白光面光源发光装置转让专利
申请号 : CN200710009071.8
文献号 : CN101075655B
文献日 : 2010-07-07
发明人 : 诸建平
申请人 : 诸建平
摘要 :
本发明涉及一种白光面光源发光装置，该发光装置包括有半导体芯片、基座，透镜内部形成有空腔，空腔内填充有光转换材料，透镜固定于半导体芯片上方，并与半导体芯片隔开。由于采用了含有光转换材料的透镜，可以有效解决由于半导体芯片发热对光转换材料所造成的激发波长偏移、量子效率下降、老化等不良影响；制作的白光面光源发光装置的出光率、色温、色度和一致性等也能够得到有效的改善；扩大了光源的发光面积和均匀性，发出的光为白色面光源，并能够有效的防止眩光现象。
权利要求 :
1.一种白光面光源发光装置，包括有半导体芯片、基座，其特征在于透镜内部形成有空腔，空腔内填充有光转换材料，透镜固定于半导体芯片上方，并与半导体芯片隔开。
2.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的半导体芯片固定在基座上。
3.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述半导体芯片的发光波长范围为200nm～1000nm。
4.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的半导体芯片为LED芯片。
5.根据权利要求1，2，3或4所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的半导体芯片至少为一个。
6.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的光转换材料为荧光粉或含有荧光粉的混合物。
7.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的透镜为塑料材料或玻璃材料制作。
8.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的光转换材料在透镜的空腔中为面状分布。
9.根据权利要求1或8所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的空腔截面为方形、圆环形或不规则形状。
10.根据权利要求1或8所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的空腔内表面可以为粗糙或高低不平的非光滑面或凹凸面。
11.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的透镜由若干部分组成，各部分之间采用超声波焊接、粘合剂粘结、卡口、螺纹结构中的一种或多种方式结合成一整体，并在其内部形成有空腔和开孔，光转换材料通过开孔填充在空腔内。
12.根据权利要求11所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的粘合剂为硅胶、环氧树脂或UV胶中的一种。
13.根据权利要求1所述的一种白光面光源发光装置，其特征在于所述的透镜与半导体芯片之间填充有环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料或聚氨酯材料中的一种。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种发光器件，尤其是涉及一种以半导体为发光元件的白光面光源发光装置。
背景技术
从上世纪90年代末，白光LED(light emitting diode，简称为LED)得到了迅猛发展。LED作为第4代照明光源，具有节能、环保、寿命长、光效高、无辐射、抗冲击等优点，这都是传统光源无法比拟的。
虽然LED具有众多独特的优点，但由于LED芯片的发光面积小，亮度高，因此LED产生的光源集中，为一点光源，极容易产生眩光和光污染。如果直接将荧光粉等光转换材料覆盖在芯片表面，荧光粉极容易受到LED芯片高温的影响，加速荧光粉的老化，引起LED的出光率和使用寿命的缩短。这些都影响着LED的使用性能和应用范围。
在专利公开号为“CN03824703.8”的“具有改良效率的镀膜LED”专利中，其主要是将透明透镜覆盖在半导体上并与半导体隔开，其中磷光体层涂布在透镜的内表面或外表面。半导体产生的光源，通过透镜表面的磷光体层激发和原来的光线混合产生白光，扩大光源的发光面积。虽然这样也能够解决LED的点光源问题，但是由于磷光体是一胶状的混合物，具有一定的流动性，因此涂布在透镜上时，厚度和均匀性比较难控制，对加工工艺的要求非常高，而且对LED激发产生白光的均匀性和色温一致性也都难以控制。
