发光器件的制作方法

专利名称：发光器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及照明器件领域，特别是涉及发光器件，其包括光源，用于发出具有 光源波长的光源光，其中光源光的强度被安排为可受控于信号。此外，本发明涉及照明 系统、LED灯泡以及LED封装，其包括根据本发明的实施方式的发光器件。
背景技术：
在不久的将来，预计白炽灯将会被淘汰，主要是因为其高能耗。有几种备选 的、潜在的替代光源存在，比如荧光灯、发出白光的发光二极管(LED)，其能效比白炽 灯更高。重要的是，替代光源应模拟白炽灯的性能特性，即，替代光源应当，优选地， 具有与白炽灯类似的特性。例如，在调暗从替代光源的光发射时，可能期望光发射移向
“较暖”的色温。满足这些特性的替代光源可被接纳为白炽灯的替代灯具。白色发光LED芯片经常与荧光剂或者不同荧光剂的混合物相结合。荧光剂或荧 光剂混合物向从LED发出的光中添加颜色成分，从而产生白光的发射。例如，通过使 用添加有红色和黄绿色成分的荧光剂覆盖发出蓝光的LED，所发出的光看起来将会是白 光。不同色温的白光发射可以通过不同荧光剂或荧光剂混合物的应用而得以实现。光源的色温与辐射出与物体的颜色对应的波长的光的黑体辐射体的温度有关。 以这种方式，任何颜色都能够以温标，比如开氏温标(Kelvin scale)上的某一数值来表 示。具有高色温的颜色的物体被感觉为常被形容为“冷”色的偏蓝色。如果物体具有 低色温，则其在视觉上显得更红，并且可被形容为具有“暖”色的物体。在整个这一公 开内容中，词语“暖”和/或“冷”相应地指低色温和高色温。例如，“暖”荧光剂 发出低色温(即，长波长)的光，其发射相应地被感觉到是在视觉上是令人愉悦的。值 得注意的是，与文化上的关联相反，被感觉为“暖”的颜色，比如红色，由低色温所表
7J\ ο在美国专利2007/0045761A1中，公开了用于通过向围绕LED管芯的反射帽涂镀 两个不同的荧光剂层而形成白色发光LED的技术。第一层包含黄绿荧光剂，产生高色温 的光发射；而第二层包含红色荧光剂，产生低色温光发射(即，“较暖”的白光)。所 述涂层技术是高度可控的。作为结果，荧光剂涂层是可预测的，并且因而从LED中可以 发出均勻的白光。这种LED的问题是，所发出的光的色温是在LED的生产阶段就确定 了的。另外，众所周知，白炽灯的色温在调暗灯的光强度时会移向“更暖”的颜色， 即，较低的色温。能够发出白光的现有技术LED不具有相同的性能特性，相反所发出的 光的色温保持基本上不变或者可能甚至会略有增高。因此，存在对模拟白炽灯的性能特 性，尤其是白炽灯在光被调暗时降低色温的性能特性的LED的需要。

发明内容
本发明的一个目的是减轻至少一个现有技术问题。
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在所附独立权利要求中所阐述的发光器件、LED灯泡、LED封装和照明系统满 足了这一目的和其他目的。在从属权利要求中定义了具体的实施方式。根据本发明的一个方面，发光器件包括光源，用以发出具有光源波长的光源 光，光源光的强度可受控于信号。该器件还包括第一荧光剂材料，其能够将至少一部分 光源光转换为与光源波长不同的至少第一波长的光；以及第二荧光剂材料，其能够将至 少一部分光源光转换为与光源波长和第一波长不同的至少第二波长的光。此外，第一荧 光剂材料和第二荧光剂材料被安排为分别具有第一转换效率和第二转换效率，第一转换 效率不同于第二转换效率，每一转换效率可受控于所述信号，据此，第一波长的光与第 二波长的光的相应的强度的比率依赖于所述信号。本发明的一个想法是提供发光器件，其包括光源、第一类型的第一荧光剂材料 与第二类型的第二荧光剂材料。