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TWI501018B - 發光裝置與產生彩色光及白光之方法 - Google Patents

發光裝置與產生彩色光及白光之方法 Download PDF

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TWI501018B
TWI501018B TW096119346A TW96119346A TWI501018B TW I501018 B TWI501018 B TW I501018B TW 096119346 A TW096119346 A TW 096119346A TW 96119346 A TW96119346 A TW 96119346A TW I501018 B TWI501018 B TW I501018B
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洛根斯 彼德
艾克曼 伯恩
托克斯 安德亞
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皇家飛利浦電子股份有限公司
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Description

發光裝置與產生彩色光及白光之方法
本專利申請案係關於一種用於產生彩色與白光的發光裝置，且係關於一種用於產生彩色與白光的方法，且係關於一發光裝置的用途。
此項技術中已知之顏色可調光源大部分係基於LED模組。彼等LED模組大體而言依賴於由用於每一顏色之不同LED發射之原色紅色、藍色、綠色，且在某些情況下琥珀色或甚至更多之原色。此意謂LED晶片之數目至少與所使用之原色之數目一樣多。通常，發射不同顏色之LED晶片在驅動電流、溫度及其他操作參數方面展示出不同性質。可藉由使用顏色轉換之藍光或紫外光LED晶片，即所謂的磷光體轉換LED(pc LED)來克服此缺陷。磷光體轉換LED包含一藍光或紫外光LED光源，該光源照射一發光材料，該發光材料自身將LED之藍光或紫外光轉換為具較長波長的可見光(例如，綠光、黃光或紅光)。pc LED配置仍具有以下缺點：需要若干個發射不同顏色之pc LED藉由混色以得到所要顏色效果。另外，空間上分隔之光源需要精確對齊的相當複雜之光學器件。pc LED之另一約束為發光材料之可能的飽和度，其導致在由LED發射高光通量之情況下的亮度限制。
藉由自JP 2004341105 A所知之發光及顯示器裝置使該等問題之部分得以解決。該顯示器裝置包含一紫外光發射LED，其照射一顏色輪盤。顏色輪盤之受照側塗佈有可透射紫外光的可見光反射薄膜。顏色輪盤進一步包含三個光轉換扇形區，其將由LED發射之紫外光轉換並散射為紅光、綠光及藍光。經由顏色輪盤向光源處反向散射之經轉換之光由可見光反射薄膜反射，使得所反射之光之大部分可用於顯示應用中。
使用顏色輪盤具有以下優點：藉由將顏色輪盤之不同顏色轉換扇形區輪轉地移動至一光源之光束內，該光源足以在較短之後續時槽內產生原色。由於人類視覺之慣性，不同原色之快速序列被感知為混色。使用單一LED連同顏色輪盤另外具有以下優點：顏色效果並非取決於不同LED在驅動電流、溫度及其他參數方面之不等性質。
