专利名称：改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱led及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED及制作方法。
背景技术：
近年来，白光LED发展速度迅猛，随着光效的提升和价格的下降，白光LED市场越来越贴近于民用照明和室内照明。同时LED的色参数性能逐渐被市场重视，人们开始追求高显LED、高一致性LED等。面对如此挑战，需要LED封装技术的不断创新。白光LED的主流封装方式有2种1)单颗芯片封装；2)多颗芯片模组封装。芯片分为水平结构和垂直结构。由于蓝光LED芯片发光呈朗伯分布，尤其是在90°和-90°方向，辐射通量极低。而目前采用的荧光粉涂覆方式无法完全保形涂覆，因此在大于光束角之外的白光色温通常都会低于中心角的白光色温，这种现象称为“晕轮”现象或“黄圈”现象。 目前消除这种现象的方法有1)采用垂直结构芯片，荧光粉保形涂覆；2)采用扩散粉，利用散射机理改变光线辐射方向；3)采用雾面透镜，强制改变光线辐射方向。在以上3种方式中，第一种方式芯片成品率低，并且受到透镜的放大作用，未能完全均匀分布，如CREE的3000k白光LED色温偏差在±100k。第二种方式中，现有技术所采用的扩散粉主要为亚微米颗粒，效果不佳，添加过多会影响光效。第三种方式中，颜色分布改善同样不足，并且影响光效。因此在LED封装领域需要重新寻找新的方法进行改善。目前各大照明公司都有研究亚微米或纳米颗粒对多峰光谱LED的颜色空间分布均匀性的改善作用，主要着眼于电视机的导光板和面板灯的导光板方面。但是在LED光源方面，受到近场激发的限制，扩散粉的使用仍处于探索之中。关于扩散粉对LED本身的改善作用的专利调研，总结如下
1)US6791259，通过在光源和无机发光材料之间添加50_500nm的纳米颗粒封装材料层，获得高光效高颜色空间分布均匀性的白光LED ；
2)US5618872，通过在封装材料中添加纳米粉，其目的是提高封装材料的折射率，从而提闻光效;
3)US20090057699,通过在封装材料中添加亚微米颗粒，比重在O. 5%-10%fft,提升光效并解决“晕轮”现象；
4)JP2008520810，通过在封装材料中添加25nm为主的表面改性纳米颗粒，比重在l%-5%wt，提升至折射率I. 7以上，从而提高光效；
5)US20070295968，通过添加5nm_165nm的纳米颗粒，提高电致发光器件的抗紫外性
倉泛;
6)KR20070069669，通过添加30nm的纳米颗粒，比重在l%_20%wt，改善白光LED的分散性能；
7)EP1864274，通过添加有机或无机纳米颗粒，比重在3%_30%wt，提升LED光色性能；
8)CN101644403，通过在灯壳中添加纳米Ti02，提升LED灯壳的自洁功能，增加透过率。以上专利中，仅1)，3)和6)涉及扩散粉对颜色空间分布的影响，而所采用的扩散粉在封装材料中所占重量百分比较高，不易获得良好分散，同时，扩散粉粒径较大，与封装材料兼容性不好。此外，上述专利中对扩散粉的特性描述过于宽泛，扩散粉种类繁多，按颜色分，有白色，无色透明等。我们研究发现，粒径分布函数主峰处于3_50nm的纳米颗粒对短波可见光的瑞利散射作用已经非常明显。因此使用小粒径纳米颗粒不仅获得更好的颜色均匀性，还可以降低添加浓度，维持甚至提高了出光效率。此外，白色的纳米颗粒，其对多峰光谱LED的颜色空间分布的改善作用尤其显著。
发明内容
针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED及制作方法。本发明改善了多峰光谱LED的颜色空间分布均匀性，并且维持甚至提高了 LED出光效率。获得一种光、色性能俱佳的LED封装产品。为实现上述目的，本发明的技术方案为一种改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED，通过在包覆短波可见光芯片的封装材料中混合纳米颗粒，所采用的纳米颗粒为 白色、惰性的非发光材料，其折射率高于封装材料的折射率，其导热率高于封装材料的导热率，纳米颗粒的粒径分布函数的主峰处在3nm-50nm，占覆盖短波可见光芯片的封装材料的重量百分比O. 01%-0. 5%。对纳米颗粒进行表面改性，改善与封装材料混合后的有机一无机界面，抑制纳米颗粒的团聚。封装材料为混合有非发光纳米颗粒和发光材料的封装材料组成的二次辐射元件层；或为混合有非发光纳米颗粒的封装材料组成的透镜元件层；二次辐射元件层和透镜元件层能同时存在，能单层、多层使用，次序能调。加入封装材料的发光材料至少为I种或多种的组合，通过短波可见光芯片激发形成多峰光谱。发光材料指有机荧光粉或无机荧光粉之类的能够进行波长转换的材料。封装材料包括基体及固化剂，所述非发光纳米颗粒先混合于基体中，混合均匀后，再加入固化剂混合均匀。发光材料在加入固化剂之前或之后加入封装材料中，混合均匀。所用短波可见光芯片为单颗芯片输出激发能量或多颗芯片组成模组输出激发能量。所述非发光材料为Ti02、Al2O 3、SiO2, Zr02、MgO、ZnO, A1N、金刚石、BeO 等。本发明还提供一种改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED的制作方法，其包括以下步骤
1)选择一种或多种惰性纳米颗粒，白色非发光材料，其折射率高于封装材料的折射率，导热率高于封装材料的导热率，其粒径分布函数的主峰处于3-50nm ；
