专利名称：发射输出光的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种用于发射输出光的方法及装置，其使用橙/红发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料及绿发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料将自该装置光源发出的部分原始光转换成波长更长的光，以改变该输出光的光谱。该装置及方法可用于使用该光源产生白色光，该光源系一蓝色发光二极管(LED)小芯片。该橙/红发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料及绿发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料皆包括于以光学方式耦合至该光源的波长转换区中。
背景技术：
在过去二十年中，诸如白炽灯、卤素灯及荧光灯等传统的光源并未发生重大改进。然而，发光二极管(“LED”)已在工作效率方面有所改进，其中在诸如交通信号灯及汽车尾灯等传统单色光应用中，LED现已代替传统的光源。此部分地系由于LED具有若干优于传统光源的优点这一事实。该些优点包括更长的使用寿命、更低的功率消耗及更小的尺寸。
LED通常作为单色半导体光源，且目前具有自UV-蓝至绿、黄及红等各种颜色。由于单色LED具有窄波段发射特性，因此其不能直接用于“白”光应用场合。而且，单色LED的输出光必须与其他一或多种不同波长的光混合来产生白光。使用单色LED产生白光的两种常用方法包括(1)将单一红色、绿色及蓝色LED封装在一起，以使该等LED所发射的光组合在一起产生白光；及(2)将荧光材料引入一UV、蓝色或绿色LED，以将该LED的半导体小芯片所发射的部分原始光转换成较长波长的光并与原始UV、蓝或绿光组合以产生白光。
在该等两种利用单色LED产生白光的方法中，总体而言第二种方法优于第一种方法。与第二种方法不同，由于红色、绿色及蓝色LED包括具有不同工作电压要求的半导体小芯片，故第一种方法需要一更复杂的驱动电路。除了具有不同的工作电压要求之外，红色、绿色及蓝色LED在其使用寿命期间会发生不同程度的降格，此使得在较长时期内难以采用第一种方法控制颜色。而且，由于第二种方法仅需要单一类型的单色LED，故采用第二种方法可制造一结构更简单且制造成本更低的更紧凑装置。此外，第二种方法可获得更宽的光发射，该光发射可转换为具有更高演色性的白色输出光。
使用第二种方法产生白光的问题是目前用于转换原始UV、蓝或绿光的荧光材料使LED随时间流逝具有小于期望值的发光效率及/或光输出稳定性。
鉴于此问题，业内需要一种使用一或多种具有高发光效率及良好光输出稳定性的荧光磷光体材料来发射白色输出光的LED及方法。
发明内容
本发明涉及一种用于发射输出光的方法及装置，其利用橙/红光发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料及绿光发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料将自该装置光源发射的部分原始光转换为更长波长的光，以改变该输出光的光谱。该装置及方法可用于使用该为蓝光发光二极管(LED)小芯片的光源产生白光。橙/红光发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料及绿光发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料皆包含于以光学方式耦合至该光源的波长转换区中。
根据本发明一实施例，一种用于发射输出光的装置包括一发射在蓝色波长范围内的第一峰波长的第一光的光源及一以光学方式耦合至该光源以接收该第一光的波长转换区。该波长转换区包括ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料，该磷光体材料具有将部分该第一光转换为在橙/红色波长范围内的第二峰波长的第二光的性质。该波长转换区进一步包括BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料，该磷光体材料具有将部分该第一光转换为在绿色波长范围内的第三峰波长的第三光的性质。该第一光、该第二光及该第三光皆为该输出光的分量。
根据本发明一实施例，一种用于发射输出光的方法包括以下步骤产生在蓝色波长范围内的第一峰波长的第一光；接收该第一光，包括使用ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料将部分该第一光转换为在橙/红色波长范围内的第二峰波长的第二光，并使用BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料将部分该第一光转换为在绿色波长范围内的第三峰波长的第三光；及将该第一光、该第二光及第三光作为该输出光的分量发射。
