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TWI595803B - 白光照明系統 - Google Patents

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TWI595803B
TWI595803B TW101109704A TW101109704A TWI595803B TW I595803 B TWI595803 B TW I595803B TW 101109704 A TW101109704 A TW 101109704A TW 101109704 A TW101109704 A TW 101109704A TW I595803 B TWI595803 B TW I595803B
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辛嘉芬
郭信男
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億光電子工業股份有限公司
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Description

白光照明系統
本發明是有關於一種白光照明系統，且特別是有關於一種通過混合光而形成白光的白光照明系統。
白光發光二極體(light-emitting diode,LED)是發光二極體產業中被看好的新興產品，在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，白光發光二極體在照明市場的前景備受全球矚目。
所謂白光是多種顏色混合而成的光，以人類眼睛所能見的白光形式至少須兩種光混合，如兩種波長的光(藍色光和黃色光)或三種波長的光(藍色光、綠色光和紅色光)混合。目前白光發光二極體元件主要採用的混合方法是：將藍光發光二極體晶片和可被藍光有效激發的黃光螢光粉做結合。一部分藍光被螢光粉吸收，激發螢光粉發射黃光。發射的黃光和剩餘的藍光混合，接著調控它們的強度比即可得到各種色溫的白光。但這樣的混合方法因缺少紅色波段，故演色性(Colour Rendering Index,CRI)偏低，為了提高發光二極體的演色性，則會添加紅色螢光粉以提高可見光光譜的涵蓋範圍。然而由於螢光粉將第一種波長的光轉換為第二種波長的光時，光的能量會有所損失，故此做法將導致整個組件的發光效率降低。尤其是所需的色溫愈低，用到的紅色螢光粉則愈多，不僅光效損失嚴重，性價比(cost-performance ratio)也較差。
由於現今紅光晶片的製作工藝日趨成熟，紅光晶片的亮度愈來愈高，所以也有使用紅光晶片提供所需的紅光的情況。這樣的白光發光二極體元件與組合藍光晶片、紅色和黃色螢光粉的白光發光二極體元件相比，發光效率可以提高10%以上。在相關現有技術中，如美國專利第6513949號、第7126274號、第7215074號及第7005679號曾提及使用藍光晶片與紅光晶片，並搭配黃色螢光粉，如此照明系統中能獲得較佳的演色性。但是，由於紅光晶片對溫度的穩定性較差，在高溫下有熱衰減(Hot/Cold Factor)的問題。隨著工作溫度升高，紅光的衰減率大於藍光和黃光的衰減率，則整個發光二極體元件發出的光會呈現嚴重的色偏問題，而無法達到能源之星(Energy Star)與美國國家標準協會(American National Standards Institute,ANSI)中7階麥克亞當橢圓(7-step MacAdam Ellipse)的等級。
本發明提供一種白光照明系統，其具有較高的發光效率以及低的色偏差。
本發明之一實施例提出一種白光照明系統。白光照明系統包括一第一發光晶片、一第二發光晶片以及一波長轉換單元。第一發光晶片適於發出一第一光，而第一光包括一第一紅光。第二發光晶片適於發出一第二光，其中第二光之光波長不同於第一光之光波長。波長轉換單元配置在第一發光晶片與第二發光晶片之上，其中第二光照射至波長轉換單元時，第二光被轉換為一激發光束，而激發光束 包括一第二紅光。此外，激發光束、第一光以及第二光共同混色成具有實質上近似於3000K的色溫之白光。
在本發明之一實施例中，上述之第一發光晶片為一紅光晶片，第二發光晶片為多個藍光晶片。
在本發明之一實施例中，上述之波長轉換單元更包括第一波長轉換材料以及第二波長轉換材料。第一波長轉換材料將第二光轉換成第二紅光。第二波長轉換材料將第二光轉換成一第三光。
在本發明之一實施例中，上述之第三光為一黃光。