2)对上述纳米颗粒进行表面改性处理，抑制纳米颗粒的团聚，改善与有机峰值材料的界面兼容性；
3)将改性的纳米颗粒掺入封装材料，高速搅拌至均匀，其掺入的纳米颗粒重量占封装材料总重量百分比O. 01% — O. 5% ；
4)加入固化剂，高速搅拌；
5)掺入发光材料,发光材料为一种或多种，高速搅拌；6)真空脱泡；
7)使用点胶技术制作成二次辐射元件层；或进行步骤1)、2)、3)、4)、6)，使用点胶技术或模具成型技术制作成透镜元件层。步骤7)中所述的二次辐射元件层和透镜元件层，能单层或多层使用，多层使用时次序能调。本发明的原理是纳米颗粒对短波可见光具有强烈的瑞利散射作用，瑞利散射光强度与入射光的波长的四次方成反比，与粒子的体积平方成正比，与单位体积胶体内粒子数成正比，并且分散相与分散介质的折射率相差愈大，粒子的散射光愈强。利用纳米颗粒对短波可见光强烈的瑞利散射作用，增加短波可见光向侧面散射的几率，增加传播路径；以补偿侧面由于可见光辐射受到发光材料的Mie散射作用而辐射通量过低的不足，增加短波可见光激发发光材料的几率，因此实现降低发光材料的使用浓度的目的，同时增加了发光材 料的透过率。最终目的改善了多峰光谱LED的颜色空间分布均匀性，并且维持甚至提高了LED出光效率。获得一种光、色性能俱佳的LED封装产品。
图I是本发明实施示例一的侧视结构剖面 图2是本发明实施示例二的侧视结构剖面 图3是本发明实施示例三的侧视结构剖面 图4是本发明实施示例一、二、三与未添加纳米颗粒LED的颜色空间分布均匀性测试结果对比 图5是本发明实施示例四的侧视结构剖面图。
具体实施例方式以下结合实施例及附图对本发明进行详细的描述。实施例I
如图I所示，是本发明改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED的一个实施例，由基体I、短波可见光LED芯片2、二次辐射元件层3。二次辐射元件层3为混合有非发光纳米颗粒和发光材料的封装材料。短波可见光LED芯片2的峰值波长选择在385nm_550nm，最佳为440nm-470nm。尺寸不限。二次辐射元件层3包含一定量的可被短波可见光LED芯片2所激发的无机或有机发光材料，包含O. 01%-0. 5%的纳米颗粒，包含用于混合2种颗粒的封装材料。二次辐射元件层3涂覆在短波可见光LED芯片2上，外层可以选择透镜保护或裸露。封装具体外观表现形式不受本发明限制。本实施例中，采用的对比样品数据为同样的未掺入纳米颗粒的白光LED，色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中A曲线，90°至-90°范围的色温分布偏差为±80k。而通过示例一制作的样品色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中B曲线，色温分布偏差为±40k。其中出光效率没有降低。实施例2如图2所示，是本发明改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED的另一个实施示例，由基体I、短波可见光LED芯片2、二次辐射元件层5、透镜元件层6组成。透镜元件层6为混合有非发光纳米颗粒的封装材料。短波可见光LED芯片2的峰值波长选择在385nm_550nm，最佳为440nm-470nm。尺寸不限。二次辐射元件层5包含一定量的可被短波可见光LED芯片2所激发的无机或有机发光材料，包含用于分散发光材料的封装材料。透镜元件层6包含适用于LED出光所需的封装材料，如硅胶和环氧树脂，还包含
O.01%-0. 5%的纳米颗粒，通过搅拌分散。二次辐射元件层5涂覆在短波可见光LED芯片2上，透镜元件层6包裹短波可见光LED芯片2和二次辐射元件层5。封装具体外观表现形式不受本发明限制。 本实施例中，采用的对比样品数据为同样的未掺入纳米颗粒的白光LED，色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中A曲线，90°至-90°范围的色温分布偏差为±80k。而通过示例一制作的样品色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中C曲线，色温分布偏差为±10k。其中出光效率没有降低。实施例3
如图3所示，是本发明改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED的第三个实施例，由基体I、短波可见光LED芯片2、二次辐射元件层7、透镜元件层8组成。短波长可见光LED芯片2的峰值波长选择在385nm_550nm，最佳为440nm_470nm。尺寸不限。二次辐射元件层7包含一定量的可被短波长可见光LED芯片2所激发的无机或有机发光材料，包含O. 01%-0. 5%的纳米颗粒，包含用于混合2种颗粒的封装材料。透镜元件层8包含适用于LED出光所需的封装材料，如硅胶和环氧树脂，还包含
O.01%-0. 5%的纳米颗粒，通过搅拌分散于封装材料中。二次辐射元件层7涂覆在短波长可见光LED芯片2上，透镜元件层8包裹短波长可见光LED芯片2和发光材料混合层7.封装具体外观表现形式不受本发明限制。本实施例中，采用的对比样品数据为同样的未掺入纳米颗粒的白光LED，色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中A曲线，90°至-90°范围的色温分布偏差为±80k。而通过示例一制作的样品色温为3000k，空间颜色分布数据如图4中D曲线，色温分布偏差为±0k。其中出光效率没有降低。实施例4