自下文结合附图以实例方式对本发明原理的详细阐述可容易地理解本发明的其他方面及优点。
图1是本发明一实施例之白色磷光体转换LED的图。
图2A、2B及2C是本发明一实施例之具有其他灯构造的白色磷光体转换LED的图。
图3A、3B、3C及3D是本发明一替代实施例之具有一导线框(其具有一反射器罩)的白色磷光体转换LED的图。
图4显示本发明一实施例之白色磷光体转换LED的光谱。
图5是本发明一实施例之一种用于发射输出光的方法之流程图。
具体实施例方式
参照图1，其显示本发明一实施例之一白色磷光体转换发光二极管(LED)100。LED 100设计成可产生具有高发光效率及良好光输出稳定性的“白”色输出光。该白色输出光通过使用橙/红光发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料及绿色发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料将LED 100产生的部分原始光转换为更长波长的光来产生。
如图1所示，白色磷光体转换LED 100是一种导线框安装的LED。LED 100包括一LED小芯片102、导线框104及106、导线108及灯110。LED小芯片102是一产生特定峰波长光的半导体芯片。在一实例性实施例中，LED小芯片102设计成可产生其峰波长位于可见光谱的蓝色波长范围(其为约420nm至490nm)内的光。LED小芯片102位于导线框104上并通过导线108电连接至另一导线框106。导线框104及106提供驱动LED小芯片102所需的电能。LED小芯片102封装于灯110中，灯110是来自LED小芯片102的光的传播媒介。灯110包括一主要区段112及一输出区段114。在此实施例中，灯110的输出区段114呈拱形，以用作一透镜。因此，自LED 100发射的光作为输出光通过灯110的拱形输出区段114聚焦。然而，在其他实施例中，灯110的输出区段114可为水平面。
白色磷光体转换LED 100的灯110由透明基材制成，该透明基材可为诸如透明环氧树脂等任一透明材料，以使来自LED小芯片102的光可穿过该灯并射出该灯的输出区段114。在此实施例中，灯110包括一波长转换区116，此转换区亦是一光传播媒介，其由透明基材与两种类型的荧光磷光体材料的混合物构成，该两种荧光磷光体材料系橙/红光发光ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体118及绿色发光BaSrGa4S7∶Eu磷光体119。ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119用于将LED小芯片102发射的部分原始光转换成能量更低(波长更长)的光。ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118吸收部分来自LED小芯片102的第一峰波长的原始光(其可激发ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料的原子)，并发射在可见光谱的橙/红色波长范围内的更长波长的第二峰波长(其约610nm至650nm)的光。同样，BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119吸收部分来自LED小芯片102的原始光(其可激发BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料的原子)，并发射在可见光谱的绿色波长范围内的更长波长的第三峰波长(其约520nm至540nm)的光。所转换光的第二及第三峰波长皆部分地由原始光的峰波长及ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118与BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119界定。来自LED小芯片102的未吸收原始光与该经转换的光组合产生“白”色光，该白色光作为LED 100的输出光自灯110的光输出区段114射出。
可通过各种技术合成ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体118。一种技术涉及将摩尔比为1∶1的未掺杂ZnSe与ZnS材料干式研磨成5μm以下的细粉末或晶体。然后，将少量CuCl2掺杂剂添加至去离子水或一选自醇类(例如，甲醇)的溶液中，并与未掺杂的ZnSe0.5S0.5粉末一起球磨。添加至该溶液中的CuCl2掺杂剂的量可介于最低量(几个ppm)至占ZnSe0.5S0.5材料与CuCl2掺杂剂总重量约4％之间。然后，将该经掺杂材料在约100摄氏度(100℃)下实施烘炉干燥，并再次对所得饼块进行干式研磨，以获得小颗粒。将所研磨的材料装入一坩锅(例如一石英坩锅)中，并在约1000摄氏度(1,000℃)下于惰性气氛中烧结1至2小时。然后，视需要筛分该烧结材料，以获得具有微米范围内期望粒径分布的ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体粉末。