然而，自JP 2004341105 A已知之顯示器裝置具有以下缺陷：顏色輪盤具有一複雜設計，其特徵一方面在於顏色轉換區且另一方面在於可見光反射薄膜。另外，並非由LED反射之全部光通量皆可用於顯示應用中，因為來自LED之紫外光在顏色轉換區中散射，且由可見光反射薄膜部分地反射。
因此，本發明之一目標在於提供一種用於產生具有較高光譜純度及穩定性之任一所要顏色之彩色光或具有較高亮度之白光的發光裝置。該發光裝置應進一步包含一具有一簡單且因此節省成本之設計的顏色轉換單元。本專利申請案之另一目標在於提供一種展示較高發光效率的發光裝置。
藉由一用於產生彩色與白光之發光裝置來解決該等及其他目標，該發光裝置包含：至少一個光源，其發射藍光或紫外光；一顏色轉換單元，其用於將該藍光或該紫外光轉換為可見光，該顏色轉換單元包含至少兩個區，該等區中之至少一個區為一透明或半透明區，該顏色轉換單元經配置以使用該藍光或該紫外光來交替地照射該至少兩個區，該至少一個區含有發光材料，其中該發光材料為一位於一聚合物基質中之發光有機染料或一結晶無機發光材料。
根據本發明之發光裝置之顏色轉換單元包含透明發光材料，其允許由光源發射之紫外光或藍光之高效顏色轉換，且可靠地避免降低發光裝置之發光效率的光束偏轉或散射。使用透明發光材料亦確保最小展度，其對於聚光燈及投影應用係重要的。包含發光材料之顏色轉換區可為半透明(部分地透射由光源發射之光，所謂的原光)或將原光完全轉換為具有不同波長的可見光。
與習知發光材料相比，位於聚合物基質中之有機染料以及結晶無機發光材料之特徵在於較高量子效率。由於受照射之染料分子或無機晶體中之激發態之無輻射鬆弛係高度不可能的，所以由光源發射之照射光幾乎全部轉換為可見光。另外，顏色轉換單元之特徵在於一簡單且因此節約成本之設計，因為不需要其表面之特殊塗層。
根據本發明之第一實施例，光源為一發光二極體(LED)。LED之主要優點在於其具有較長之使用壽命及較高能量效率。發射藍光或紫外光之LED可在市場上容易購得。由於僅使用單一LED，因此由發光裝置產生之光的顏色效果獨立於溫度及驅動電流。
根據本發明之另一實施例，發光有機染料為一包含苝四酸的染料。可製造該等創新的有機染料使其具有眾多顏色轉換特徵。因此，由光源發射之藍光或紫外光可轉換為具有較高光譜純度及亮度之許多顏色。
舉例而言，顏色轉換單元的至少一個顏色轉換區可經配置以將該藍光或紫外光轉換為綠光。在此情況下，無機發光材料含有SrSi2 O2 N2 ：Eu及/或LuAG：Ce(以鈰摻雜之鎦鋁石榴石)。顏色轉換單元之顏色轉換區亦可經配置以將由光源發射之藍光或紫外光轉換為紅光。在此情況下，無機發光材料含有CaS：Eu及/或CaAlSiN3 ：Eu。
在另一實施例中，該無機發光材料作為單晶材料展現一大於其理論密度之97%的密度，以便藉由減少發光材料中之散射效應來進一步減少受照射之無機發光材料中之激發態之無輻射鬆弛的量，從而在離開發光材料之前在發光材料內產生經轉換之光之較短光路。舉例而言，可在擠壓材料時藉由施加較大之壓力來產生高密度。
根據本發明之另一實施例，光源發射藍光，且顏色轉換單元包含至少一個透明區。在一發射藍光之光源(例如，藍光LED)的情況下，可將此光直接用於混色，使得可能不需要完全之顏色轉換。透明區可由玻璃或透明聚合物(諸如，聚碳酸酯)製成。
