[发明专利]包含波长转换材料的发光管芯及相关方法

说明书

相关申请

本申请要求享有2012年1月24日提交的美国临时专利申请No.61/589,908和2012年1月24日提交的美国临时专利申请No.61/589,909的优先权，这两篇文献的全部内容都以引用的方式包含于此。 

技术领域

在多个实施例中，本发明总地涉及光源，更特别地涉及磷光剂转换光源。 

背景技术

在照明装置中，相较于白炽灯泡和荧光灯泡，诸如发光二极管(LED)的光源因其具有较高的效率、较小的形状因素、较长的使用寿命和改善的机械强度而更有吸引力。然而，基于LED的照明系统的高成本限制了其广泛应用，特别是广阔的一般照明应用。 

基于LED的照明系统的高成本有多个原因。典型地，LED被封闭在封装体中，对每个照明系统使用多个封装的LED以获得期望的光强度。对于使用白光的一般照明，可以以多种方式产生这种白光。一种方法是使用两个或更多个工作在不同波长的LED，其中不同的波长组合成对人眼呈现白光。例如，可一起使用在红光、绿光和蓝光波长范围发射的LED。这种布置典型地需要仔细控制各个LED的工作电流，从而在不同时间和不同的工作条件(诸如温度)下，得到的波长组合是稳定的。由不同的材料形成不同的LED，例如，用于红光LED的AlInGaP和用于蓝光和绿光LED的AlInGaN。这些不同的材料具有不同的工作电流需求，和不同的光输出功率和波长对温度的依赖关系。此外，对各种类型的LED，光输出功率随时间的改变也是不同的。因而，这种系统典型地在每个LED中使用某种形式的电流主动控制，以维持每个LED的光输出功率处于期望的水平。在一些实施例中，可使用一个或多个传感器(例如，以感应光强、光色、 温度等)以向电流控制系统提供反馈，在其他实施方式中，可基于查询表中的值随时间调节电流。这种控制系统对于照明方案增加了成本和复杂度，并产生了其他故障点。多LED布置的另一个缺点是其典型地需要某种形式的光组合器、光扩散器或光混合室，从而眼睛才能观察到白光，而不是离散的各个不同LED的不同颜色。这种光混合系统典型地对于照明系统增加了成本和体积，且降低了效率。 

在基于LED的布置中，通过诸如磷光剂的光转换材料也能够得到用于一般照明的白光。LED一般发射相对较窄的波长范围，例如在约20-100nm的量级上。但需要更宽的光谱(例如，“白”光)或不同于该LED的颜色时，LED可与一种或多种光转换材料组合。通过组合来自半导体LED的短波长发射和来自磷光剂的长波长发射，与一种或多种磷光剂组合的LED典型地发出白光。这是因为LED光的一部分未转换地穿过磷光剂与磷光剂转换光相组合。磷光剂典型地由磷光颗粒组成，诸如嵌入在透明粘结剂中的Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺(铈激发钇铝石榴石，或YAG:Ce)，粘结剂诸如光学环氧树脂或硅树脂且作为层应用。然而，磷光剂集成通常是困难的，特别在生成的光的均匀性和可复制性方面。 

在一些磷光剂实施方式中，磷光剂层吸收入射的短波长辐射通量的一部分且再发射出长波长辐射通量。在示范性YAG:Ce磷光剂中，如图1的图所绘出的，蓝光LED典型地具有450nm-460nm的峰值波长，相应于磷光剂激发光谱的峰值，而磷光剂发射具有在560nm附近的峰值的宽带光谱。结合蓝光LED发射和黄色磷光发射生成了具有特定色品(颜色)的可见白光，该色品依赖于蓝光和红光的比率。这里，“白光”可为白色或通过结合来自一个或多个光发射器和一个或多个光转换材料的光而得到的任意其他颜色。 

磷光剂相对于LED的几何形状通常对光特性的均匀性有着非常重要的影响。例如，LED可从多于一个表面发射，例如，从LED的顶部或侧面，如果在这些LED表面上的磷光剂合成不够均匀，则会生成不均匀的颜色。可以使用更加复杂的结构以尝试缓解这一问题，但这些增加了成本和复杂度，且可能是可靠性问题的额外来源。 

此外，如果由粘结剂中非均匀分配的磷光剂形成的磷光剂层的厚度在LED的表面上并不均匀，则在注入磷光剂的粘结剂层较薄的地方会存在相对大量的蓝光，而在注入磷光剂的粘结剂较厚的地方会存在相对少量的蓝 光。鉴于以上内容，需要一种能够在LED中均匀且低成本地集成磷光剂的结构、系统和程序。 

发明内容