發(fā)光裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)光裝置，包括：一光源本體、一導(dǎo)線架、一LED晶粒、一齊納二極管、一混體、一三維膠體光子晶體薄膜。導(dǎo)線架置于光源本體底部、LED晶粒置于導(dǎo)線架上方、混體置于光源本體內(nèi)部、三維膠體光子晶體薄膜置于光源本體的表面、至少一導(dǎo)線與LED晶粒及齊納二極管作電性連接。
【專利說(shuō)明】發(fā)光裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是有關(guān)于一個(gè)可調(diào)變色溫及演色性發(fā)光裝置結(jié)構(gòu)，特別針對(duì)于在光源本體 上涂布三維膠體光子晶體薄膜形成一可調(diào)變色溫及演色性發(fā)光裝置結(jié)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 全球LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展以白光LED應(yīng)用于照明市場(chǎng)為發(fā)展主軸，白光LED能讓光源 壽命較傳統(tǒng)發(fā)光元件提高10倍以上，另外在發(fā)光效率方面也更為提升，而白光LED更可以 解決廢棄燈管所含汞的環(huán)保問(wèn)題，尤其在環(huán)保光源日益受到重視后，白光LED已經(jīng)成為開 發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。
[0003] 目前白光LED發(fā)光效率較傳統(tǒng)白熾燈泡高出一倍以上，在臺(tái)灣地區(qū)，假設(shè)白熾燈 泡及日光燈完全被白光LED取代，每年可省下超過(guò)100億度電力，大約是1座核能發(fā)電 廠的年發(fā)電量。照明使用的白光LED，其演色性必須高于80,目前采用的方法為藍(lán)光LED 晶粒所發(fā)射藍(lán)光與綠色(氮氧化物，如：Srl_xSi202N2:Eu2+)、黃色（yttrium aluminum garnet，YAG)和紅色(氮化物，如：Sr2Si5N8:Eu2+)熒光粉的激發(fā)光組合而成的白光，并依 據(jù)不同顏色熒光粉的混合比例濃度來(lái)達(dá)到不同的色溫和演色性；或是利用紅、綠、藍(lán)三種發(fā) 光二極管調(diào)整其個(gè)別亮度來(lái)達(dá)到白光效果。
[0004] -般發(fā)光二極管主要包括一基底、一發(fā)光層以及至少一個(gè)電極，其中發(fā)光層由P 型半導(dǎo)體、主動(dòng)層以及N型半導(dǎo)體依序堆棧而成。當(dāng)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體之間因電位 不同而形成一電位差時(shí)，N型半導(dǎo)體中的電子與P型半導(dǎo)體中的電洞則會(huì)在主動(dòng)層結(jié)合而 發(fā)出光線。
[0005] 發(fā)光二極管的發(fā)光效率主要取決于主動(dòng)層的量子效率（光生電子-空穴對(duì) 數(shù)/入射光子數(shù)，即發(fā)光元件對(duì)光敏感性的精確測(cè)量），以及發(fā)光二極管的光引出效率 (extraction efficiency)。其中，量子效率的提升主要取決于主動(dòng)層的半導(dǎo)體材料質(zhì)量及 其結(jié)構(gòu)的組合，而光引出效率的提升則取決于從主動(dòng)層發(fā)出的光線的有效利用率。
[0006] 在LED照明設(shè)備中，一項(xiàng)重要的參數(shù)就是色溫，這關(guān)系到LED燈光照明產(chǎn)品所顯 示的顏色特性，一般的燈具也都有色溫的規(guī)格。色溫高低計(jì)量單位是以凱氏刻度（Kelvin Scale)K為單位，在不同色溫下使人對(duì)光有不同的感受，色溫大致可分為三個(gè)區(qū)塊，暖白光 屬低色溫，范圍在3400K以下，光色偏紅使人有溫暖的感覺(jué)，當(dāng)采用低色溫光源照射紅色物 品時(shí)，能使其表現(xiàn)更鮮艷；中色溫范圍在3400-6000K，由于光線柔和，使人有愉快、舒適及 安詳?shù)母惺埽砸卜Q為中性色溫；冷白光屬高色溫，范圍則超過(guò)6000K，光色偏藍(lán)，光源接 近自然光，有明亮的感覺(jué)，使人精神集中及不容易睡著。
