用于形成熒光粉轉(zhuǎn)換型發(fā)光裝置中的薄膜熒光粉層的系統(tǒng)和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于形成黃光粉轉(zhuǎn)換型發(fā)光裝置中的薄膜黃光粉層的系統(tǒng)和 方法
[0001 ] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年11月13日、中國(guó)申請(qǐng)?zhí)枮?00980154186.3、發(fā)明名稱(chēng)為 "用于形成巧光粉轉(zhuǎn)換型發(fā)光裝置中的薄膜巧光粉層的系統(tǒng)和方法"的發(fā)明申請(qǐng)的分案申 請(qǐng)。
[0002] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0003] 本申請(qǐng)要求于2008年11月13日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)No.61/114,198的權(quán)益，其所 公開(kāi)的內(nèi)容在此W引用方式全部并入本文。 發(fā)明領(lǐng)域
[0004] 本發(fā)明一般設(shè)及發(fā)光裝置，并且更具體地說(shuō)，設(shè)及用于形成靠近半導(dǎo)體發(fā)光裝置 的薄膜巧光粉層的薄膜巧光粉沉積方法。
【背景技術(shù)】
[0005] 固態(tài)光穿過(guò)發(fā)光二極管（簡(jiǎn)稱(chēng)SSレLED)設(shè)及產(chǎn)生用于照明的白光的固態(tài)、無(wú)機(jī)半 導(dǎo)體發(fā)光二極管的使用。如同取代測(cè)算用真空管的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體晶體管，SSL-L邸是有可能取 代用于傳統(tǒng)白識(shí)燈或巧光燈的真空管或充氣管的突破性技術(shù)。戰(zhàn)L-L抓相比于常規(guī)光源的 優(yōu)點(diǎn)包括：（1)效率更高和聯(lián)合節(jié)能；（2)顏色呈現(xiàn)更好；（3)形狀因子小；（4)堅(jiān)固性；（5)使 用壽命更長(zhǎng)和維修費(fèi)用低；（6)環(huán)境友好;和(7)制造費(fèi)用低。
[0006] 傳統(tǒng)Lm)通常產(chǎn)生具有狹窄發(fā)射光譜的單色光，并且因此通常缺乏用于提供照明 用白色光的寬發(fā)射光譜。為了從Lm)中產(chǎn)生白光，由Lm)中的福射復(fù)合導(dǎo)致的窄帶發(fā)射轉(zhuǎn)換 成寬帶白光光譜。運(yùn)樣的寬帶白光光譜能夠通過(guò)Ξ種常用的方法產(chǎn)生。第一種方法是波長(zhǎng) 轉(zhuǎn)換方法，通過(guò)使用紫外線（"UV")L邸刺激在下轉(zhuǎn)換波長(zhǎng)發(fā)出可見(jiàn)光的多色巧光。第二種方 法通過(guò)聯(lián)合多個(gè)Lm)的混合顏色方法，其中每一個(gè)Lm)產(chǎn)生不同顏色的光。第Ξ種方法使用 上述兩種方法的混合。目前商用白色L抓的產(chǎn)生主要是基于運(yùn)種混合方法。特別地，從藍(lán)色 的InGaN型L抓發(fā)出的初級(jí)光與從淺黃色的YAG:Ce3+型無(wú)機(jī)巧光粉發(fā)出的下轉(zhuǎn)換二級(jí)光混 合。部分傳輸?shù)乃{(lán)光和重新發(fā)出的黃光的結(jié)合顯示出冷淡(綠藍(lán)色）白光的外觀。因此，白色 L邸的巧光粉涂敷技術(shù)設(shè)及使用長(zhǎng)波轉(zhuǎn)換方法或混合方法。