在本發明之一實施例中，上述之第一紅光之光譜的峰值波長不同於第二紅光之光譜的峰值波長。
在本發明之一實施例中，上述之第一紅光之光譜的峰值波長實質等同於第二紅光之光譜的峰值波長。
在本發明之一實施例中，白光照明系統在運作溫度為攝氏85度的狀態下，白光照明系統所發出的白光之色偏差維持在7階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)的範圍之內。
在本發明之一實施例中，上述之第一晶片的材料包括磷化鎵類化合物或砷化鎵類化合物。
在本發明之一實施例中，上述之第一波長轉換材料為氮化物或氮氧化物螢光粉。
本發明之一實施例提出一種白光照明系統。白光照明系統包括多個發光晶片以及一波長轉換單元。這些發光晶片適於發射兩種以上的光，其中這些光包括藍光和第一紅光。波長轉換單元包括一第一波長轉換材料以及一第二波 長轉換材料，其中藍光被第一波長轉換材料轉換成一第二紅光，第二紅光之光波長不同於第一紅光之光波長，而藍光被第二波長轉換材料轉換成黃光。這些光、黃光以及第二紅光共同混色成一白光，白光具有接近3000K的色溫，且白光照明系統在溫度攝氏85度所發出的白光之色偏差在7階麥克亞當橢圓(7-step MacAdam Ellipse)的範圍之內。
在本發明之一實施例中，上述之多個晶片包括一紅光晶片和多個藍光晶片。
基於上述，本發明之實施例之白光照明系統利用第一發光晶片所發出的第一紅光與波長轉換單元所轉換出的第二紅光來增加白光照明系統所提供的白光的演色性。其中，第一發光晶片可維持紅光的高發光效率，而波長轉換單元使紅光在高工作溫度下的色偏差減低。因此本發明之實施例的白光照明系統兼具高光效率與低色偏差。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1A為本發明一實施例之白光照明系統示意圖，圖1B則是沿著圖1A中I-I’連線之剖面示意圖，其中圖1A省略了波長轉換單元的部分。請同時參照圖1A及圖1B，本實施例之白光照明系統10包括一第一發光晶片12、一第二發光晶片13以及一波長轉換單元14(繪示在圖1B)。第一發光晶片12適於適於發出一第一光L1，而第一光L1 包括一第一紅光。第二發光晶片13適於發出一第二光L2，其中第二光L2之光波長不同於第一光L1之光波長。波長轉換單元14配置在第一發光晶片12與第二發光晶片13之上，其中第二光L2照射至波長轉換單元14時，第二光L2被轉換為一激發光束L3，而激發光束L3包括一第二紅光L3’。此外，激發光束L3、第一光L1以及第二光L2共同混色成具有實質近似於3000K的色溫之白光。
具體而言，本實施例之白光照明系統10更可包括一基座11，而第一發光晶片12及第二發光晶片13可利用熱電分離或熱電合一的技術配置在基座11上。在本實施例中，基座11上固定了八個發光晶片，其中包括了一個紅光晶片以及七個藍光晶片。進一步而言，第一發光晶片12可以是八個發光晶片中的一紅光晶片，第一發光晶片12可選擇性的固定在絕緣基座上(圖中未繪出)，以絕緣電性。第二發光晶片13可以是八個發光晶片中其餘的七個藍光晶片。
請繼續參照圖1A至圖1B中。在本實施例中，八個發光晶片的上方配置了波長轉換單元14，仔細而言，波長轉換單元14包括了第一波長轉換材料14a以及第二波長轉換材料14b。第一波長轉換材料14a可以是氮化物或氮氧化物的紅色螢光粉，而第二波長轉換材料14b可以是石榴石型的黃色螢光粉，例如為釔鋁石榴石螢光體的化合物，其中氮化物例如為CaAlSiN3，而氮氧化物例如為SrSi2O2N2。
在本實施例中，第二發光晶片13(例如藍光晶片)所 發出的第二光L2(例如藍光)照射至第一波長轉換材料14a(例如紅色螢光粉)時，第一波長轉換材料14a受激發而產生第二紅光L3’。另一方面，第二發光晶片13(例如藍光晶片)所發出的第二光L2(例如藍光)照射至第二波長轉換材料14b(例如黃色螢光粉)時，第二波長轉換材料14b受激發而產生第三光L3”，其例如為黃光。如此一來，第一光L1(第一紅光)、第二光L2(藍光)、第二紅光L3’以及第三光L3”(黃光)便能混色成白色光，使整個白光照明系統10在工作時發出色溫為3000K左右的白光。然而本發明不限於此，在其他的實施例中，也可以使用其他顏色的第二發光晶片13，例如綠色、黃色或是琥珀色的發光晶片。如此再搭配第一發光晶片12(紅光晶片)和紅色螢光粉，亦或者是其他顏色的螢光粉，得以產生白光或白光以外的其他顏色的光。另外，在一實施例之白光照明系統中，除了添加黃色及紅色螢光粉之外，亦可功能性地再添加綠色螢光粉，以達到不同的發光照明效果。