来自光源的光的强度被安排为可受控于信号，优选地可 受控于驱动信号。第一类型和第二类型的荧光剂材料彼此是不同的，从而能够将来自光 源的光转换为相应波长(或波长范围)的光。另外，第一荧光剂材料与第二荧光剂材料 中的至少之一被安排为具有受依赖于光源光强度的特性所影响(改变)的转换效率。效 率中的这种改变对于第一荧光剂材料和第二荧光剂材料应当是不同的。以这种方式，来 自发光器件的总光的色温可以受到控制，其中总光包括直接来自光源的光与由第一荧光 剂材料和第二荧光剂材料所转换的光的混合。有利地，提供有发光器件，其中从发光器 件的光发射的色温可以仅仅通过改变用于强度控制的信号而受到控制，即，不需要以任 何额外的电子电路来使得能够控制发光器件的色温。在本发明的另一方面中，提供有LED灯泡，其包括根据本发明的实施方式的器 件。将荧光剂材料置于LED灯泡的壳体上，S卩，将荧光剂置于距(远离)发光器件的光 源的一定距离上，是优选的。有利地，LED灯泡可在现有灯具中使用而无需对其进行修 改。在本发明的又一方面中，提供有LED封装，其包括根据本发明的实施方式的器 件。将荧光剂材料置于发光器件的光源附近是优选的。有利地，提供出用于在PCB等 上安装的组件。而在本发明的另一方面中，提供有照明系统，其包括根据本发明的实施方式的 器件。此外，光源可以是比如GaInN蓝光LED、GaInN UV LED之类的LED结构(LED
管芯或LED芯片)、荧光照明元件、它们的组合，等等。优选地，光源能够对能够在 可见光谱中发光的荧光剂进行激发。这意味着激发波长短于由荧光剂所发出的一个波长 (或多个波长)。较短的波长对应于较高的光子能量，反之亦然。用于激发的光子能量与 由荧光剂所发出的光的光子能量的差异转化为热量。这一差异越大，转换过程的效率就 越低。然而，大的差异意味着能够容易地加热荧光剂，并且从而引起温度依赖性效应。应当指出，第一荧光剂材料和第二荧光剂材料是与光源的波长相匹配的。其以 这样的方式匹配，使得对于荧光剂材料的温度中的变化或者对于入射在荧光剂材料上的 光的波长的变化，可以得到荧光剂材料的转换效率中的变化。例如，由铈活化的石榴石 荧光材料、由铈活化的钇铝石榴石荧光材料等可用于本发光器件之中。其他示例有掺杂 铈的钙铝硅酸盐以及掺杂铈或掺杂镨的镥铝石榴石。有利地，通过选择合适的荧光剂材料，由于依赖于光源光强度的特性的变化而造成的转换效率变化的效果能够得以提高。不同于根据本发明的实施方式的发光器件，对于现有技术白光LED系统，荧光 剂材料与LED发射波长的组合被选择使得荧光剂具有最高的效率，而作为结果，LED发 射输出波长中的波长偏移导致尽可能低的波长偏移。因而，现有技术白光LED系统使用 尽可能靠近荧光剂吸收峰(即，荧光剂具有，可能是局部的，最大吸收值之处)的LED 发射波长。在根据本发明的发光器件的实施方式中，光源光强度的变化可能，例如，引起 光源光的波长中的变化或者第一荧光剂与第二荧光剂中的至少之一的温度中的变化。以 这种方式，由于荧光剂材料中的至少之一的光转换效率依赖于其温度以及/或者(来自光 源的)入射光的波长，由第一荧光剂材料与第二荧光剂材料所转换的光的比率，以及， 可选地，未转换光的比率会发生改变。在根据本发明的发光器件的另一实施方式中，第一转换效率和第二转换效率中 的至少之一可能依赖于光源波长，而光源波长则依赖于光源光的强度。以这种方式，使 用到了在光源光的强度改变时，光源光的波长也发生变化的效应。作为结果，因为第一 荧光剂材料与第二荧光剂材料中的至少之一的转换效率可能由于光源光的波长中的变化 而发生变化，所以由第一荧光剂材料与第二荧光剂材料中的至少之一所转换的光的强度 也可能发生变化。因而，发光器件发出的总光的色温也会发生变化。