虽然LED具有众多独特的优点，但由于LED芯片的发光面积小，亮度高，因此LED产生的光源集中，为一点光源，极容易产生眩光和光污染。如果直接将荧光粉等光转换材料覆盖在芯片表面，荧光粉极容易受到LED芯片高温的影响，加速荧光粉的老化，引起LED的出光率和使用寿命的缩短。这些都影响着LED的使用性能和应用范围。
在专利公开号为“CN03824703.8”的“具有改良效率的镀膜LED”专利中，其主要是将透明透镜覆盖在半导体上并与半导体隔开，其中磷光体层涂布在透镜的内表面或外表面。半导体产生的光源，通过透镜表面的磷光体层激发和原来的光线混合产生白光，扩大光源的发光面积。虽然这样也能够解决LED的点光源问题，但是由于磷光体是一胶状的混合物，具有一定的流动性，因此涂布在透镜上时，厚度和均匀性比较难控制，对加工工艺的要求非常高，而且对LED激发产生白光的均匀性和色温一致性也都难以控制。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺点，提供一种以半导体芯片为发光元件，并通过含有光转换材料的透镜吸收、激发和转化，以产生白光面光源的发光装置。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种白光面光源发光装置，包括有半导体芯片、基座，其中透镜内部形成有空腔，空腔内填充有光转换材料，透镜固定于半导体芯片上方，并与半导体芯片隔开。
所述的半导体芯片固定在基座上。
所述半导体芯片的发光波长范围为200nm～1000nm。
所述的半导体芯片为LED芯片。
所述的半导体芯片至少为一个。
所述的光转换材料为荧光粉或含有荧光粉的混合物。
所述的透镜为塑料材料或玻璃材料制作。
所述的光转换材料在透镜的空腔中为面状分布。
所述的空腔截面为方形、圆环形或不规则形状。
所述的空腔内表面可以为粗糙或高低不平的非光滑面或凹凸面。
所述的透镜由若干部分组成，各部分之间采用超声波焊接、粘合剂粘结、卡口、螺纹结构中的一种或多种方式结合成一整体，并在其内部形成有空腔和开孔，光转换材料通过开孔填充在空腔内。
所述的粘合剂为硅胶、环氧树脂或UV胶中的一种。
所述的透镜与半导体芯片之间填充有环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料或聚氨酯材料中的一种。
本发明由于采用了含有光转换材料层的透镜，因此在白光器件的制备过程中，就可以省略在芯片表面覆盖光转换材料的这一工序，使白光面光源的加工工艺更加简单，进一步缩短生产流程，提高生产效率，降低生产成本；并且可以有效的解决由于半导体芯片发热对光转换材料所造成的激发波长偏移、量子效率下降、老化等不良影响，大大提高白光器件的使用寿命。此外，由于光转换材料包含在透镜的空腔中，光转换材料的状态、体积以及透镜空腔的形状、层数都可以控制，因此所制作的白光面光源发光装置的出光率、色温、色度和一致性等也能够得到有效的改善，有效的提高成品率。
发光二极管LED作为第四代光源，虽具有环保、节能、使用寿命长等优点，但是其所产生的是刺眼的点光源，极易造成人眼的不适。本发明将光转换材料填充到透镜空腔中，形成光转换材料层，经光转换材料层激发后产生的光源为一面光源，扩大了光源的发光面积和均匀性，发出的光为白光面光源，能够有效的防止眩光现象。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种白光面光源发光装置，包括有半导体芯片、基座，其中透镜内部形成有空腔，空腔内填充有光转换材料，透镜固定于半导体芯片上方，并与半导体芯片隔开。
所述的半导体芯片固定在基座上。
所述半导体芯片的发光波长范围为200nm～1000nm。
所述的半导体芯片为LED芯片。
所述的半导体芯片至少为一个。
所述的光转换材料为荧光粉或含有荧光粉的混合物。
所述的透镜为塑料材料或玻璃材料制作。
所述的光转换材料在透镜的空腔中为面状分布。
所述的空腔截面为方形、圆环形或不规则形状。
所述的空腔内表面可以为粗糙或高低不平的非光滑面或凹凸面。
所述的透镜由若干部分组成，各部分之间采用超声波焊接、粘合剂粘结、卡口、螺纹结构中的一种或多种方式结合成一整体，并在其内部形成有空腔和开孔，光转换材料通过开孔填充在空腔内。
所述的粘合剂为硅胶、环氧树脂或UV胶中的一种。
所述的透镜与半导体芯片之间填充有环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料或聚氨酯材料中的一种。