在本實施例中，第一波長轉換材料14a受激發而產生的第二紅光L3’之光譜的峰值波長不同於第一發光晶片12所發出的第一紅光之光譜的峰值波長，如此補償了白光照明系統10的紅色光譜，然而在其他的實施例中，這兩者實質上是可以相同的。
請參照圖1A，舉例而言，本實施例之第一發光晶片可以是磷化鎵型或砷化鎵型的紅光發光二極體，其發射光之波長範圍介於600nm至700nm，而本實施例之第二發光 晶片可以是氮化銦鎵或氮化鎵型的藍光發光二極體晶片，其發射光之波長範圍介於405nm至470nm。此外，本實施例之波長轉換單元14為螢光粉(phosphor)，然而在其他的實施例中，波長轉換單元14也可以是其他的形式，如參有螢光粉的陶瓷板。
在一實施例中，螢光粉直接覆蓋於第二發光晶片13(藍光晶片)與第一發光晶片12(紅光晶片)時形成共型結構(conformal structure)在晶片上方，而在其他的實施例中，螢光粉亦可與第二發光藍光晶片與紅光晶片保持一段距離。此外，螢光粉的塗布方式可為噴塗、點膠、電泳或是鑄模(molding)。
以下列舉幾個實驗結果來驗證本發明的效果。
在此提供相對於圖1A實施例之白光照明系統10的兩個對照例，對照例一以及對照例二。對照例一的結構和白光照明系統10相同，但八個發光晶片中有四個紅光晶片，另四個為藍光晶片，此外八個發光晶上方設有適量的黃色螢光粉，使整個照明系統在工作時發出色溫為3000K左右的白光。對照例二的結構也和白光照明系統10相同，但八個發光晶片均為藍光晶片，藍光晶片上方設有適量的黃色和紅色螢光粉，使整個發光裝置在工作時發出色溫為3000K左右的白光。
接著請參照圖2，圖2為圖1實施例之白光照明系統和對照例一在較高工作溫度下的色偏移在CIE色度坐標系中的對比圖。如圖2所示，折線21、22分別表示白光照明 系統10和對照例一從25℃升溫至85℃時發出的白光在CIE(Commission International de l'Eclairage)色度圖下的色偏量。根據美國能源之星(Energy Star)標準，白光照明系統10的白光之色偏量需維持在圖2中較大的橢圓環內，亦即達到能源之星(Energy Star)與美國國家標準協會(American National Standards Institute,ANSI)中7階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)的等級。更佳狀態是白光照明系統10的白光之色偏量維持在較小的橢圓環內，亦即達到能源之星(Energy Star)與美國國家標準協會(American National Standards Institute,ANSI)中的4階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)的等級。實際上，人眼無法感知在4階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)內的色偏量，且人眼也不容易分辨在較大的7階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)內的色偏量。
如圖2所示，對照例一在攝氏85度(85℃)時的白光之色偏量遠遠超出了較大的橢圓環，而圖1實施例的白光照明系統10在85℃的白光之色偏量可以維持在較大的橢圓環內，人眼一般不會有感受到色偏感。
對於有四個紅光晶片的對照例一而言，由於紅光晶片對溫度的穩定性較差，在高溫工作時發生的熱衰減比藍光晶片嚴重，因此高溫下的紅光晶片和藍光晶片之發光強度的變化量不一致，從而造成整個白光照明系統發生色偏移。圖1A實施例的白光照明系統10中配置有第一發光晶片(紅光晶片)12，而紅光晶片的數量並不限定於圖1A 所示的數量。在一實施例中，是使用一個紅光晶片，其餘所需紅光由紅色螢光粉提供。由於紅色螢光粉的熱衰減較不明顯，故整個白光照明系統10的色偏移遠遠小於只用紅光晶片提供紅光的對照例一。
圖3顯示圖1實施例之白光照明系統和對照例二在不同電流下工作的發光效率曲線。請參照圖3，曲線31、32分別為白光照明系統10和對照例二在順向電流為200mA~400mA下的發光效率曲線。可觀察到電流在200mA~400mA的範圍內，圖1A實施例之白光照明系統10的發光效率均高於對照例二。對於只用紅色螢光粉提供紅光的對照例二，由於紅色螢光粉發光效率較低，故整個發光裝置的發光效率不高。圖1A實施例之白光照明系統10配置有第一發光晶片12(紅光晶片)，而紅光晶片的數量並不限定於圖示的數量。在一實施例中，是使用一個紅光晶片12，如此取代了部分紅色螢光粉的功能並提供白光照明系統10所需的一部分紅光。由於紅光晶片的發光效率較高，因此白光照明系統10的整體發光效率高於對照例二。
