薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器以及用于制造薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器以及用于制造薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
本申請(qǐng)是要求題為“Thin Film Wavelength Converters and Methods for Makingthe Same”的并且于2013年9月16日提交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)N0.14/027，507的權(quán)益的國(guó)際申請(qǐng)，其整體內(nèi)容被通過(guò)引用合并到此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本申請(qǐng)涉及薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，并且特別是，涉及用于生產(chǎn)薄膜波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]固態(tài)光源(諸如發(fā)光二極管(LED))在電磁譜的特定區(qū)域中生成可見(jiàn)光或不可見(jiàn)光。取決于LED的材料組分，LED可以輸出例如在電磁譜的藍(lán)色區(qū)域、紅色區(qū)域、綠色區(qū)域或(多個(gè))UV區(qū)域中的光。當(dāng)想要構(gòu)造產(chǎn)生具有與LED的輸出色彩的光不同的色彩的光的LED光源時(shí)，這是通過(guò)由發(fā)冷光的材料經(jīng)由光致發(fā)光的處理將來(lái)自LED源的所發(fā)射的輻射(“主級(jí)光”)下轉(zhuǎn)換為具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)的輻射(根據(jù)需要，“次級(jí)光”或“三級(jí)光”)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
[0004]光致發(fā)光一般牽涉:通過(guò)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料(“轉(zhuǎn)換材料”)(諸如磷或磷的混合物)吸收來(lái)更高能量輻射(光子)并且在更長(zhǎng)的波長(zhǎng)處發(fā)射輻射。該處理可以被提及為“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換”。與包括轉(zhuǎn)換材料(諸如磷)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)組合以產(chǎn)生次級(jí)光或三級(jí)光的LED可以被描述為“磷轉(zhuǎn)換LED”光源或“波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換LED”光源。
[0005]在已知的配置中，LED管芯(諸如II1-氮化物管芯)被定位在反射器罩杯封裝中。為了將來(lái)自LED的主級(jí)光部分地或完全地轉(zhuǎn)換為次級(jí)光，波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料必須被包括在光源的設(shè)計(jì)中。該材料可以是粉末或自身支承“板”(諸如陶瓷或單晶板)的形式。該板可以例如通過(guò)鍵合、燒結(jié)、膠合等而被直接附接到LED管芯。這樣的配置可以被理解為“芯片級(jí)轉(zhuǎn)換”或“CLCT’?！靶酒?jí)轉(zhuǎn)換”還包括轉(zhuǎn)換材料在LED芯片上的直接沉積或由分散在硅酮中的轉(zhuǎn)換材料的顆粒構(gòu)成的復(fù)合材料的沉積。替換地，所述板可以距LED遠(yuǎn)地被定位。這樣的配置可以被理解為“遠(yuǎn)距轉(zhuǎn)換”。
[0006]附加地，總是想要利用可以部分地或完全地把由LED發(fā)射的主級(jí)光轉(zhuǎn)換為次級(jí)光和/或三級(jí)光以產(chǎn)生具有想要的相關(guān)色溫的光的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料。特別是，在生產(chǎn)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)以制備“暖白色”光源(即，光源所生成的光是白色的并且具有大約2500K-3500K的范圍中的色溫)方面，興趣已經(jīng)增長(zhǎng)。雖然已經(jīng)使用包括分散在聚合物(例如硅酮)粘合劑中的一個(gè)或多個(gè)磷粉末的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)了暖白色LED燈，但這樣的轉(zhuǎn)換器具有很多缺點(diǎn)。例如，硅酮中的粉末化的磷可能對(duì)LED燈的熱管理強(qiáng)加限制，這可能負(fù)面地影響燈性能和壽命O
[0007]因此，本領(lǐng)域仍然有對(duì)于可以產(chǎn)生具有想要的光學(xué)特性的次級(jí)光和/或三級(jí)光并且可以避免硅酮轉(zhuǎn)換器中的粉末化的磷的一些或所有限制的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的需要。
【附圖說(shuō)明】
[0008]現(xiàn)在參照應(yīng)當(dāng)結(jié)合以下各圖閱讀的以下詳細(xì)描述:
圖1A和圖1B分別圖解根據(jù)本公開(kāi)的包括針對(duì)芯片級(jí)轉(zhuǎn)換或遠(yuǎn)距轉(zhuǎn)換而被定位的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的不例性光源。
[0009]圖2A-圖2D逐步圖解與本公開(kāi)一致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的示例性處理。
[0010]圖3是圖解與圖2D—致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的示例性操作的流程圖。