[0007] 降低色溫的目的為使光線由戶外高明亮度轉(zhuǎn)換成室內(nèi)溫和舒適感。依目前技術(shù)， 得到暖白光LED的色溫的方法包括提高熒光粉濃度，如冷白光LED降為暖白光LED，則必需 將綠色熒光粉提高為原來(lái)的一點(diǎn)五倍和紅色熒光粉提高為原來(lái)的三倍以上，才能達(dá)到降低 色溫的要求，但此等方法不僅會(huì)增加成本，且會(huì)使白光發(fā)光效率大大降低；另若使用色溫轉(zhuǎn) 換濾光片（Conversion ColorTemperature Filter),其色溫轉(zhuǎn)換濾光片亦會(huì)使白光發(fā)光效 率大大降低。因此，如何有效任意降低光線的色溫，且不必依靠提高熒光粉濃度，且仍可維 持1?發(fā)光效率為本發(fā)明探討的重點(diǎn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 為解決先前技術(shù)中所提及，以提高熒光粉濃度降低色溫的方式，不但使成本增加， 且會(huì)使白光發(fā)光效率降低的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種發(fā)光裝置。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0010] 一種發(fā)光裝置，包括：一光源本體、一導(dǎo)線架、一 LED晶粒、一齊納二極管、一三維 膠體光子晶體薄膜與一混體，其相對(duì)位置為將導(dǎo)線架置于光源本體底部、LED晶粒置于導(dǎo)線 架上方、光源本體內(nèi)部填充混體、三維膠體光子晶體薄膜置于光源本體的表面，至少一導(dǎo)線 與LED晶粒及齊納二極管作電性連接。
[0011] 導(dǎo)線架的材質(zhì)為銅合金、科瓦（Kovar)合金或鐵鎳合金。三維膠體光子晶體薄膜 涂布于光源本體的表面的方式為噴墨式、噴灑式、噴嘴式、刮刀式、旋轉(zhuǎn)式或狹縫式。粒子堆 棧于光源本體的堆棧結(jié)構(gòu)為體心立方式、面心立方式和簡(jiǎn)單立方式的晶體結(jié)構(gòu)，并且粒子 與粒子間的排列為四角和六角的松散式或緊密式晶格結(jié)構(gòu)。三維膠體光子晶體薄膜的粒子 大小為100?800奈米（nm)，膜厚為1?500微米（μ m)，其材質(zhì)可選自于有機(jī)高分子、無(wú)機(jī) 高分子、有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、金屬或其組合，其中有機(jī)高分子如聚苯乙烯系列、聚甲基 丙烯酸甲酯系列、聚馬來(lái)酸系列、聚乳酸系列、聚胺基酸系列的高分子或其組合，無(wú)機(jī)化合 物如 Ag20、CuO、ZnO、CdO、NiO、PdO、C〇0、MgO、Si02、Sn0 2、Ti02、Zr02、Hf02、Th02、Ce0 2、C〇02、 Mn02、Ir02、V02、W03、M〇0 3、A1203、Y203、Yb 203、Dy203、B20 3、Cr203、Fe203、Fe 304、V205、Nb20 5、ZnS、 ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdTe、FeS、FeSe、FeTe、CoS、CoSe、CoTe、NiS、NiSe、NiTe、PbS、PbSe、 PbTe、MnS、MnSe、MnTe、SnS、SnSe、SnTe、MoS2、MoSe2、MoTe 2、WS2、WSe2、WTe2、Cu2S、Cu 2Se、 Cu2Te、Bi2S3、Bi2Se3、Bi 2Te3、SiC、TiC、ZrC、WC、NbC、TaC、Mo2C、BN、AIN、TiN、ZrN、VN、NbN、 TaN、Si3N4、Zr3N4 或其組合，金屬如 Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、Al、Si、Ti、Zr、V、Nb、Mo、 W、Mn或其組合。
[0012] 混體包括一熒光粉與一光學(xué)膠，熒光粉可為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色或紅色或其組 合，其材質(zhì)是選自于有機(jī)熒光粉、熒光顏料、無(wú)機(jī)熒光粉、放射性元素或其組合，光學(xué)膠的材 質(zhì)可選自于有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)高分子、有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、金屬化合物或其組合。
[0013] 發(fā)光裝置的電流值操作范圍為0. 1毫安（mA)?10安培（A)。其中，導(dǎo)線架更可包 括至少一導(dǎo)線，至少一導(dǎo)線為金線、銅線或銀線，至少一導(dǎo)線與LED晶粒及齊納二極管作電 性連接。
[0014] 本發(fā)明以制作特定三維膠體光子晶體薄膜的粒子后，將粒子涂布于光源本體的表 面上形成薄膜，其中經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得到三維膠體光子晶體薄膜可成功降低白光的色溫， 并且只降低些許白光發(fā)光效率，而粒子堆積排列方式也是影響調(diào)整暖白光色溫和演色性的 重點(diǎn)參數(shù)。