例如，依赖于波 长的荧光剂材料可被选择使得当光源(例如LED)的强度降低(LED的波长移向较短的波 长)时，从发光器件的光发射(作为经转换的光与未转换的光的混合)的色温也发生降低 (即，可实现被感觉为“暖”的光发射)。所有荧光剂(或荧光剂材料)都具有依赖于 波长的转换效率。因而，只要为具体LED波长选择合适的荧光剂，所有荧光剂都是适合 于本发明的。合适的荧光剂材料的示例包括但不限于由铈活化的石榴石荧光材料、由 铈活化的钇铝石榴石荧光材料等。在本发光器件的又一实施方式中，第一转换效率与第二转换效率中的至少之一 可能相应地依赖于第一荧光剂材料与第二荧光剂材料的温度，而温度则依赖于光源光的 强度。以这种方式，使用到了当光源光的强度改变时，光源(以及可能位于其附近的材 料)的温度也发生变化的效应。作为结果，因为第一荧光剂材料与第二荧光剂材料中的 至少之一的转换效率可能由于温度中的变化而发生变化，所以由第一荧光剂材料与第二 荧光剂材料中的至少之一所转换的光的强度也可能发生变化。因而，发光器件发出的总 光的色温也会发生变化。所有荧光剂都是依赖于温度的(由于温度猝灭)，但是某些荧光 剂的转换效率比其他荧光剂的转换效率受到更大的影响。可以利用荧光剂材料中的局部 温度差异或者温度依赖性中的差异，来获得从根据本发明的实施方式的发光器件发出的 光的颜色变化。转换效率依赖于温度的荧光剂材料的示例包括但不限于由铈活化的石 榴石荧光材料、由铈活化的钇铝石榴石荧光材料、掺杂铈的钙铝硅酸盐以及掺杂铈或掺 杂镨的镥铝石榴石等，都可用于本发光器件之中。而在根据本发明的发光器件的另一实施方式中，发光器件还可以包括透明外 壳，其中第一荧光剂材料与第二荧光剂材料中的至少之一可位于外壳处。以这种方式， 由于荧光剂材料可位于外壳处(或者合并于其中)，所以发光器件的外壳提供发光器件的 某些光学特性。因此，包括第一外壳和第一光源的第一发光器件可具有与包括第二外壳
5和第一光源(即，与第一发光器件相同类型的光源)的第二发光器件不同的光学特性。另外，还根据本发明的又一其他实施方式，可提供发光器件，其中第一层包含 第一荧光剂材料。可选地，根据本发光器件的实施方式，第二层可包含第二荧光剂材 料。作为结果，包含不同的荧光剂材料的层的具体选择决定了发光器件的光学特性。而根据本发明的另一实施方式，提供有发光器件，其中第二层可安置在第一层 与光源之间。可选地，第一层与第二层可以堆叠在光源处。有利地，当第二层饱和时， 第一层中的光转换可以增加。在根据本发明的发光器件的又一实施方式中，第一层还包含第二荧光剂材料。 以这种方式，第一层包含第一荧光剂材料与第二荧光剂材料的混合物。有利地，生产可 以得到促进。此外，在根据本发明的发光器件的实施方式中，提供有发光器件，其还包括额 外的电子电路，安排用以提供不同的脉冲调制驱动方案。以这种方式可以获得对来自 发光器件的光的色温和强度的控制。例如，当脉冲调制方案包含非常短但却很高的脉冲 时，LED管芯中的温度达到比由包含较长但却较低的脉冲的脉冲调制方案所达到的水平 更高的水平。以这种方式，温度差异可以用来在不改变LED的输出强度的同时，对色温 进行调整。在对所附的权利要求以及下文的描述进行研究时，本发明的其他特征和优点将 会显现出来。本领域中的技术人员意识到，在不背离本发明由所附的独立权利要求所限 定的范围的前提下，可以将本发明的不同特征组合起来，用以创建除那些在下文中描述 的以外的实施方式。


从以下的详细描述和随附的附图中，将能够很容易地理解本发明的各个方面， 包括其具体特征及优点。在附图中图1示出根据本发明的一种实施方式的发光器件的横截面侧视图；图2示出根据本发明的另一实施方式的发光器件的横截面侧视图；图3示出来自两种不同的荧光剂材料的转换效率光谱的两幅曲线图；图4示出公开于US5998925中，适合与本发明的实施方式一同使用的荧光剂材 料的激发光谱；图5示出公开于US5998925中，其激发光谱在图4中示出的荧光剂材料的发射光 谱；图6示出根据本发明的又一实施方式的发光器件；以及图7示出另据本发明的另一实施方式的发光器件。