亦可通过各种技术合成BaSrGa4S7∶Eu磷光体119。一种技术涉及使用BaS、SrS及Ga2S3作为前体。该些前体可与少量Eu掺杂剂、熔剂(Cl与F)及过量硫一起在去离子水或一选自醇类(例如甲醇)的溶液中球磨。添加至该溶液的Eu掺杂剂的量可介于最少量至占所有成份总重量约10％之间。然后，干燥该经掺杂的材料并随后加以研磨，以获得细颗粒。然后，将研磨的颗粒装入一坩锅(例如石英坩锅)中，并在约800摄氏度(800℃)下于惰性气氛中烧结1至2小时。然后，视需要筛分该烧结材料，以获得具有微米范围内期望粒径分布的BaSrGa4S7∶Eu磷光体粉末。
当ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl与BaSrGa4S7∶Eu的合成过程完成后，可将ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl及BaSrGa4S7∶Eu磷光体粉末与灯110的相同透明基材(例如，环氧树脂)混合，并沉积于LED小芯片102周围，以形成该灯的波长转换区116。可调节两种不同类型的磷光体粉末之间的比例以使白色磷光体转换LED 100产生不同的颜色特性。例如，ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体粉末与BaSrGa4S7∶Eu磷光体粉末之间的比例可相应地为[1∶7]。灯110的其余部分可通过沉积不含ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl与BaSrGa4S7∶Eu磷光体粉末的透明基材形成，以获得LED 100。尽管图1中显示灯110的波长转换区116为矩形，但该波长转换区可构造成其他形状，例如半球形，如图3A中所示。此外，在其他实施例中，波长转换区116可不以物理方式耦合至LED小芯片102。因此，在该些实施例中，波长转换区116可位于灯110内的其他地方。
图2A、2B及2C中显示根据本发明一实施例具有其他灯构造的白色磷光体转换LED 200A、200B及200C。图2A中的白色磷光体转换LED 200A包括一灯210A，其中整个灯为一波长转换区。因此，在此构造中，整个灯210A系由透明基材ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118以及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119的混合物构成。图2B的白色磷光体转换LED 200B包括一灯210B，其中波长转换区216B位于该灯的外表面上。因此，在此构造中，首先在LED小芯片102上形成灯210B的不含ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119之区域，然后，将透明基材与该些磷光体材料的混合物沉积于该区域上，以形成该灯的波长转换区216B。图2C的白色磷光体转换LED 200C包括一灯210C，其中波长转换区216C是一涂覆于LED小芯片102上的薄层，该薄层是透明基材与ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119的混合物。因此，在此构造中，首先用透明基材与ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119的混合物涂覆或覆盖该LED小芯片102，以形成波长转换区216C，然后通过在该波长转换区上沉积不含该些磷光体材料的透明基材形成灯210C的其余部分。例如，根据LED小芯片102所产生的光的颜色，LED 200C的波长转换区216C的厚度可介于十(10)与六十(60)微米之间。
在一替代实施例中，其上布置有LED小芯片的白色磷光体转换LED的导线框包括一反射器罩，如图3A、3B、3C及3D中所示。图3A至3D显示具有不同灯构造的白色磷光体转换LED 300A、300B、300C及300D，该些灯构造包括一具有反射器罩322的导线框320。反射器罩322提供一用于放置LED小芯片102的凹陷区，以便将该LED小芯片所产生的部分光反射远离导线框320，以作为有用输出光自相应LED发射。
上述不同的灯构造可使用其他类型的LED(例如，表面安装型LED)，以获得其他类型的使用本发明ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料118及BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料119的白色磷光体转换LED。此外，该些不同的灯构造可应用于其他类型的发光装置(例如，半导体激光装置)，以获得本发明其他类型的发光装置。