本发明由于采用了含有光转换材料层的透镜，因此在白光器件的制备过程中，就可以省略在芯片表面覆盖光转换材料的这一工序，使白光面光源的加工工艺更加简单，进一步缩短生产流程，提高生产效率，降低生产成本；并且可以有效的解决由于半导体芯片发热对光转换材料所造成的激发波长偏移、量子效率下降、老化等不良影响，大大提高白光器件的使用寿命。此外，由于光转换材料包含在透镜的空腔中，光转换材料的状态、体积以及透镜空腔的形状、层数都可以控制，因此所制作的白光面光源发光装置的出光率、色温、色度和一致性等也能够得到有效的改善，有效的提高成品率。
发光二极管LED作为第四代光源，虽具有环保、节能、使用寿命长等优点，但是其所产生的是刺眼的点光源，极易造成人眼的不适。本发明将光转换材料填充到透镜空腔中，形成光转换材料层，经光转换材料层激发后产生的光源为一面光源，扩大了光源的发光面积和均匀性，发出的光为白光面光源，能够有效的防止眩光现象。
附图说明
图1为本发明实施例1的剖面示意图；
图2为本发明实施例2的剖面示意图；
图3为本发明实施例3的剖面示意图；
图4为本发明实施例4的剖面示意图；
图5为本发明实施例5的剖面示意图；
图2为本发明实施例2的剖面示意图；
图3为本发明实施例3的剖面示意图；
图4为本发明实施例4的剖面示意图；
图5为本发明实施例5的剖面示意图；
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的描述：
如图1所示，为本发明实施例1的剖面图，透镜1为一制作好的整体结构。其中，透镜1由若干部分组成，各部分之间采用超声波焊接、粘合剂粘结、卡口、螺纹结构中的一种或多种方式结合成一整体结构，并在其内部形成有空腔13和开孔12，光转换材料11通过开孔12填充在空腔13内。其中空腔13的截面可以为方形、圆环形或其他不规则形状；空腔13的内表面可以为光滑平整的表面，也可以为粗糙或高低不平的非光滑面或凹凸面。其中，如果透镜1各部分之间采用粘合剂粘合，则粘合剂可以采用环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、UV胶、热塑性材料或聚氨酯材料等材料中的任意一种。透镜1的制作材料则可以采用PC、PMMA、PS等塑料材料或玻璃材料。
在本实施例中，光转换材料11为黄色荧光粉和硅胶的混合物，可以根据不同的色温要求，来选用不同的荧光粉比例，例如黄色荧光粉和硅胶采用1∶10的质量比混合。光转换材料11通过透镜1的开孔12，填充到空腔13中后，再将透镜放1入烘箱中，采用110℃～150℃温度，最佳温度为120℃，连续烘烤1小时左右，将光转换材料2固化在空腔13内。本实施例中，透镜1中的光转换材料11为平面状分布，透镜1的外观和造型则可以根据实际的光学要求来进行设计和制作。
半导体芯片2为波长在460nm左右的发蓝色光的LED芯片，其固定在基座5的凹槽51内，其中凹槽51为圆台型结构，表面涂布有反光材料，比如进行镀银，能够有效增加半导体芯片2的出光率。透镜1固定于半导体芯片2的上方，并和半导体芯片2隔开，使透镜1中的光转换材料11不受半导体芯片2的高温影响。半导体芯片固定在透镜的上方，一般是指照明装置的出射光源朝上的情况。如果照明装置的出射光源朝下，则相反。在透镜1和LED芯片2之间填充有胶体4，如硅胶、环氧树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料或聚氨酯材料，其中胶体4的折射率在1.4～2.0之间。半导体芯片2的电极则通过导线3引出。当引出的电极施加电压时，半导体芯片2被驱动，并照射到透镜1中光转换材料11，使之激发并混合原来的蓝色光，产生类似日光的白光。
本发明由于采用了含有光转换材料11的透镜1，因此在制备过程中，就可以减少在半导体芯片2表面覆盖光转换材料的这一工序，使白光面光源的加工工艺更加简单，进一步缩短生产流程，提高生产效率，降低生产成本。
图2为本发明的另一实施例，其透镜1中的光转换材料11为曲面的圆环状分布。半导体芯片2为发紫外光的LED芯片，光转换材料11为RGB荧光粉和UV胶的混合物，其中UV胶也可以采用硅胶或环氧树脂等来替换。光转换材料11也可以为荧光粉一种，不需要其它的混合物。荧光粉和UV胶混合时，荧光粉和UV胶根据色温要求，按一定的比例进行混合后，如采用1∶10的质量比。荧光粉和UV胶的混合物在光强大约30mW/cm2，波长为365nm左右的UV光源照射下，通过数分钟后，使填充到空腔中的光转换材料11固化。此种快速固化荧光粉的方法，能够大幅度的提高固化过程中的生产效率；而且UV胶相对于硅树脂，其成本上也有很大的优势，因此能够有效的降低生产成本。
