中Tn以绝对温度表示。在此说明书中，功率KRw意指一白光LED中，所有蓝光发光二极管管芯所消耗的电功率(假定为Wb)，对所有红光发光二极管管芯所消耗的电功率(假定为Wk)的比值，即Rw=Wb/Weo在图5中，曲线60(星型)、61(菱形)与62(方形)是依据本发明所实施的三种白光LED的量测结果。在本实施例中，蓝光发光效率EFb，为蓝光发光二极管消耗的每单位电功率，所产生蓝光的光通量；白光发光效率EFw，为蓝光发光二极管消耗的每单位电功率，所产生的蓝光(第一种光)以及荧光粉层产生黄绿光(第三种光)，混和后的光通量；红光发光效率EFk，为红光发光二极管所消耗的每单位电功率，所产生红光(第二种光)的光通量。发光效率比定义为，白光发光效率EFW对红光发光效率比值。在图5中所量测的发光效率比(EFW/EFK)，分别是0.8(曲线60)、1(曲线61)、以及1.2(曲线62)。曲线60表示为Rw=7.67*ln (Tn) -56.6 ;曲线62则表示Rw=5.01*ln (Tn) -37.2。斜线区域64位于曲线60与62之间。根据所欲得的相关色温(或功率比Rw)，利用曲线61、62、63，使得白光LED10的功率比Rw(或相关色温Tn)落入斜线区域64，同时白光LED 10的CRI也可达到85以上。
[0056]当一照明系统需要达到一相关色温时，图5可以决定一白光LED中蓝光发光二极管管芯与红光发光二极管管芯的数量。举例来说，假定每个蓝光发光二极管管芯有12个蓝色LED单元，每个蓝色LED单元的顺向操作电压Vf大约是3.1伏特，每个红光发光二极管管芯有6个红色LED单元，每个红色LED单元的顺向操作电压Vf大约是2伏特。如此，可以推论每个蓝光发光二极管管芯的顺向操作电压大约是37.2伏特(=3.1V*12)，而每个红光发光二极管管芯的顺向操作电压大约是12伏特(=2V*6)。如果想要达到的相关色温Tn为4000° K，依据图5，功率比RwS是介于7.015到4.353之间。因此，只要5个蓝光发光二极管管芯，串联3个红光发光二极管管芯，所产生的功率比^将约等于5.16(=37.2*5/(12*3))，整体的顺向操作电压约222V(=37.2*5+12*3)，就可以大约适用于交流市电为220或240ACV的灯泡照明应用，达到相关色温为4000° K且具有高CRI。
[0057]尽管在图2中的实施例里，所有的LED单元是全部串联在一起，但是本发明并不限于此。图6显示依据本发明的另一个实施例，其中，蓝光发光二极管单元70串联在一起，被定电流66所驱动；红光发光二极管单元72串联在一起，被定电流68所驱动。蓝光发光二极管单元70与红光发光二极管单元72可共同设置在一封装基板上，通过封装基板上的金属导线或是焊线，达到串联或并联的结构。定电流66与定电流68使蓝光发光二极管单元70对红光发光二极管单元72的功率比Rw，落入图5中的斜线区域64，可达到所希望的相对色温以及CRI。蓝光发光二极管单元70可全部在一蓝光发光二极管管芯或是分在数个蓝光发光二极管管芯。类似的，红光发光二极管单元72可以全部在一红光发光二极管管芯或是分在数个红光发光二极管管芯。在图6的实施例中，蓝光发光二极管单元70等同跟红光发光二极管单元72并联。因为流经蓝光发光二极管单元70的电流跟红光发光二极管单元72的电流相互独立，所以，只要选择适当的二极管数量以及定电流大小，将功率比Rw调整在斜线区域62内，即可达所希望的相对色温。