[0011]圖4A-圖4G逐步圖解與本公開(kāi)一致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的另一示例性處理。
[0012]圖5是圖解與圖4A-圖4G—致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的示例性操作的流程圖。
[0013]圖6A-圖6D逐步圖解與本公開(kāi)一致的用于形成另一完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的另一示例性處理。
[0014]圖7是圖解與圖6D—致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的示例性操作的流程圖。
[0015]圖8A-圖SG逐步圖解與本公開(kāi)一致的用于形成另一完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的另一示例性處理。
[0016]圖9是圖解與圖8A-圖SG—致的用于形成完全無(wú)機(jī)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的示例性操作的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]如在此使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“大約”和“實(shí)質(zhì)上”當(dāng)與數(shù)值或范圍有關(guān)地使用時(shí)意味著所引述的數(shù)值或范圍的+/_5%。
[0018]有時(shí)，可以使用數(shù)值范圍來(lái)描述本公開(kāi)的一個(gè)或多個(gè)方面。除非在此另外指示，否則任何所引述的范圍應(yīng)當(dāng)被解釋為包括所指示的各端點(diǎn)之間的任何迭代值，仿佛這樣的迭代值是被明確地引述的那樣。這樣的范圍還應(yīng)當(dāng)被解釋為包括落入在這樣的迭代值和/或所引述的端點(diǎn)內(nèi)或其之間的任何和所有范圍，仿佛這樣的范圍在此是被明確地引述的那樣。
[0019]為了本公開(kāi)的緣故，術(shù)語(yǔ)“主級(jí)光”提及由光源中的發(fā)光二極管所發(fā)射的光。
[0020]如在此所使用的那樣，術(shù)語(yǔ)“次級(jí)光”意味著通過(guò)由至少一個(gè)第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行的主級(jí)光的光致發(fā)光轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光。
[0021]術(shù)語(yǔ)“三級(jí)光”在此被使用以意味著通過(guò)由至少一個(gè)第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料進(jìn)行的主級(jí)光和/或次級(jí)光的光致發(fā)光轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的光。在一些實(shí)施例中，第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料處于第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的下游(例如，作為遠(yuǎn)離主級(jí)光的源的層的部分)。替換地或附加地，第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以被同質(zhì)地或異質(zhì)地與第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料混合(或另外分布于其內(nèi))，或者是它們的組合?？梢砸韵嗨频姆绞絹?lái)限定更高階轉(zhuǎn)換材料(諸如四級(jí)波長(zhǎng)材料)。次級(jí)波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料可以是兩個(gè)不同的紅色發(fā)射材料或紅色/橙色發(fā)射材料的組合。
[0022]術(shù)語(yǔ)“輸出光”在此被用于意味著從提及為光源的燈輸出的光(例如從遠(yuǎn)離波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器的區(qū)域中的燈發(fā)射的光)。輸出光可以包括主級(jí)光、次級(jí)光、三級(jí)光和它們的組合等。在未進(jìn)行限制的情況下，與本公開(kāi)一致的輸出光優(yōu)選地具有范圍從大約2000K到大約4500K(諸如大約3000K)的色溫。當(dāng)然，本公開(kāi)可以使用并且設(shè)想具有其它色溫的輸出光。
[0023]對(duì)磷、LED或轉(zhuǎn)換材料的色彩的提及一般提及其發(fā)射色彩，除非另外指定。因此，藍(lán)色LED發(fā)射藍(lán)色光，黃色磷發(fā)射黃色光，依此類(lèi)推。
[0024]本公開(kāi)的一個(gè)方面涉及用于固態(tài)光源的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器。一般地，本公開(kāi)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)第一轉(zhuǎn)換材料，用于把由固態(tài)光源發(fā)射的主級(jí)光轉(zhuǎn)換為次級(jí)光。此外，在此所描述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器包括至少一個(gè)第二轉(zhuǎn)換材料，用于把來(lái)自第一轉(zhuǎn)換材料的未轉(zhuǎn)換的主級(jí)光和/或次級(jí)光的至少一部分轉(zhuǎn)換為三級(jí)光。