圖4為圖1實施例之白光照明系統和對照例二的激發光譜。請參照圖4，白光照明系統10的激發光譜42是由七個第二發光晶片13(藍光晶片)和一個第一發光晶片12(紅光晶片)分別提供第二光L2(藍光)和第一紅光來激發第二波長轉換材料(黃色螢光粉)與第一波長轉換材料(紅色螢光粉)所形成。對照例二的激發光譜41是由八顆 藍光晶片激發黃色螢光粉與紅色螢光粉所形成。圖4顯示出激發光譜42與激發光譜41在光譜上的涵蓋範圍相似。
以下內容將舉出上述圖1實施例之白光照明系統之實驗的數據。需注意的是，下述之表一中所列的數據資料並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者在參照本發明之後，當可對其參數或設定作適當的更動，惟其仍應屬於本發明之範疇內。
如表1所示，白光照明系統10相較於對照例二更可獲得較佳的發光效率。
圖5為本發明的另一實施例之白光照明系統示意圖。關於波長轉換單元的示意圖，可參考如圖1B所示的情形。請參照圖5，本實施例之白光照明系統50為使用多個但體積較小的第二發光晶片53，而第二發光晶片例如是藍光晶片。發光晶片的數量並不限定於本實施方式中，而在一實 施方式中為使用具有十五個發光晶片的白光照明系統50。在本實施例中，白光照明系統50的基座51上搭載了一個第一發光晶片52(例如紅光晶片)和十四個第二發光晶片53(藍光晶片)。這些發光晶片上方設有適量的第二波長轉換材料(圖中未繪出)和第一波長轉換材料(圖中未繪出)，其中第二波長轉換材料為黃色螢光粉，第一波長轉換材料為紅色螢光粉。如此一來，白光照明系統50在工作時發出白光，而且是色溫為3000K左右的白光，因此白光照明系統50具有較佳的色均勻性以及散熱效果。由於白光照明系統50和圖1A實施例之白光照明系統10間的差別主要是發光晶片的數量，所以白光照明系統50的詳細描述可參照圖1A實施例，故在此不再贅述。
圖6(A)、圖6(B)以及圖7為本發明之三個實施例之白光照明系統的電路示意圖。請先參照圖6(A)，本實施例之白光照明系統61具有八個發光晶片，其中包括七個第二發光晶片63(藍光晶片)以及一個第一發光晶片62(紅光晶片)，這八個發光晶片彼此以串聯的方式電性連接，使得白光照明系統61在工作時仍能發出色溫為3000K左右的白光。
接著，請參照圖6(B)，本實施例之白光照明系統65可包括多個但體積較小的第二發光晶片64(藍光晶片)，或者是使用體積相同的多個第二發光晶片64(藍光晶片)，然後搭配一個第一發光晶片62(紅光晶片)。具體而言，本實施例之白光照明系統65包括兩組並聯的第二發 光晶片(藍光晶片)串65a，第二發光晶片(藍光晶片)串包含七個彼此串聯的藍光晶片，而兩組第二發光晶片(藍光晶片)串65a並聯後再與第一發光晶片62(紅光晶片)串聯，使得白光照明系統65在工作時仍能發出色溫為3000K左右的白光。
然後請參照圖7，本實施例之白光照明系統71具有八個發光晶片，其中包括七個第二發光晶片73(藍光晶片)和以及一個第一發光晶片72(紅光晶片)。這八個發光晶片彼此以串聯的方式電性連接，其中紅光晶片與藍光晶片的排列方式以及晶片的數量並不限於圖示的實施例，但較佳的實施方式為第二發光晶片73(藍光晶片)包圍第一發光晶片72(紅光晶片)，以獲得較佳的色均勻性。本實施例之白光照明系統71可包含散熱模組(圖中未繪出)，如此可避免系統因高溫而造成藍光晶片與紅光晶片亮度衰減不一致，進而導致色偏移的現象。
在本實施例中，白光照明系統71還可包含驅動電路或驅動器(圖中未繪出)，例如可變電阻、電容或是脈衝寬度調變系統(Pulse Width Modulation system,PWM system)，以用於調控藍光晶片與紅光晶片於高溫下色偏移的現象，或是調控藍光晶片與紅光晶片於白光照明系統71中的發光比例，使白光色溫能維持在3000K左右。此外，白光照明系統71可使用於不同種的照明裝置中，例如燈泡球、燈管或車頭燈等照明裝置。
綜上所述，本發明一實施例之白光照明系統利用第一 發光晶片(例如紅光晶片)和第二發光晶片(例如藍光晶片)並搭配波長轉換單元以產生白光。其中，第一發光晶片和第二發光晶片維持白光照明系統的高發光效率，而波長轉換單元使白光照明系統在高工作溫度下的色偏差減低。進一步來說，本發明一實施例之白光照明系統所需的紅光中，一部分由紅光晶片提供，進而保證了較高的發光效率。另一部分的紅光由紅色螢光粉提供，使得隨工作溫度升高產生的色偏差減少。藉由紅光晶片和紅色螢光粉二者的優點，本發明一實施例之白光照明系統達到較高的發光效率和較低的色偏差。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10、50、61、65、71‧‧‧白光照明系統