根據本發明之另一有利實施例，顏色轉換單元包含三個區，該等區經配置以將該藍光或該紫外光週期性地轉換為紅光、綠光及藍光。藉由產生原色紅色、綠色及籃色，根據本發明之發光裝置可用於產生寬闊之色譜，尤其對於照明或顯示應用而言。在UV光源之情況下，顏色轉換單元可包含一透明區及兩個顏色轉換區，該等顏色轉換區經配置以將UV光分別轉換為黃光及藍光。在藍光光源之情況下，顏色轉換單元可包含一透明區及兩個顏色轉換區，該等顏色轉換區經配置以將籃光分別轉換為紅光及綠光。在藍光光源之情況下，顏色轉換單元亦可僅包含兩個區，其中之一者為一透明或半透明區，且另一者為一顏色轉換區，該顏色轉換區經配置以將藍光轉換為黃光。
根據本發明之另一實施例，顏色轉換單元被設計為以一旋轉頻率旋轉之旋轉振盪器，尤其為一顏色輪盤，其包含至少兩個扇形區，該等扇形區中之至少一者為一顏色轉換區。旋轉振盪器(尤其為一顏色輪盤)之優點在於其亦可充當該發光裝置之冷卻風扇，此係歸因於在其表面上之空氣邊界層。其他冷卻風扇元件可附著至旋轉振盪器之軸。
較佳地，顏色輪盤包含至少四個區，其在每一轉執行一次以上顏色循環。此處，顏色循環表示發射包含由顏色輪盤提供之所有不同顏色之光所需的一轉的分數。舉例而言，若存在發射藍光之兩個區及發射黃光之兩個區，且該等區係以藍光/黃光/藍光/黃光之序列配置，則與僅存在兩個區(一個藍光、一個黃光)之顏色輪盤相比，此顏色輪盤在每一轉執行兩次顏色循環。在僅存在兩個區之情況下，顏色輪盤將在每一轉僅執行一次顏色循環。藉由在每一轉實現一次以上顏色循環，顏色分裂效應可減少，或作為替代，所需顏色輪盤之旋轉頻率減少。
根據本發明之另一有利實施例，顏色輪盤之扇形區之間的接觸表面具備一反射性塗層。此將避免如可由光導現象導致之光自一區向另一區的洩漏。
根據本發明之另一實施例，光源之數目對應於顏色輪盤之扇形區之數目，其中該等光源經配置以同時照射顏色輪盤之所有扇形區。此允許增加總光通量，且藉由降低所得光束中之顏色變幅而降低顏色分裂效應。
可以不同方式製造顏色輪盤。舉例而言，顏色輪盤之扇形區可藉由膠接而接合。在使用位於聚合物基質中之發光有機染料之情況下，亦可藉由將含有各別染料之聚合物一起模製成單一緊密形狀來製造顏色輪盤。
根據本發明之另一實施例，顏色轉換單元被設計為以一振盪頻率振盪之線性振盪器。線性振盪器可包含一壓電致動器或一螺線管。
發光裝置之光源可為一連續發光光源。其亦可為一脈衝光源。在脈衝光源之情況下，發光裝置較佳包含一電子控制單元，其經配置以使光源之脈衝圖案與該顏色轉換單元(諸如，顏色輪盤)之交替頻率同步，以便產生所要色調。
本專利申請案之另一態樣為一種用於產生彩色光之方法，該方法包含：至少一個光源發射藍光或紫外光；一顏色轉換單元用於將該藍光或該紫外光轉換為可見光，該顏色轉換單元包含至少兩個區，該等區中之至少一個區為一顏色轉換區，該至少一個顏色轉換區含有發光材料，該發光材料為一位於一聚合物基質中之發光有機染料或一結晶無機發光材料，其中該至少兩個區由該藍光或該紫外光交替地照射。
根據本發明之方法之一實施例，光源為一脈衝光源，且該脈衝光源之脈衝圖案與該顏色轉換單元之交替頻率同步以便產生所要色調，其中該顏色轉換單元之交替頻率適應於該脈衝光源之脈衝圖案，或該脈衝光源之脈衝圖案適應於該顏色轉換單元之交替頻率。
本專利申請案之另一態樣為一種如請求項1之發光裝置之用途，其用作一用於全面照明或用於醫學、藝術及攝影應用中的顏色可調光源。可將提供包含UV光之光的發光裝置用於需要螢光效應之照明之目的。本專利申請案之另一態樣為一種如請求項1之發光裝置之用途，其用於一投影裝置中。