具体实施例方式在整个下面的描述中，在适用时，类似的附图标记被用来表示类似的元件、部 分、项或特征。在图1中，示出了一种根据本发明的发光器件的示范性实施方式。发光器件1 包括LED芯片2、包含“冷”荧光剂材料3和“暖”荧光剂材料4的层40。 “冷”和
6“暖”荧光剂材料的效率对于通过LED芯片2的电流的增加发生变化，使得“冷”与 “暖”发射的比率发生变化。优选地，较高的LED电流(即，较高的强度)产生出同 “暖”发射(低色温)相比更高比例的“冷”发射(高色温)。以这种方式，对于较高 的LED电流，从发光器件1的总体光发射看起来“更冷”。图2示例说明了根据本发明的发光器件的另一实施方式，其中发光器件包括第 一层41和第二层42。第一层41包含荧光剂材料3，而第二层42包含荧光剂材料4。以 这种方式，只要第二层42的荧光剂材料4没有饱和，那么第一层41的荧光剂材料3就可 以是非激活的。直到LED芯片2的发射的强度不再被第二层的荧光剂材料4所吸收，第一 层的荧光剂材料3才开始对来自LED芯片2的光发射进行转换。因此，从发光器件1的 光发射的色温可以由用于对从发光器件1的总体光发射的强度进行控制的信号所控制。参考图3，关于“冷”荧光剂材料3与“暖”荧光剂材料4的转换效率光谱的两 幅曲线图被相应地演示出来。沿横坐标为波长，而沿纵座标为光强度。线10表示LED 芯片的峰值输出波长。LED中的半导体结的温度取决于输出强度，S卩，较高的强度对应 于较高的温度。当结的温度上升时，LED的输出波长10移向较长的波长(输出波长以 方向II，向较低色温移动)。例如，当结的温度从20°C增高到100°C时，输出波长对于 GaInN蓝光LED而言从459nm移至467nm，或者对于GaInN UV LED而言从373nm至 378nm,正如由 S.Chhajed 等人于 J.Appl.Phys.97，054506(2005)中所发表的 “Influence of junction temperature on chromaticity and color—renderingproperties of tri—chromatic white-light sources based on light-emittingdiodes”中所述。类似地，当结的温度下降时，会发生向较 短波长的偏移(输出波长以方向I，向较高色温移动)。从附图中可以看出，对于向较长 波长的偏移(II)，“冷”荧光剂材料3的转换效率会提高，而“暖”荧光剂材料4的转 换效率则会降低。作为结果，“暖”荧光剂材料4在低LED输出水平上占主导地位而
“冷”荧光剂材料3在高LED输出水平上占主导地位，因而发光器件1的性能特性比起 常规LED来，更加类似于白炽灯。因此，发光器件1非常适合作为白炽灯的替代。图4示出了荧光剂的激发光谱的一些示例。可以看出，在这种情况下，荧光剂 通常具有最大吸收峰(图4中约在455nm)，并且吸收在远离这一最大值时以不断增加的 速率下降。然而，在根据本发明的实施方式的发光器件中，LED发射与荧光剂的组合被选 择为使得至少一种荧光剂在波长偏移具有显著影响的波长处受到激发。在图4的示例 中，合适的激发波长大约在490nm，或者大约在430nm，因为在这些波长值处很小的波 长变化导致强度的很大变化。通常，在吸收峰的半峰值处可获得最大的效果。对于典型的荧光剂，伴随IOnm的波长偏移，吸收对于波长的依赖度会以2.5倍 降低，例如，从峰值激发处的强度的50%降到20%。