[0025]如可以領(lǐng)會(huì)的那樣，由第二磷材料產(chǎn)生的三級(jí)光將(按定義)具有與由第一磷材料產(chǎn)生的次級(jí)光不同的譜特性。因此，可以通過(guò)控制第一磷和/或第二磷的類(lèi)型或特性以及相對(duì)濃度來(lái)調(diào)整來(lái)自燈的輸出光的色溫。例如，如果第一磷材料的特性保持恒定，則可以通過(guò)調(diào)整第二轉(zhuǎn)換材料的類(lèi)型、特性和/或濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)在來(lái)自燈的輸出光的相關(guān)色溫上的控制。雖然根據(jù)本公開(kāi)可以使用任何類(lèi)型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器，但是在非限限制性的優(yōu)選實(shí)施例中，在此所描述的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是包括轉(zhuǎn)換材料的一個(gè)或多個(gè)層(例如薄膜)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換板的形式。為了清楚的緣故，該類(lèi)型的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器在此被提及為“薄膜轉(zhuǎn)換器”。在一些實(shí)施例中，本公開(kāi)的波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器是包括至少一個(gè)第一波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的一個(gè)或多個(gè)層和至少一個(gè)第二波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換材料的一個(gè)或多個(gè)層的薄膜轉(zhuǎn)換器的形式。
[0026]現(xiàn)在參照?qǐng)D1A和圖1B，圖1A和圖1B圖示性地圖解根據(jù)本公開(kāi)的兩個(gè)示例性燈配置的結(jié)構(gòu)。在圖1A中，LED光源100包括LED 102，其出現(xiàn)在支承體101的上表面(未標(biāo)記)上。LED光源100進(jìn)一步包括波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換器103，其在此情況下部署在LED 102的發(fā)光表面(未標(biāo)記)上。為了簡(jiǎn)明并且易于理解的緣故，轉(zhuǎn)換器103在圖1A和圖1B中被圖解為單個(gè)結(jié)構(gòu)。然而，如然而稍后所討論的那樣，轉(zhuǎn)換器103包括各種材料的多個(gè)層(例如薄膜)，包括第一轉(zhuǎn)換材料的至少一個(gè)層、導(dǎo)電層以及第二轉(zhuǎn)換材料的至少一個(gè)層。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器103紙鄰LED 102的表面，所以圖1A中的LED光源100可以被理解為具有“芯片級(jí)轉(zhuǎn)換”(CLC)結(jié)構(gòu)。
[0027]如圖1A中進(jìn)一步圖解那樣，從LED 102發(fā)射的主級(jí)光104的至少一部分可以被入射在轉(zhuǎn)換器103上并且由轉(zhuǎn)換器103吸收。主級(jí)光104的吸收可以將轉(zhuǎn)換器103內(nèi)的第一轉(zhuǎn)換材料和/或第二轉(zhuǎn)換材料激勵(lì)到更高的能量狀態(tài)。當(dāng)這樣的轉(zhuǎn)換材料馳豫到更低的能量狀態(tài)時(shí)，它們可以發(fā)射次級(jí)光和/或三級(jí)光(未標(biāo)記)。遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)換器103(即其下游)的輸出光105可以是從LED光源100發(fā)射的，并且可以包括次級(jí)光和三級(jí)光的組合。如果轉(zhuǎn)換器103未轉(zhuǎn)換所有主級(jí)光104，則輸出光105可以還包括未轉(zhuǎn)換的主級(jí)光?？梢酝ㄟ^(guò)構(gòu)成轉(zhuǎn)換器103的轉(zhuǎn)換材料的有效轉(zhuǎn)換效率來(lái)確定輸出光105中的主級(jí)光、次級(jí)光和三級(jí)光的比率。
[0028]圖1B包括與圖1A相同的元件，并且因此將不重復(fù)這樣的元件的性質(zhì)和功能。然而，與圖1A不同，圖1B中的轉(zhuǎn)換器103被放置得遠(yuǎn)離LED 102的發(fā)光表面一定距離。因?yàn)檗D(zhuǎn)換器103 “遠(yuǎn)距”于LED 102，所以圖1B可以被理解為描繪具有“遠(yuǎn)距的磷”配置的LED光源。
[0029]為了清楚并且為了易于理解，圖1A和圖1B以簡(jiǎn)化的形式描繪LED光源100的結(jié)構(gòu)。應(yīng)當(dāng)理解的是，LED光源100可以包括可以被包括在燈中的任何數(shù)量的其它組件。這樣的組件可以包括例如驅(qū)動(dòng)電子器件、反射器、外殼、一個(gè)或多個(gè)熱沉、一個(gè)或多個(gè)漫射器和它們的組合等。
[0030]為了清楚的目的，LED102已經(jīng)在圖1A和圖1B中被圖解為單個(gè)結(jié)構(gòu)。雖然這種配置是有用的，但應(yīng)當(dāng)理解的是，LED 102可以包括可以被布置成圖案或陣列的多個(gè)LED。這樣的結(jié)構(gòu)在此被提及為“LED內(nèi)核”。LED內(nèi)核中的LED的數(shù)量和分布可以廣泛地變化。例如，在此所描述的LED內(nèi)核可以包括從大于I個(gè)到大約100個(gè)LED或更多。在一些實(shí)施例中，LED內(nèi)核包括從大約2個(gè)到大約75個(gè)LED、大約3個(gè)到大約50個(gè)LED、大約4個(gè)到大約30個(gè)LED、大約5個(gè)到大約25個(gè)LED、或者甚至大約10個(gè)到大約20個(gè)LED。當(dāng)然，具有任何數(shù)量的LED的LED內(nèi)核是由本公開(kāi)所設(shè)想到的，并且可以根據(jù)在此所描述的光源而被使用。
[0031]LED 1 2 (或?qū)?yīng)的LED內(nèi)核)可以是任何已知的LED，包括但不限制于II1-V氮化物L(fēng)ED(諸如InGaN LED)0LED 102是主級(jí)光的源。在一些實(shí)施例中，LED 102是包括一個(gè)或多個(gè)藍(lán)色LED(即發(fā)射(例如從大約450nm到大約500nm的)