现转向图4，其显示根据本发明一实施例具有蓝色(440-480nm)LED小芯片的磷光体转换LED的光谱424。该LED的波长转换区由百分之六十五(65％)的ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl与BaSrGa4S7∶Eu磷光体(相对于环氧树脂)形成。可根据磷光体效率来改变该LED的波长转换区中所包含的ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl与BaSrGa4S7∶Eu磷光体的百分含量或装载量。当(例如)通过改变掺杂剂的量使磷光体效率增加时，可减少ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl与BaSrGa4S7∶Eu磷光体的装载量。光谱424包括一约460nm的第一峰波长426，其对应于该蓝色LED小芯片所发射光的峰波长。光谱424亦包括一约540nm的第二峰波长428，其是由该LED的波长转换区中BaSrGa4S7∶Eu磷光体所转换光的峰波长；及一约625nm的第三峰波长430，其是该LED的波长转换区中ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体所转换光的峰波长。
参照图5阐述了一种用于产生本发明一实施例的输出光的方法。在方框502中，产生一位于蓝色波长范围内的第一峰波长的第一光。该第一光可由LED小芯片产生。然后，在方框504中，接收该第一光，并利用ZnSe0.5S0.5∶Cu，Cl磷光体材料将部分第一光转换为一位于橙/红色波长范围内的第二峰波长的第二光。此外，在方框504中，使用BaSrGa4S7∶Eu磷光体材料将部分第一光转换为一位于绿色波长范围内的第三峰波长的第三光。然后，在方框506中，该第一光、第二光及第三光皆作为输出光的分量发射。
尽管已阐述并阐释本发明的具体实施例，但本发明并不受限于所阐述及阐释部分的特定形式或部件布置。本发明范畴由本文随附权利要求及其等效内容来界定。
权利要求
1.一种用于发射输出光的装置，所述装置包括一半导体发光二极管，其发射位于蓝色波长范围内的第一峰波长的第一光；及一波长转换区，其以光学方式耦合至所述光源以接受所述第一光，所述波长转换区包括ZnSe0.5S0.5:Cu，Cl磷光体材料，此材料具有将部分所述第一光转换为位于橙/红色波长范围内的第二峰波长的第二光的性质，所述波长转换区进一步包括BaSrGa4S7:Eu磷光体材料，此材料具有将部分所述第一光转换为位于绿色波长范围内的第三峰波长的第三光的性质，所述第一光、所述第二光及所述第三光为所述输出光的分量。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述波长转换区是耦合至所述半导体发光二极管的一灯的一部分。
3.如权利要求2所述的装置，其中所述波长转换区位于所述灯的外表面。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述波长转换区系一耦合至所述半导体发光二极管的灯。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述波长转换区是一涂覆于所述半导体发光二极管上的混合物层，所述混合物包括所述ZnSe0.5S0.5:Cu，Cl磷光体材料及所述BaSrGa4S7:Eu磷光体材料。
6.如权利要求1所述的装置，其进一步包括一其上布置有所述半导体发光二极管的反射器罩。
7.一种用于自一发光二极管发射输出光的方法，所述方法包括产生一位于蓝色波长范围内的第一峰波长的第一光；接收所述第一光，其包括使用ZnSe0.5S0.5:Cu，Cl磷光体材料将部分所述第一光转换成位于橙/红色波长范围内的第二峰波长的第二光，并使用BaSrGa4S7:Eu磷光体材料将部分所述第一光转换成位于绿色波长范围内的第三峰波长的第三光；及发射作为所述输出光的分量的所述第一光、所述第二光及所述第三光。
8.如权利要求15所述的方法，其中所述接收包括在一发光装置的波长转换区接收所述第一峰波长的所述第一光。
9.如权利要求17所述的方法，其中所述波长转换区是所述发光装置的一灯的一部分。
10.如权利要求17所述的方法，其中所述波长转换区是一所述发光装置的灯。
11.如权利要求17所述的方法，其中所述波长转换区是一涂覆于所述发光二极管上的混合物层，所述混合物包括所述ZnSe0.5S0.5:Cu，Cl磷光体材料及所述BaSrGa4S7:Eu磷光体材料。
全文摘要
本发明涉及一种用于发射输出光的方法及装置，其使用橙/红发光ZnSe
文档编号F21S2/00GK1719632SQ200510053709
公开日2006年1月11日 申请日期2005年3月10日 优先权日2004年7月9日
发明者珍妮特·美·元·蔡, 希沙姆·梅恩卡拉, 克里斯托弗·J·萨默斯, 布伦特·K·瓦格纳 申请人:安捷伦科技公司