半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，使半导体芯片2产生的光源能够经反射后，将反射光线都投射到光转换材料11的面上，通过光转换材料11激发后产生面状的白光。在透镜1和半导体芯片2之间填充有胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料中的一种。由于半导体芯片2光源的波长能够很好的控制，再加上光转换材料11在透镜1的空腔13内有很好的均匀性和统一的形状。因此其产生的光源也具有良好的一致性，能大幅提高LED成品的良品率。
如图3所示，为本发明另一实施例的剖面示意图。光转换材料11通过透镜1的开孔12，填充到透镜1的空腔13中，其中开孔12、空腔13数量和位置可以根据实际的需要进行变换和调节。在基座5的凹槽51内，共晶或粘合有多颗半导体芯片2，采用并联和/或串联的结构连接。其中所用的半导体芯片2为波长范围在830nm～980nm的红外LED芯片，光转换材料11为红外荧光粉和UV胶的混合物，通过红外LED芯片发出的红外光照射光转换材料11，激发并和原来的光线混合，产生类似日光的白光。
其中，在透镜1和半导体芯片2之间填充有胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料中的一种。透镜1采用两侧凸起的结构，能够使多芯片照射光转换材料11后，激发产生柔和、均匀的面光源。
如图4所示，为本发明实施例4的剖面图。在透镜1内形成有一个空腔13和开孔12，其中空腔13和开孔12的数量可以根据实际的需求进行调节。光转换材料11通过开孔12填充到空腔13内，形成光转换材料层。半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，透镜1与半导体芯片2之间隔离有一定的距离，其间填充胶体4。由于半导体芯片2与透镜1的空腔13中的光转换材料11之间间隔较大距离，有效的解决了由于半导体芯片2发热对光转换材料11所造成的激发波长偏移、量子效率下降、老化等不良影响，大大提高白光器件的使用寿命。
如图5所示，为本发明实施例5的剖面图。透镜1内含有光转换材料11，透镜1的外观和造型则可以根据实际的光学要求来进行设计和制作，其材料则可以PC、PMMA、PS等塑料材料或玻璃材料制作，光转换材料11在透镜1的空腔13内形成由曲面和平面组成的不规则面。发光波长范围为200～380nm的紫外半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，透镜1固定在半导体芯片2上方，其间填充胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料等材料。半导体芯片2产生的光线照射到光转换材料11，通过光转换材料1 1激发后产生一面状柔和、均匀的白光面光源。
以上的实施例只是本发明的几个优选方案，但本发明不局限于以上方案，任何表面形式和结构的简单改动都在本发明专利的保护范围内。
如图1所示，为本发明实施例1的剖面图，透镜1为一制作好的整体结构。其中，透镜1由若干部分组成，各部分之间采用超声波焊接、粘合剂粘结、卡口、螺纹结构中的一种或多种方式结合成一整体结构，并在其内部形成有空腔13和开孔12，光转换材料11通过开孔12填充在空腔13内。其中空腔13的截面可以为方形、圆环形或其他不规则形状；空腔13的内表面可以为光滑平整的表面，也可以为粗糙或高低不平的非光滑面或凹凸面。其中，如果透镜1各部分之间采用粘合剂粘合，则粘合剂可以采用环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、UV胶、热塑性材料或聚氨酯材料等材料中的任意一种。透镜1的制作材料则可以采用PC、PMMA、PS等塑料材料或玻璃材料。
在本实施例中，光转换材料11为黄色荧光粉和硅胶的混合物，可以根据不同的色温要求，来选用不同的荧光粉比例，例如黄色荧光粉和硅胶采用1∶10的质量比混合。光转换材料11通过透镜1的开孔12，填充到空腔13中后，再将透镜放1入烘箱中，采用110℃～150℃温度，最佳温度为120℃，连续烘烤1小时左右，将光转换材料2固化在空腔13内。本实施例中，透镜1中的光转换材料11为平面状分布，透镜1的外观和造型则可以根据实际的光学要求来进行设计和制作。