[0058]在本发明的一实施例中,蓝光发光二极管管芯所产生的蓝光(第一种光)以及突光粉层产生黄绿光(第三种光)，混合而成一白光。白光的白光发光效率EFw介于每瓦100流明到200流明之间，而每个红光发光二极管管芯发出的红光(第二种光)的红光发光效率EFk介于每瓦100流明到200流明之间，而白光LED的封装基板温度操作于60度C到100度C之间。在一实施例中，红光发光效率EFk及白光发光效率EFw均大于每瓦100流明。
[0059]在本发明的一实施例中，用来转换一蓝光发光二极管管芯所发出的蓝光为黄光或黄绿光的荧光粉层，其中的荧光粉包含有由Mg、Ca、Ba、Sr、Zn、Pr、Nd、Dy、Er、Ho、Y、Ce、Al所构成的元素群组中的至少其中之一。荧光粉层可以只有一种化学组成的荧光粉材料，也可以有两种或是以上的不同化学组成的荧光粉材料。
[0060]图3中的蓝光发光二极管管芯20与红光发光二极管管芯22是共平面地固定于封装基板12上，但本发明不限于此。在图7的实施例中，蓝光发光二极管管芯20与红光发光二极管管芯22设置于不同的平面上，且红光发光二极管管芯22相对于封装基板的距离大于蓝光发光二极管管芯20相对于封装基板的距离。适当地安排蓝光发光二极管管芯20与红光发光二极管管芯22在封装基板上的位置，可以改变整个发光装置的光形。[0061]本发明实施例中的发光二极管管芯也不限于图3中的只有一个光学透镜。另一个依据本发明的实施例可以具有数个光学透镜，一对一地设于发光二极管管芯上，如同图8所示。
[0062]以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
【权利要求】
1.一种发光装置，其包含有: 至少一蓝光发光二极管管芯,可发出第一种光； 至少一红光发光二极管管芯，可发出第二种光；及 电连接结构，用以电连接该蓝光发光二极管管芯以及该红光发光二极管管芯，并使其发光；以及 其中，当该蓝光发光二极管管芯与该红光发光二极管管芯发光时，该蓝光发光二极管管芯以及该红光发光二极管管芯分别消耗一第一电功率Wb以及一第二电功率Wk,且该发光装置的相关色温为Tn绝对温度； 功率比Rw为该第一电功率Wb对该第二电功率Wk的比值；以及
该功率比 Rw 大约介于 7.67*ln(TN) - 56.6 到 5.01*ln(TN) - 37.2 之间。
2.如权利要求1所述的发光装置，其中，该第一种光为蓝光或是紫外线。
3.如权利要求1所述的发光装置，还包含一荧光粉层，光学地耦接至该蓝光发光二极管管芯，可受该第一种光所激发，而发出第三种光。
4.如权利要求3所述的发光装置，其中，该荧光粉层同时位于该蓝光发光二极管管芯与该红光发光二极管管芯上。
5.如权利要求3所述的发光装置，其中，该荧光粉层位于该蓝光发光二极管管芯上，但无位在该红光发光二极管管芯上。
6.如权利要求3所述的发光装置，其中，该荧光粉层包含有至少两种不同化学组成的荧光粉材料。
7.如权利要求3所述的发光装置,其中，该第一种光与该第三种光混和为白光,该第二种光的发光效率及该白光的发光效率均大于100流明/瓦。
8.如权利要求1所述的发光装置，还进一步包含一封装基板，其中，该蓝光发光二极管管芯与该红光发光二极管管芯共平面地固定于该封装基板上。
9.如权利要求1所述的发光装置，还进一步包含一封装基板，其中该蓝光发光二极管管芯与该红光发光二极管管芯不共平面地固定于该封装基板上。
10.如权利要求9所述的发光装置，其中，该红光发光二极管管芯相对于该封装基板的距离大于该蓝光发光二极管管芯相对该封装基板的距离。
【文档编号】G09G3/32GK103839511SQ201210475615
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月21日 优先权日:2012年11月21日
【发明者】姚久琳 申请人:晶元光电股份有限公司