[0015] 本發(fā)明的三維膠體光子晶體薄膜的粒子間的空隙與粒子間的相對(duì)位置具有高度 的可微調(diào)性，藉此能微調(diào)整三維光子晶體薄膜的等效折射率、粒子間堆積的緊密度與粒子 排列方式，利用光線在粒子與空氣的折射率差異，決定可通過(guò)三維膠體光子晶體薄膜光線 的波段，藉此改變白光色溫和演色性，且仍可維持高發(fā)光效率，在調(diào)整白光色溫和演色性技 術(shù)屬一大突破。因此，由三維膠體光子晶體薄膜的可調(diào)變色溫和演色性的特性，即可有效降 低光線的色溫，并維持高發(fā)光效率及高演色性，且因?yàn)椴恍杼岣邿晒夥蹪舛?，更可有效減少 成本支出。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1繪示本發(fā)明的發(fā)光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017] 圖2(a)與圖2(b)是由場(chǎng)效發(fā)射式電子顯微鏡觀測(cè)，顯示三維膠體光子晶體薄膜 的粒子的分布型態(tài)圖。
[0018] 圖2(c)是三維膠體光子晶體粒子排列緊密型態(tài)圖。
[0019] 圖2(d)是三維膠體光子晶體粒子排列松散型態(tài)圖。
[0020] 圖3為冷白光經(jīng)三維膠體光子晶體粒子（粒徑230nm，膜厚20 μ m)、冷白光與暖白 光的波長(zhǎng)與相對(duì)強(qiáng)度的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0021] 以下將配合圖式，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，本發(fā)明發(fā)光裝置包括一 光源本體105、一導(dǎo)線架101、至少一導(dǎo)線103、一 LED晶粒102、一三維膠體光子晶體薄膜 107、一齊納二極管106與一混體104,其相對(duì)位置為將導(dǎo)線架101置于光源本體105底部、 LED晶粒102置于導(dǎo)線架101上方、光源本體105內(nèi)部填充混體104、三維膠體光子晶體薄 膜107涂布于光源本體105的表面、導(dǎo)線架101包括至少一導(dǎo)線103與LED晶粒102及齊 納二極管106作電性連接。
[0022] 導(dǎo)線架101的制作材料需要考慮其導(dǎo)電性、熱傳導(dǎo)性、機(jī)械強(qiáng)度、焊接性與抗腐 蝕性，常使用的材質(zhì)為銅合金、42合金（鎳：42%，鐵：58%)、科瓦合金（鎳：29%，鈷：17%， 鐵：54%)與鐵鎳合金（鐵：42%，鎳：58%)。
[0023] 在導(dǎo)線103材料選擇當(dāng)中，可為金、銀或銅。金、銀與銅為導(dǎo)電速率最快的前三名， 金的穩(wěn)定性最好導(dǎo)電速率也最快，但其成本較為高，銅的單價(jià)最便宜，其耐離子遷移率性質(zhì) 佳。
[0024] LED晶粒102制程步驟可分為上游、中游及下游，上游包括形成基板（藍(lán)寶石，陶 瓷，金屬）一單晶棒（GaN，GaAs，GaP)-單芯片一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一磊芯片，中游包括金屬蒸鍍一 光照蝕刻一熱處理一切割，下游封裝則包括覆晶式（Flip-chip)、芯片黏著式（SMD, surface mount device)與芯片封裝式（COB, chip on board) 〇
[0025] LED晶粒102形式可為傳統(tǒng)藍(lán)寶石基板（Sapphire-based) LED、覆晶式 (Flip-chip) LED 和垂直式（Vertical) LED。
[0026] 三維膠體光子晶體薄膜107涂布于光源本體105方式包括噴墨式（ink-jet)、噴灑 式（spray)、噴嘴式（nozzle)、刮刀式（blade)、旋轉(zhuǎn)式（spin)或狹縫式（slit)。噴墨式、 噴灑式與噴嘴式的工作原理是利用計(jì)算機(jī)程序控制步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)噴嘴前后左右移動(dòng)，從噴 墨頭中噴出的墨水依序噴布于元件上，完成著色的工作；刮刀式系將涂布著料儲(chǔ)存于墨斗 內(nèi)，由滾墨輪滾動(dòng)涂布將著料帶出，經(jīng)由刮刀控制厚度，將著料涂布至元件上；旋轉(zhuǎn)式多應(yīng) 用于光電與半導(dǎo)體制程，以旋轉(zhuǎn)涂布方式將液體滴至芯片中央；狹縫式為利用一模具擠出 一液膜，涂布于移動(dòng)的基材上。