对于50°C的温度变化(对LED仍 然是无害的)，LED的波长偏移大约为2nm，造成例如从26%到20%的吸收差异，这是 受到影响的荧光剂的贡献的23%的变化。通过将两种荧光剂的效率变化相结合(一种的 效率上升而另一种的效率下降)，荧光剂之间的相对效率变化对于50°C的温度变化可以 高达50%。这足以显著地改变发光器件的色温。在根据本发明的发光器件的又一实施方式中，荧光剂材料被选择使得本发光器 件的性能特性与白炽灯的相反。也就是说，对于增加的光强度，由荧光剂材料所转换的光的色温会下降。以这种方式，可以提供对于不同光强度具有恒定的色温的发光器件。 在图4和图5中示出了适合于这样的实施方式的荧光剂材料。在图5中，示出了 “冷”荧光剂材料与“暖”荧光剂材料的发射光谱。“冷” 荧光剂材料(实线)是在510nm(绿色)处具有最大发射峰值的由铈活化的石榴石荧光材 料，而“暖”荧光剂材料(虚线)是在585nm(黄色)处具有最大发射峰值的由铈活化的 钇铝石榴石荧光材料。值得注意的是，“暖”荧光剂材料具有比“冷”荧光剂材料低的色温。在图4中，绘制了 “冷”荧光剂材料与“暖”荧光剂材料的激发光谱。光的 强度(纵座标)相对于波长(横坐标)被绘制出来。实线代表“冷”荧光剂材料，而虚 线代表“暖”荧光剂材料。从图4中可以看出，例如，从490nm到500nm的波长偏移 在相对吸收强度上对“冷”荧光剂造成从25%到10%的变化，而对“暖”荧光剂造成 从30%到25%的变化。因此，使用这一配置获得了同白炽灯相比相反的性能特性。在另一方面，使用根据图4和图5的荧光剂，可以在根据本发明的发光器件的另 一示例中提供如同在白炽灯中的性能特性。从图4中可以得出结论，通过将LED波长从 338nm增加到345nm(这在强度增高时发生)，绿色(“冷”)荧光剂(实线)从25%增 大到27%而黄色(“暖”)荧光剂(虚线)从30%减小到25%。这样造成的结果是， 绿色(较冷)光变得更占主导地位，并且从LED灯的总体输出光移向蓝色(较短波长)。 这是与白炽灯相同的性能特性。因此，在这种情况下，LED灯的调暗显现出如在白炽灯 中的红移。此外，在图6中，示出了根据本发明的发光器件的另一实施方式。发光器件1 包括光源2，比如LED芯片等、壳体40，其包含第一荧光剂材料3和第二荧光剂材料4。 第一荧光剂材料和第二荧光剂材料位于远离LED芯片之处。壳体具有常规灯泡的形式， 但其他形状，比如锥形、圆柱形等也可是合适的。有利地，无需对用于常规灯泡的照明 系统(灯具)做出修改，因为发光器件1适合于灯泡的位置。作为结果，发光器件1可 用作常规灯泡的替代。参考图7，示出了根据本发明的发光器件的又一实施方式，其中发光器件具有常 规荧光灯管的形式。发光器件1包括阳极50和阴极51，用于激发气体2，如已知于本领 域中的汞蒸汽、氩气或者氪气等。壳体40包含上述第一类型与第二类型的第一荧光剂材 料3与第二荧光剂材料4。在工作时，来自阴极的电子会激发气体2的原子，气体2的 原子对此作出响应发出紫外光，用于由荧光剂材料3、4转换为可见波长的可见光。在有 关对从发光器件1的发射的色温的控制的方面，这一实施方式类似于上述实施方式。因 此，不再重复对其的解释与描述。而在根据本发明的发光器件的另一实施方式中，荧光剂被选择为使得一种荧光 剂(这优选地为白色“冷”荧光剂)在其峰值吸收处被激发，而另一荧光剂(这优选地为 发出例如红光的荧光剂)在具有对激发波长的高依赖性的点处被激发。这种方案的优点 是，在高强度上(当白色“冷”荧光剂占主导地位时)，荧光剂的效率高(例如其峰值激 发的98% )。在低强度上(当LED的功耗大大降低时)，红色荧光剂的效率上升(例如 从10%到25%)而白色荧光剂的效率保持大致相同(例如从峰值激发的98%到100%)， 这降低LED的色温并且同时发挥出更高的效率。