半导体芯片2为波长在460nm左右的发蓝色光的LED芯片，其固定在基座5的凹槽51内，其中凹槽51为圆台型结构，表面涂布有反光材料，比如进行镀银，能够有效增加半导体芯片2的出光率。透镜1固定于半导体芯片2的上方，并和半导体芯片2隔开，使透镜1中的光转换材料11不受半导体芯片2的高温影响。半导体芯片固定在透镜的上方，一般是指照明装置的出射光源朝上的情况。如果照明装置的出射光源朝下，则相反。在透镜1和LED芯片2之间填充有胶体4，如硅胶、环氧树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料或聚氨酯材料，其中胶体4的折射率在1.4～2.0之间。半导体芯片2的电极则通过导线3引出。当引出的电极施加电压时，半导体芯片2被驱动，并照射到透镜1中光转换材料11，使之激发并混合原来的蓝色光，产生类似日光的白光。
本发明由于采用了含有光转换材料11的透镜1，因此在制备过程中，就可以减少在半导体芯片2表面覆盖光转换材料的这一工序，使白光面光源的加工工艺更加简单，进一步缩短生产流程，提高生产效率，降低生产成本。
图2为本发明的另一实施例，其透镜1中的光转换材料11为曲面的圆环状分布。半导体芯片2为发紫外光的LED芯片，光转换材料11为RGB荧光粉和UV胶的混合物，其中UV胶也可以采用硅胶或环氧树脂等来替换。光转换材料11也可以为荧光粉一种，不需要其它的混合物。荧光粉和UV胶混合时，荧光粉和UV胶根据色温要求，按一定的比例进行混合后，如采用1∶10的质量比。荧光粉和UV胶的混合物在光强大约30mW/cm2，波长为365nm左右的UV光源照射下，通过数分钟后，使填充到空腔中的光转换材料11固化。此种快速固化荧光粉的方法，能够大幅度的提高固化过程中的生产效率；而且UV胶相对于硅树脂，其成本上也有很大的优势，因此能够有效的降低生产成本。
半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，使半导体芯片2产生的光源能够经反射后，将反射光线都投射到光转换材料11的面上，通过光转换材料11激发后产生面状的白光。在透镜1和半导体芯片2之间填充有胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料中的一种。由于半导体芯片2光源的波长能够很好的控制，再加上光转换材料11在透镜1的空腔13内有很好的均匀性和统一的形状。因此其产生的光源也具有良好的一致性，能大幅提高LED成品的良品率。
如图3所示，为本发明另一实施例的剖面示意图。光转换材料11通过透镜1的开孔12，填充到透镜1的空腔13中，其中开孔12、空腔13数量和位置可以根据实际的需要进行变换和调节。在基座5的凹槽51内，共晶或粘合有多颗半导体芯片2，采用并联和/或串联的结构连接。其中所用的半导体芯片2为波长范围在830nm～980nm的红外LED芯片，光转换材料11为红外荧光粉和UV胶的混合物，通过红外LED芯片发出的红外光照射光转换材料11，激发并和原来的光线混合，产生类似日光的白光。
其中，在透镜1和半导体芯片2之间填充有胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料中的一种。透镜1采用两侧凸起的结构，能够使多芯片照射光转换材料11后，激发产生柔和、均匀的面光源。
如图4所示，为本发明实施例4的剖面图。在透镜1内形成有一个空腔13和开孔12，其中空腔13和开孔12的数量可以根据实际的需求进行调节。光转换材料11通过开孔12填充到空腔13内，形成光转换材料层。半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，透镜1与半导体芯片2之间隔离有一定的距离，其间填充胶体4。由于半导体芯片2与透镜1的空腔13中的光转换材料11之间间隔较大距离，有效的解决了由于半导体芯片2发热对光转换材料11所造成的激发波长偏移、量子效率下降、老化等不良影响，大大提高白光器件的使用寿命。
如图5所示，为本发明实施例5的剖面图。透镜1内含有光转换材料11，透镜1的外观和造型则可以根据实际的光学要求来进行设计和制作，其材料则可以PC、PMMA、PS等塑料材料或玻璃材料制作，光转换材料11在透镜1的空腔13内形成由曲面和平面组成的不规则面。发光波长范围为200～380nm的紫外半导体芯片2固定在基座5的凹槽51内，透镜1固定在半导体芯片2上方，其间填充胶体4，如环氧树脂、硅树脂、丙烯酸树脂、热塑性材料、聚氨酯材料等材料。半导体芯片2产生的光线照射到光转换材料11，通过光转换材料1 1激发后产生一面状柔和、均匀的白光面光源。
以上的实施例只是本发明的几个优选方案，但本发明不局限于以上方案，任何表面形式和结构的简单改动都在本发明专利的保护范围内。