如图5所示，是本发明改善颜色空间分布和出光效率的多峰光谱LED的第四个实施例，由基体I、多颗短波可见光LED芯片2、二次辐射元件层9、透镜元件层10组成。短波长可见光LED芯片2的峰值波长选择在385nm_550nm，最佳为440nm_470nm。尺寸不限。二次辐射元件层9包含一定量的可被短波长可见光LED芯片2所激发的无机或有机发光材料，可以包含O. 01%-0. 5%的纳米颗粒，包含用于混合2种颗粒的封装材料。透镜元件层10包含适用于LED出光所需的封装材料，如硅胶和环氧树脂，可以包含O. 01%-0. 5%的纳米颗粒，通过搅拌分散于封装材料中。
以上元件层9、10至少有I个包含包含O. 01%-0. 5%的纳米颗粒，通过搅拌分散于封装材料中。二次辐射元件层9涂覆在短波长可见光LED芯片2上，可以选择透镜元件层10包裹短波长可见光LED芯片2和发光材料混合层9.封装具体外观表现形式不受本发明限制。本发明示例中，发光材料层的发光材料的种类至少有一种。示例仅作示意，未作具体形状规定。 ·
权利要求
1.一种改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于通过在包覆短波可见光芯片的封装材料中混合纳米颗粒，所采用的纳米颗粒为白色、惰性的非发光材料，其折射率高于封装材料的折射率，其导热率高于封装材料的导热率，纳米颗粒的粒径分布函数的主峰处在3nm-50nm，占覆盖短波可见光芯片的封装材料的重量百分比O. 01%-0. 5%。
2.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，对纳米颗粒进行表面改性，改善与封装材料混合后的有机一无机界面，抑制纳米颗粒的团聚。
3.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，封装材料为混合有非发光纳米颗粒和发光材料的二次辐射元件层；或为混合有非发光纳米颗粒的透镜元件层；二次辐射元件层和透镜元件层能同时存在，能单层、多层使用，次序能调。
4.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，力口入封装材料的发光材料至少为I种或多种的组合，发光材料受到短波可见光芯片激发形成多峰光谱。
5.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，封装材料包括基体及固化剂，所述非发光纳米颗粒先混合于基体中，混合均匀后，再加入固化剂混合均匀。
6.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，发光材料在加入固化剂之前或之后加入封装材料中，混合均匀。
7.根据权利要求I所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，所用短波可见光芯片为单颗芯片输出激发能量或多颗芯片组成模组输出激发能量。
8.根据权利要求I至7任一项所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED，其特征在于，所述非发光材料为Ti02、Al2O 3、SiO2, Zr02、MgO、ZnO, A1N、金刚石或BeO。
9.一种改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED的制作方法，其特征在于，包括以下步骤 1)选择一种或多种惰性纳米颗粒，白色非发光材料，其折射率高于封装材料的折射率，导热率高于封装材料的导热率，其粒径分布函数的主峰处于3-50nm ； 2)对上述纳米颗粒进行表面改性处理，抑制纳米颗粒的团聚，改善与有机峰值材料的界面兼容性； 3)将改性的纳米颗粒掺入封装材料，高速搅拌至均匀，其掺入的纳米颗粒重量占封装材料总重量百分比O. 01% — O. 5% ； 4)加入固化剂，高速搅拌； 5)掺入发光材料,发光材料为一种或多种,高速搅拌； 6)真空脱泡； 7)使用点胶技术制作成二次辐射元件层；或进行步骤1)、2)、3)、4)、6)，使用点胶技术或模具成型技术制作成透镜元件层。
10.根据权利要求9所述的改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED的制作方法，其特征在于，步骤7)中所述的二次辐射元件层和透镜元件层，能单层或多层使用，多层使用时次序能调。
全文摘要
本发明公开一种改善颜色空间分布和出光效率多峰光谱LED及制作方法，多峰光谱LED通过在包覆短波可见光芯片的封装材料中混合纳米颗粒，所采用的纳米颗粒为白色、惰性的非发光材料，其折射率高于封装材料的折射率，其导热率高于封装材料的导热率，纳米颗粒的粒径分布函数的主峰处在3nm-50nm，占覆盖短波可见光芯片的封装材料的重量百分比0.01%-0.5%。本发明改善了多峰光谱LED的颜色空间分布均匀性，并且维持甚至提高了LED出光效率，获得一种光、色性能俱佳的LED封装产品。
文档编号H01L33/58GK102916117SQ20121036003
公开日2013年2月6日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者刘立林, 王钢, 吴明洋 申请人:中山大学