[发明专利]具有组合的远置光致发光转换层的LED白光源

说明书

本发明涉及电气电子设备，尤其是涉及基于半导体发光二极管(LED)的光源，具体涉及基于采用光致发光荧光粉转换的发光二极管(LED)的白光源。

固态照明技术正开始占领白光照明市场，这得益于高效LED开发的最新进展，尤其是氮化物(InGaN)及业内所有已知的白光源可实现最高的照明效率。LED解决方案在照明设备中得到广泛应用，例如线性照明装置和街道照明装置，其照明装置相对较大，高热的LED灯可分散分布，实现高效散热。鉴于LED替代灯在解决节能问题上的广阔前景，开发具有小形状因子和高光通量的LED替代灯来取代标准白炽灯和卤素灯是目前最关键的科学技术课题之一。然而，由于此类灯具安装控制电子器件(驱动器)的空间有限且用于LED散热的表面面积相对较小，这导致LED解决方案大大受到制约。通常，白光LED包括一个涂覆有YAG:Ce荧光粉的蓝光LED。大功率(1瓦以上)蓝光LED效率约为30-45％，每瓦输入功率中约有550-700毫瓦用于元件加热。此外，业内认为白光LED内的荧光粉将蓝光转换成黄光时，约有20％的入射光能消耗在荧光粉加热上。技术参数表明温度在25-125℃时蓝光LED的辐射功率损耗约为7％，而同一温度下白光LED的功率损耗约为20％。因此，大功率白光LED对热量和光通量有诸多限制。

本发明旨在提供具有小形状因子的LED灯来取代标准灯，其中，已知技术解决方案的难题已经攻克。

对于取代标准白光灯的任何一种LED灯，其结构均基于LED芯片。将LED芯片发出的辐射光和不同的光色(例如蓝光、绿光和红光或者蓝光和橙色光等等)混合可以得到白光。

然而，近年来具有光致发光荧光粉转换层的LED白光源已经成为最广泛的光源，荧光粉转换层发出黄光或者橙色(红色)光，同时吸收LED芯片的蓝光或紫外线。图1中的示意图阐述了这类白光源的工作原理。

此装置包括一个LED芯片和光致发光荧光粉转换介质，LED芯片发出波长相对较短的初级辐射光，此介质受上述波长相对较短的初级辐射光照射，经特定的波长相对较短的辐射光照射之后，此介质受到激发并发出波长相对较长的二级辐射光。在具体的实施例中，将LED芯片放置于聚合物基体内的有机荧光粉和/或无机荧光粉(光致发光荧光粉)中，可将LED芯片发出的单色蓝光或紫外线转换为白光。

图2显示了一种已知的具有光致发光荧光粉转换的LED白光源，详见美国第US 6351069号专利。

白光源110包括一个氮化物LED芯片112，受到激发时，芯片发出初级辐射蓝光。LED芯片112置于反光杯114的导电支架上，与导体116和118电连接。导体116和118为LED芯片112提供电力LED芯片112上覆盖有透明树脂层120，树脂层内含转换材料122，转换材料可转换LED辐射光的波长。可根据转换材料122产生的二级辐射光所需的光谱分布选择用以形成树脂层120的转换材料类型。LED芯片112和荧光层120由一片透镜124罩住。透镜124通常由透明环氧树脂或硅胶制成。使用白光源时，向LED芯片112施加电压，其中，该芯片上表面发出初级辐射光。LED芯片发出的初级辐射光部分被树脂层120内的转换材料122吸收。之后，转换材料122在吸收初级辐射光后作出响应，发出二级辐射光，即具有更长峰值波长的转换光。剩余的未吸收的初级辐射光与二级辐射光混合，从转换层透射而出。透镜124将未吸收的初级辐射光与二级辐射光引导向按箭头126指示的大体方向，即为LED出射光。因此，LED出射光是一种复合光，由LED芯片112发出的初级辐射光和转换层120发出的二级辐射光组成。也可以对转换材料进行配置，因此可以实现只有一小部分初级辐射光或全部初级辐射光留在装置内，例如发出初级紫外光的LED芯片与发出二级可见光的一种或多种转换材料结合时即是如此。

前文提及的本领域中已知的装置(其中，在LED表面形成一层光致发光荧光粉层)存在几个不足。因为根据辐射光透射光致发光荧光粉层的传播角的不同，光程长显著变化，所以光致发光荧光粉与LED表面直接机械、光学和热接触时很难实现颜色均匀度。此外，高热LED的高温会改变光致发光荧光粉的色坐标，也可能导致荧光粉劣化。

为了消除上述缺点，我们提出在远离LED的位置设置一个波长转换层的白光源，其工作原理如图3所示。

根据此原理制成的照明装置以及例如在美国第6600175(B1)号专利中描述的照明装置，如图4所示。