本專利申請案之該等及其他態樣將自參看所附圖式而進行的闡述顯而易見。
圖1a說明根據本發明之發光裝置之側視圖，該發光裝置包含一光源及一顏色轉換單元。目前，光源被設計為一藍光LED 1。然而，本發明並非限於LED。光源亦可被設計為藍光發射雷射，例如，一藍光半導體雷射或ArF＊ 雷射，或氣體放電燈。顏色轉換單元目前被設計為顏色輪盤2，該顏色輪盤由一馬達(未圖示)驅動而以一旋轉頻率旋轉該顏色輪盤。在另一實施例中，在使用該發光裝置期間，旋轉頻率可變化。又，其亦可被設計為任一其他適合之旋轉頻率。
顏色輪盤2目前包含兩個顏色轉換扇形區2a、2b及一透明區2c。顏色轉換扇形區2a、2b各自包含一含有發光有機染料的聚合物基質。較佳地，發光有機染料為基於苝四酸的染料。扇形區2a之有機染料將由LED 1發射之藍光轉換為紅光，而扇形區2b之有機染料將藍光轉換為白光。作為替代，顏色轉換區2a、2b各自可包含燒結為一透明或半透明陶瓷體的結晶無機發光材料。在將藍光轉換為綠光之扇形區2a的情況下，無機發光材料可為SrSi2 O2 N2 ：Eu及/或LuAG：Ce。將藍光轉換為紅光之扇形區2b可含有作為結晶無機發光材料的CaS：Eu及/或CaAlSiN3 ：Eu。扇形區2c由一透明材料構成，諸如玻璃或透明聚合物(諸如，聚碳酸酯)。較佳地，顏色輪盤2之扇形區2a、2b、2c之間的接觸表面具備一反射性塗層。藉由在各別扇形區之間使用反射性塗層，可靠地避免了交越效應。
在具有將LED之藍光分別轉換為紅光或綠光之兩個顏色轉換扇形區2a、2b及一對於藍光而言完全透明之透明區2c的情況下，顏色輪盤2涵蓋全色循環，且因此可用於複數個顯示應用或照明應用。
圖1a之發光裝置進一步包含一電子控制單元(未圖示)，該電子控制單元控制LED 1之驅動電流及顏色輪盤2之旋轉頻率。舉例而言，LED 1由一脈衝驅動電流驅動以使得該LED發射一脈衝光束。脈衝長度及脈衝頻率可以一方式適應於旋轉頻率，使得顏色輪盤後之所得光束產出白光(慮及人類視覺之慣性及依賴於波長之靈敏度)。藉由增加(例如)穿過輪盤2之透明扇形區2c之彼等脈衝的脈衝長度，可容易地將顏色效果變換為藍色。應瞭解，亦可藉由更改個別扇形區之角展來控制顏色效果。
在根據本發明之發光裝置之另一實施例(未圖示)中，光源可被設計為一紫外光發射LED或UV雷射(例如，KrF＊ 雷射)。應瞭解，在此情況下，必須用一雷射之脈衝UV光轉換為藍光的顏色轉換區來取代顏色輪盤2之透明區2c。
圖2展示圖1b之顏色輪盤之另一實施例的俯視圖。
與圖1b之顏色輪盤2相比，顏色輪盤3包含：將藍光轉換為紅光之兩個顏色轉換區3a、3d；將藍光轉換為綠光之兩個顏色轉換區3b、3e；及兩個透明區3c、3f。因此顏色輪盤3在每一轉涵蓋兩次顏色循環。此情形具有以下優勢：大幅降低分裂效應，或作為替代，可降低顏色輪盤之所需旋轉頻率。如同在圖1b之顏色輪盤2之情況下，較佳以一反射性塗層覆蓋顏色輪盤3之扇形區3a至3f之間的接觸表面。
圖3a展示根據本發明之發光裝置之另一實施例的俯視圖。
圖3a之發光裝置包含三個不同的LED 1a、1b、1c，其各自發射藍光。圖3a之發光裝置進一步包含一顏色輪盤2，該顏色輪盤包含三個扇形區2a、2b、2c。扇形區2a、2b經設以將藍光分別轉換為紅光或綠光，而扇形區2c對於藍光完全透明。藍光LED 1a、1b、1c係分別以120°之角距彼此隔開，以便同時照射顏色輪盤2之三個扇形區2a、2b、2c。此情形允許增加總光通量，同時藉由降低所得光束中之顏色變幅而降低顏色分裂效應。