[0007] 下面描述的是目前的巧光粉涂敷方法。第一種方法如圖1A所述，是一種包括使用 混合于聚合物系統(tǒng)(例如聚丙締、聚碳酸醋、環(huán)氧樹(shù)脂、娃酬樹(shù)脂）中的巧光粉粒子和顆粒1 的料漿法。將混合的巧光粉料漿分配在Lm)忍片2上或者分布在Lm)忍片2的周?chē)又稍?或固化液體聚合物系統(tǒng)。L抓忍片2與巧光粉料漿一起可W沉積在反射杯3內(nèi)，如圖1A所示。 雖然料漿方法是一種方便的巧光粉分配方法，但是用此料漿方法生產(chǎn)的Lm)的所得顏色均 勻性通常不令人滿意，并且可W從不同視角觀察到色環(huán)。運(yùn)些缺陷的結(jié)果是：（1)L邸忍片周 圍的含巧光粉材料的厚度的變化可W導(dǎo)致在發(fā)出的光逃逸封裝之前光程的長(zhǎng)度變化；和 (2)在含巧光粉材料內(nèi)不均勻的巧光粉分配（由于重力和浮力效應(yīng))在液體聚合物固化過(guò)程 中傾向于向下移動(dòng)較大的巧光粉顆粒。此外，由于分配在Lm)忍片周?chē)那晒夥勰?shù)量的變 化，所W白色坐標(biāo)會(huì)因設(shè)備的不同而不同。反過(guò)來(lái)，運(yùn)種顏色的變化導(dǎo)致復(fù)合白色Lm)的分 選過(guò)程，所謂顏色分級(jí)就是試圖根據(jù)其白色坐標(biāo)通過(guò)分選每個(gè)裝置來(lái)管理顏色變化。
[000引為了測(cè)量發(fā)出的光的均勻性，可W使用相關(guān)色溫（Correlated Color Temperature)("CCr)的變化。發(fā)光裝置的色溫可W通過(guò)與理論的黑體熱福射器比較它的 色調(diào)來(lái)確定。黑體散熱器匹配發(fā)光裝置色調(diào)時(shí)的溫度度開(kāi)爾文表示）就是該裝置的色 溫。白識(shí)燈光源可W接近于一個(gè)黑體福射器，但是許多其他的發(fā)光裝置并不W黑體曲線的 形式發(fā)出福射，并且因此指派CCT。發(fā)光裝置的CCT是最接近匹配設(shè)備的感知顏色的黑體散 熱器的色溫。開(kāi)爾文等級(jí)越高，光越"冷"或越藍(lán)。開(kāi)爾文等級(jí)越低，光越"熱"或越黃。通過(guò)在 不同光發(fā)射角度測(cè)量CCT并且比較不同發(fā)光裝置的運(yùn)種變化，可W量化所產(chǎn)生的光的均勻 性。通過(guò)料漿法分配有黃色巧光粉的藍(lán)色L抓忍片的典型CCT在與L抓中央發(fā)光軸的光發(fā)射 角度為± 70°時(shí)，可W從約5，800K到約7，200K變化，橫跨約1400K的范圍。由于色環(huán)的出現(xiàn)， 在或者接近中屯、軸的CCT通常要比周邊的高，在周邊發(fā)出的光較黃。
[0009] 用于制造巧光粉轉(zhuǎn)換型（phosphor-converted)白色L邸的第二種巧光粉涂敷法是 電脈沉積法ΓΕΡ護(hù)）法，如圖1B所示。在EPD的情況，通過(guò)向液體溶劑中添加適量的電解質(zhì)W 形成懸浮液而使巧光粉帶電，然后被電場(chǎng)偏置。然后，將表面帶電的巧光粉顆粒移動(dòng)到極性 相反的電極并且在電極上涂敷。巧光粉顆粒的Era產(chǎn)生厚度相對(duì)均勻的巧光粉層4,該巧光 粉層能夠產(chǎn)生均勻性更高W及色環(huán)減少的白光。雖然實(shí)現(xiàn)了更好的顏色均勻性，但是Era法 通常不能直接將巧光粉沉積在非導(dǎo)電性表面。在商業(yè)化生產(chǎn)中，根據(jù)所謂的近端巧光粉配 置，將巧光粉層通常直接涂敷在Lm)忍片5之上。運(yùn)種配置在光散射方面是低效的，運(yùn)是因?yàn)?近端巧光粉層能將約60%的總白光發(fā)射引導(dǎo)回到Lm)忍片5,從而在L邸忍片5上可發(fā)生高損 失。邸的去的另一缺點(diǎn)是某些巧光粉容易被溶劑降解，因而限制了 Era法的一般適用性。
[0010] 最近，如圖2所示，另一種方法設(shè)及通過(guò)高壓加熱巧光粉顆粒直到巧光粉顆粒表面 變軟并烙化而形成發(fā)光陶瓷板6。部分烙融的顆粒能夠粘在一起形成包括堅(jiān)硬的顆粒聚集 物的陶瓷板6。將發(fā)光陶瓷板6布置在由Lm)忍片7發(fā)出的光程上，其中Lm)忍片7布置在一組 電極8之上。雖然在堅(jiān)固性、降低溫度敏感性W及減少顏色在忍片之間的顏色變化等方面提 供好處，但是由于近端巧光粉配置導(dǎo)致封裝效率不理想。