[0027] 三維膠體光子晶體薄膜107的粒子堆棧結(jié)構(gòu)為體心立方式（Body-Centered Cubic Crystal Structure)、面心立方式（Face-Centered Cubic Crystal Structure)和簡(jiǎn)單 立方式（Simple cubic lattice)的晶體結(jié)構(gòu)，并且粒子與粒子間的排列為四角和六角 的松散式（non-close-packed crystal structure)或緊密式(close-packed crystal structure)晶格結(jié)構(gòu)。每一個(gè)體心立方單位里含有2個(gè)粒子，有8個(gè)角落粒子，角落每一個(gè) 粒子系八分之一個(gè)粒子，在中心的單一粒子，則全部包含于此單位中，體心立方式的粒子堆 積密度為68% ;每一面心立方式單位共有4個(gè)粒子，內(nèi)含有8個(gè)角落粒子和6個(gè)面心粒子， 面心粒子為二分之一個(gè)粒子，加總共有4個(gè)完整粒子被分配于一單位，其粒子堆積密度為 74% ;簡(jiǎn)單立方在每個(gè)單位內(nèi)含有8個(gè)角落粒子，共有1個(gè)完整粒子被分配于一單位，粒子堆 積密度為52%。
[0028] 混體104包括一熒光粉與一光學(xué)膠，熒光粉材料由主晶體、助活化劑(敏感劑)與活 化劑組成。熒光粉為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、紅色或其組合，如黃橙色和紅黃色的氮化物熒 光粉。當(dāng)熒光物質(zhì)接受光能量后，其外層電子受激發(fā)至高能階的激發(fā)狀態(tài)后，回到原有的低 能階狀態(tài)時(shí)，能階差的能量以光的形式發(fā)射出來(lái)。
[0029] 光學(xué)膠保護(hù)LED晶粒102避免電氣和環(huán)境損害，混體104必須把光源本體105區(qū) 域內(nèi)全部灌滿，若有空氣間隙（air cap)，則會(huì)有思乃爾效應(yīng)（snell loss)而大大降低出光 量。傳統(tǒng)上，光學(xué)膠多由環(huán)氧樹脂（epoxy)和有機(jī)高分子所制成，如今LED照明市場(chǎng)朝向更 高功率且高亮度的發(fā)展，無(wú)機(jī)硅封膠（silicon)則愈來(lái)愈廣為使用，硅封膠不僅可耐高溫程 度承受較環(huán)氧樹脂為高，和更好的透光率。
[0030] 圖2 (a)與圖2 (b)是由場(chǎng)效發(fā)射式電子顯微鏡（Field-emission scanning electron microscope, FESEM)所拍攝，由圖2 (a)可見三維膠體光子晶體粒子呈現(xiàn) 粒徑均一分布于190奈米（nm)，圖2(b)則分布在230奈米（nm)，因此其粒徑分布系 數(shù)（Polydispersity index, PDI)范圍皆在0. 001?0. 1。圖2 (c)為三維膠體光子 晶體粒子排列緊密式（close-packed)，圖2(d)為三維膠體光子晶體粒子排列松散式 (non-close-packed)〇
[0031] 圖3則顯示出冷白光經(jīng)三維膠體光子晶體粒子（粒徑230nm，膜厚20 μ m)，由藍(lán) 光（455nm)和綠光（520?550nm)波段被三維膠體光子晶體薄膜107轉(zhuǎn)換提升成紅光 (600nm)，且其波長(zhǎng)-相對(duì)強(qiáng)度的波形近似于一般暖白光。
[0032] 由表1可見，白光經(jīng)三維膠體光子晶體薄膜107 (粒徑：230nm)后，利用積分球量 測(cè)其色溫由5153K降至3324K，且本發(fā)明技術(shù)的暖白光發(fā)光效率比一般暖白光發(fā)光效率高 約11%，CIE色坐標(biāo)也落于普朗克軌跡（Planckian locus)上。此外，光源讓人眼正確地辨 別色彩種類的程度，稱之為演色性指數(shù)（color rendering index, CRI)，而本發(fā)明演色性除 了高于一般暖白光外，且其CRI高于80可成為一照明光源。
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種發(fā)光裝置，其特征在于包括： 一光源本體； 一導(dǎo)線架，置于光源本體底部； 一 LED晶粒，置于導(dǎo)線架上方； 一混體，置于光源本體內(nèi)部；以及 一三維膠體光子晶體薄膜，置于光源本體的表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于LED晶粒為藍(lán)色LED、紅色LED、綠色LED 或紫外光LED。
3. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于LED晶粒形式為傳統(tǒng)藍(lán)寶石基板LED、覆 晶式LED和垂直式LED。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于三維膠體光子晶體薄膜的涂布方式為噴 墨式、噴灑式、噴嘴式、刮刀式、旋轉(zhuǎn)式或狹縫式，涂布于光源本體的表面。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于三維膠體光子晶體薄膜的粒子堆棧結(jié)構(gòu) 方式為體心立方式、面心立方式、簡(jiǎn)單立方式的晶體結(jié)構(gòu)，而粒子與粒子間的排列可為四角 或六角的緊密式和松散式晶格結(jié)構(gòu)，且堆棧于光源本體的表面。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于三維膠體光子晶體薄膜的粒子平均粒徑 為100?800奈米。
7. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于三維膠體光子晶體薄膜的厚度為1? 500微米。
8. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于三維膠體光子晶體薄膜的粒子的材質(zhì)可 選自于有機(jī)高分子、無(wú)機(jī)高分子、有機(jī)化合物、無(wú)機(jī)化合物、金屬或其組合。
9. 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其特征在于有機(jī)高分子為聚苯乙烯系列、聚甲基丙 烯酸甲酯系列、聚馬來(lái)酸系列、聚乳酸系列、聚胺基酸系列的高分子或其組合。
10. 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其特征在于無(wú)機(jī)化合物為Ag20、CuO、ZnO、CdO、NiO、 PdO、CoO、MgO、Si02、Sn02、Ti02、Zr0 2、Hf02、Th02、Ce02、C〇02、Mn0 2、Ir02、V02、W03、M〇03、A1 203、 Y203、Yb203、Dy20 3、B203、Cr203、Fe 203、Fe304、V20 5、Nb205、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、(MTe、FeS、 FeSe、FeTe、CoS、CoSe、CoTe、NiS、NiSe、NiTe、PbS、PbSe、PbTe、MnS、MnSe、MnTe、SnS、SnSe、 SnTe、MoS2、MoSe2、MoTe2、WS2、WSe 2、WTe2、Cu2S、Cu2Se、Cu2Te、Bi 2S3、Bi2Se3、Bi2Te 3、SiC、TiC、 ZrC、WC、NbC、TaC、Mo2C、BN、AIN、TiN、ZrN、VN、NbN、TaN、Si3N 4、Zr3N4 或其組合。
11. 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光裝置，其特征在于金屬為Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Pd、Pt、 Al、Si、Ti、Zr、V、Nb、Mo、W、Mn 或其組合。
12. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于發(fā)光裝置的電流值操作范圍為0. 1毫 安?10安培。
13. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于導(dǎo)線架的材質(zhì)為銅合金、科瓦合金或鐵 鎳合金。
14. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于導(dǎo)線架包括至少一導(dǎo)線，導(dǎo)線與LED晶 粒及一齊納二極管作電性連接。
15. 如權(quán)利要求14所述的發(fā)光裝置，其特征在于導(dǎo)線為金線、銅線或銀線。
16. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光裝置，其特征在于混體包括一突光粉與一光學(xué)膠。
17. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)光裝置，其特征在于熒光粉為黃色、藍(lán)色、綠色、橙色、紅色 或其組合。
18. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)光裝置，其特征在于突光粉的材質(zhì)是選自于有機(jī)突光粉、 熒光顏料、無(wú)機(jī)熒光粉、放射性元素或其組合。
19. 如權(quán)利要求16所述的發(fā)光裝置，其特征在于光學(xué)膠的材質(zhì)是選自于有機(jī)高分子、 無(wú)機(jī)高分子、有機(jī)聚合物、無(wú)機(jī)聚合物、金屬化合物或其組合。
【文檔編號(hào)】H01L33/50GK104103744SQ201410130805
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月8日
【發(fā)明者】賴俊峰, 張忠杰 申請(qǐng)人:逢甲大學(xué)