11‧‧‧基座
12、52、62、72‧‧‧第一發光晶片
13、53、63、64、73‧‧‧第二發光晶片
14‧‧‧波長轉換單元
14a‧‧‧第一波長轉換材料
14b‧‧‧第二波長轉換材料
65a‧‧‧第二發光晶片串
L1‧‧‧第一光
L2‧‧‧第二光
L3‧‧‧激發光束
L3’‧‧‧第二紅光
L3”‧‧‧第三光(黃光)
圖1A為本發明一實施例之白光照明系統示意圖。
圖1B則是沿著圖1A中I-I’連線之剖面示意圖。
圖2為圖1實施例之白光照明系統和對照例一在較高工作溫度下的色偏移在CIE色度坐標系中的對比圖。
圖3顯示圖1實施例之白光照明系統和對照例二在不同電流下工作的發光效率曲線。
圖4為圖1實施例之白光照明系統和對照例二的激發光譜。
圖5為本發明的另一實施例之白光照明系統示意圖。
圖6(A)、圖6(B)以及圖7為本發明之三個實施例之白光照明系統的電路示意圖。
10‧‧‧白光照明系統
11‧‧‧基座
12‧‧‧第一發光晶片
13‧‧‧第二發光晶片

Claims (12)

  1. 一種白光照明系統，包括：一第一發光晶片，適於發出一第一光，該第一光包括一第一紅光；一第二發光晶片，適於發出一第二光，其中該第二光之光波長不同於該第一光之光波長；以及一波長轉換單元，配置在第一發光晶片與第二發光晶片之上，其中第二光照射至波長轉換單元時，第二光被轉換為一激發光束，該激發光束包括一第二紅光而且該激發光束、第一光以及第二光共同混色成一白光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該第一發光晶片為一紅光晶片，該第二發光晶片為多個藍光晶片。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該波長轉換單元更包括：第一波長轉換材料，以將該第二光轉換成該第二紅光；以及第二波長轉換材料，以將該第二光轉換成一第三光。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之白光照明系統，其中該第三光為一黃光。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該第一紅光之光譜的峰值波長不同於該第二紅光之光譜的峰值波長。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該第一紅光之光譜的峰值波長實質等同於該第二紅光之光譜的峰值波長。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，在運作溫度為攝氏85度的狀態下，該白光照明系統所發出的該白光之色偏差維持在7階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)的範圍之內。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該第一晶片的材料包括磷化鎵類化合物或砷化鎵類化合物，且該第一波長轉換材料為氮化物或氮氧化物螢光粉。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之白光照明系統，其中該白光具有實質近似於3000K的色溫。
  10. 一種白光照明系統，包括：多個發光晶片，適於發射藍光和第一紅光；以及一波長轉換單元，包括一第一波長轉換材料以及一第二波長轉換材料，其中該藍光被該第一波長轉換材料轉換成一第二紅光，該第二紅光之光波長不同於該第一紅光之光波長，而該藍光被該第二波長轉換材料轉換成黃光，該些光、該黃光以及該第二紅光共同混色成一白光，且該白光照明系統在溫度攝氏85度所發出該的白光之色偏差在7階麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)範圍之內。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之白光照明系統，其中該些晶片包括一紅光晶片和多個藍光晶片。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之白光照明系統，其 中該白光具有實質近似於3000K的色溫。
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