尽管本发明参考其具体的示范性实施方式进行了描述，许多不同的改动、修改 等对于本领域中的技术人员将会变得明晰。所述实施方式因此不是为了对本发明在所附 权利要求中所限定的范围作出限制。
权利要求
1.一种发光器件(1)，包括-光源(2)，用于发出具有光源波长的光源光，所述光源光的强度可受控于信号，-第一荧光剂材料(3、4)，能够将至少一部分所述光源光转换为与所述光源波长不 同的至少第一波长的光，以及-第二荧光剂材料(3、4)，能够将至少一部分所述光源光转换为与所述光源波长和 所述第一波长不同的至少第二波长的光，其中所述第一荧光剂材料和第二荧光剂材料(3、4)被安排为分别具有第一转换效率和第 二转换效率，第一转换效率不同于第二转换效率，每一转换效率可受控于所述信号，据 此，第一波长的光与第二波长的光相应的强度的比率依赖于所述信号。
2.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中所述第一转换效率与第二转换效率中 的至少之一依赖于所述光源波长，所述光源波长则依赖于所述光源光的强度。
3.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中所述第一转换效率依赖于所述第一荧 光剂材料的温度，所述温度则依赖于所述光源光的强度。
4.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中所述第二转换效率依赖于所述第二荧 光剂材料的温度，所述温度则依赖于所述光源光的强度。
5.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中所述光源(2)包括LED结构、荧光照 明元件、或者其组合。
6.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中所述器件还包括透明外壳，所述第一 荧光剂材料与第二荧光剂材料中的至少之一位于所述外壳上。
7.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中第一层包含所述第一荧光剂材料。
8.根据任意一项前述权利要求的器件(1)，其中第二层包含所述第二荧光剂材料。
9.根据权利要求7和权利要求8的器件(1)，其中所述第二层安置在所述第一层与所 述光源之间。
10.根据权利要求7的器件(1)，其中所述第一层还包含所述第二荧光剂材料。
11.一种LED灯泡，其包括根据权利要求1至权利要求10中的任意一项的器件。
12.—种LED封装，其包括根据权利要求1至权利要求10中的任意一项的器件。
13.一种照明系统，其包括根据权利要求1至权利要求10中的任意一项的器件。
全文摘要
本发明涉及发光器件(1)，其包括光源(2)，用于发出具有光源波长的光源光，其中所述光源光的强度可受控于信号。该器件还包含第一荧光剂材料(3、4)，其能够将至少一部分所述光源光转换为至少第一波长的光；以及第二荧光剂材料(3、4)，其能够将至少一部分所述光源光转换为至少第二波长的光。所述第一荧光剂材料和第二荧光剂材料(3、4)被安排为分别具有可受控于所述信号的第一转换效率和第二转换效率。第一波长的光与第二波长的光相应的强度的比率依赖于所述信号。此外，本发明涉及包括根据本发明的实施方式的发光器件的LED灯泡、LED封装以及照明系统。
文档编号H01L33/50GK102017198SQ200980114240
公开日2011年4月13日 申请日期2009年4月16日 优先权日2008年4月23日
发明者M·C·J·M·维森伯格, M·M·J·W·范赫佩恩, M·P·C·M·克里杰恩 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司