圖4說明根據本發明之發光裝置之側視圖，該發光裝置之特徵在於由一線性振盪器驅動之顏色轉換單元。
詳言之，圖4之發光裝置包含一作為光源之藍光LED 4及一顏色轉換單元5，顏色轉換單元5自身包含三個顏色轉換區6a、6b、6c及一透明區6d。與圖1至圖3之顏色輪盤相比，顏色轉換單元5之區6a至6d係以一線性配置而彼此鄰近地配置。另外，顏色轉換單元5耦接至一機械諧振器6而以一振盪頻率來驅動顏色轉換單元5。藉由每次振盪實現一次以上顏色循環，將獲得自該轉換單元之不同區發射之光之較均質的顏色效果。或者，可藉由增加數目之顏色轉換區6a至6d來降低振盪頻率，以獲得與較低數目之顏色轉換區在較高之頻率下獲得之顏色效果相同的顏色效果。目前，由一連接至一交流電流源的電磁致動器(螺線管)7來激發機械諧振器6。
當由螺線管7激發時，機械諧振器及耦接至諧振器6的顏色轉換單元5執行一線性振盪運動，使得由LED 4發射之藍光依次地照射顏色轉換區6a、6b、6c及透明區6d。如同顏色輪盤，顏色轉換單元5產生不同顏色之快速序列，由於人類視覺之慣性，其被感知為混色。
圖5說明另一發光裝置之側視圖，該發光裝置之特徵在於由一線性振盪器驅動之不同顏色轉換單元。
與圖4之發光裝置相比，機械諧振器6'由一連接至一交流電壓源之壓電致動器8激發而以一振盪頻率來驅動顏色轉換單元5。
雖然已展示且描述並指出如應用至較佳實施例之本發明之基本的新穎特徵，但應瞭解，熟習此項技術者可在不脫離本發明之精神的情況下對所描述之裝置及方法之形式及細節作出各種省略及代替及改變。舉例而言，明確期望使以大體相同之方式執行大體相同之功能以達成相同結果的彼等元件及/或方法步驟之所有組合處於本發明之範疇中。此外，應認識到，可將結合本發明之任一所揭示之形式或實施例而展示及/或描述之結構及/或元件及/或方法步驟大體作為設計之選擇併入任一其他所揭示或描述或建議之形式或實施例作為設計選擇之一般事項。因此，意欲僅如隨附至本文之申請專利範圍之範疇所指示而受限制。亦應認識到，任何參考符號不應被解釋為限制申請專利範圍之範疇。
1．．．LED
1a．．．LED
1b．．．LED
1c．．．LED
2．．．顏色輪盤
2a．．．顏色轉換扇形區
2b．．．顏色轉換扇形區
2c．．．透明區
3．．．顏色輪盤
3a．．．顏色轉換區
3b．．．顏色轉換區
3c．．．透明區
3d．．．顏色轉換區
3e．．．顏色轉換區
3f．．．透明區
4．．．LED
5．．．顏色轉換單元
6．．．機械諧振器
6'．．．機械諧振器
6a．．．顏色轉換區
6b．．．顏色轉換區
6c．．．顏色轉換區
6d．．．透明區
7．．．電磁致動器/螺線管
8．．．壓電致動器
圖1a、圖1b說明根據本發明之發光裝置之側視圖及俯視圖，該發光裝置包含一光源及一具有一旋轉振盪器的顏色轉換單元，圖2說明圖1之旋轉振盪器之另一實施例的俯視圖，圖3a、圖3b說明圖1之發光裝置之另一實施例的俯視圖及透視圖，該發光裝置之特徵在於三個光源，圖4說明根據本發明之發光裝置之側視圖，該發光裝置包含一光源及一具有一線性振盪器的顏色轉換單元，及圖5說明圖4之發光裝置之側視圖，該發光裝置之特徵在於該線性振盪器之另一實施例。
1a．．．LED
1b．．．LED
1c．．．LED
2a．．．顏色轉換扇形區
2b．．．顏色轉換扇形區
2c．．．透明區

Claims (13)

  1. 一種用於產生彩色光與白光之發光裝置，其包含：至少一個光源(1、4)，其發射藍光或紫外光；一顏色轉換單元(2、5)，其用於將該藍光或該紫外光轉換為可見光，該顏色轉換單元包含至少兩個區(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，該等區中之至少一個區(2c、6d)為一透明或半透明(translucent)之顏色轉換區，該顏色轉換單元(2、5)經配置以使用該藍光或該紫外光來交替地照射該至少兩個區(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，該至少一個顏色轉換區含有發光材料，其中該發光材料為一位於一聚合物基質(polymer matrix)中之發光有機染料或一結晶無機發光材料。
  2. 如請求項1之發光裝置，其中該光源(1、4)為一發光二極體。
  3. 如請求項1或2之發光裝置，其中該發光有機染料為一包含苝四酸(Perylene tetracarbonic acid)之染料。
  4. 如請求項1或2之發光裝置，其中該無機發光材料作為一單晶材料展現一大於其理論密度之97%的密度。
  5. 如請求項1或2之發光裝置，其中該顏色轉換區(2a、3b、3e)經配置以將該藍光或該紫外光轉換為綠光，且含有作為該結晶無機發光材料的SrSi2 O2 N2 ：Eu及/或LuAG：Ce，或其中該顏色轉換區(2b、3a、3d)經配置以將該藍光或該紫外光轉換為紅光且含有作為該結晶無機發光材料的CaS：Eu及/或CaAlSiN3 ：Eu。
  6. 如請求項1或2之發光裝置，其中該顏色轉換單元被設計為一以一旋轉頻率旋轉之旋轉振盪器(2)，或一以一振盪頻率振盪之線性振盪器。
  7. 如請求項6之發光裝置，其中該旋轉振盪器為一以一旋轉頻率旋轉之顏色輪盤(2、3)，其包含至少兩個扇形區，該等扇形區中之至少一者為一透明或半透明之顏色轉換區。
  8. 如請求項7之發光裝置，其中該顏色輪盤(2、3)包含至少四個區以在每一轉執行一次以上顏色循環。
  9. 如請求項7之發光裝置，其中該等扇形區之間的接觸表面具備一反射性塗層。
  10. 如請求項6之發光裝置，其中該線性振盪器包含一壓電致動器(8)或一螺線管(7)。
  11. 如請求項1或2之發光裝置，其中該光源(1、4)為一脈衝光源，且該發光裝置進一步包含一電子控制單元，該電子控制單元經配置以使該脈衝光源之脈衝圖案與該顏色轉換單元之交替頻率同步以便產生所要色調(shade of color)。
  12. 一種產生彩色光與白光之方法，其包含：至少一個光源(1、4)發射藍光或紫外光；一顏色轉換單元(2、5)用於將該藍光或該紫外光轉換為可見光，該顏色轉換單元(2、5)包含至少兩個區(2a、2b、2c、6a、6b、6c、6d)，該等區中之至少一個區(2c、6d)為一透明或半透明之顏色轉換區，該至少一個 顏色轉換區含有發光材料，該發光材料為一位於一聚合物基質中之發光有機染料或一結晶無機發光材料，其中使用該藍光或該紫外光來交替地照射該至少兩個區。
  13. 如請求項12之方法，其中該光源(1、4)為一脈衝光源，且該脈衝光源之脈衝圖案與該顏色轉換單元之交替頻率同步以便產生所要色調。
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