[0011] 商用白色LED的散射效率(有時(shí)也稱(chēng)為封裝效率)通常在40 %到60 %之間，由于通 過(guò)諸如Lm)忍片、引線框架或基臺(tái)等內(nèi)部封裝元件的光吸收具有效率損失。圖3描述了由藍(lán) 色LED 32供W動(dòng)力的具有黃色巧光粉的巧光粉轉(zhuǎn)換型白色Lm)的例子，其中初級(jí)藍(lán)光34經(jīng) 過(guò)與二級(jí)黃色光31混合W形成白色，主要的光源損失由L邸忍片32吸收光引起的。因?yàn)?，LED 忍片32通常由高折射率材料制成，由于全內(nèi)反射（"TIR")光子往往被捕獲在Lm)忍片32內(nèi)， 一旦光子撞擊并且進(jìn)入L邸忍片32。另一潛在的光源損失由L邸封裝內(nèi)鏡面反射器33的不完 善引起的。
[0012] 圖3所描述的幾個(gè)場(chǎng)景能夠?qū)⒐鈱?dǎo)入高吸收性Lm)忍片32。第一，由Lm)忍片32發(fā)出 的初級(jí)光36可W通過(guò)巧光粉末31或鏡面反射器33反射回忍片32。第二，由巧光粉31發(fā)出的 下轉(zhuǎn)換二級(jí)光37能夠向后散射回忍片32。第Ξ，初級(jí)光和二級(jí)光38由于在空氣-L抓封裝界 面的TIR都能夠向著忍片32反射回。為了提高光從封裝逃逸的可能性，可W使用半球透鏡39 減少在空氣-封裝界面的TIR情況。為了減少向后散射的光透過(guò)L邸忍片32,巧光粉末31直接 置于忍片表面是不可取的，而是應(yīng)該放置到離Lm)忍片32有一定距離的位置。此外，更薄的 巧光粉層通過(guò)巧光粉末31將減少二級(jí)光向后散射的情況。
[0013]正是在運(yùn)種背景下，出現(xiàn)了研發(fā)本文所述的薄膜巧光粉沉積方法W及相關(guān)的裝置 和系統(tǒng)的需求。
[0014] 概述
[0015] 本發(fā)明的某些實(shí)施方案設(shè)及厚度大體均勻且能夠共形地布置在L邸的光程中的薄 膜巧光粉層的形成，因而產(chǎn)生具有微弱色環(huán)或者沒(méi)有色環(huán)的大體均勻的白光。運(yùn)種薄膜巧 光粉層可W通過(guò)改進(jìn)的沉積方法來(lái)制備，包括：（1)形成大體均勻地沉積在基片表面上的巧 光粉層;和(2)形成聚合物粘合劑層W填充松散堆積的巧光粉顆粒之間的縫隙，因而形成大 體連續(xù)的薄膜巧光粉層。薄膜巧光粉層的巧光粉轉(zhuǎn)換效率可W顯著提高，因?yàn)榭蒞在光程 上設(shè)置更薄層的精確控制量的巧光粉末，因而減少光散射損失。另外，由于巧光粉顆粒的大 體均勻沉積，可W顯著改善薄膜巧光粉層的顏色均勻性。形成均勻的薄膜巧光粉層的一種 方法是在巧光粉顆粒沉積期間在巧光粉顆粒中引入靜電荷。巧光粉顆粒中的靜電荷可W自 我平衡并調(diào)整其分布，因而促進(jìn)巧光粉顆粒大體均勻的分布。形成均勻的薄膜巧光粉層的 另一種方法是通過(guò)巧光粉分配機(jī)構(gòu)，諸如沉積室中的噴頭機(jī)構(gòu)，或者通過(guò)旋轉(zhuǎn)基片支承機(jī) 構(gòu)，諸如支承基片的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)。除了提高效率和顏色的均勻性外，可W顯著提高薄膜巧光粉 層的溫度穩(wěn)定性，因?yàn)樵跍囟雀哌_(dá)至少約30(TC或更高時(shí)，聚合物粘合劑層可W是熱穩(wěn)定 的。
[0016] 有利地，通過(guò)經(jīng)由巧光粉末輸送機(jī)構(gòu)，使用精確控制量的沉積巧光粉顆粒的涂敷 過(guò)程，可W使白色的一致性保持在緊密的顏色坐標(biāo)中?？蒞用多色巧光粉的逐層相繼沉積 來(lái)精確協(xié)調(diào)白色擅染，諸如沉積紅色巧光粉層，沉積綠色巧光粉層，W及然后沉積藍(lán)色巧光 粉層?？蒞在所生成的復(fù)合多色巧光粉膜疊層中精確控制多色巧光粉的比率。運(yùn)樣，可W精 確地控制色坐標(biāo)和用巧光粉薄膜方法制成的白光L邸的CCT。反過(guò)來(lái)，運(yùn)可顯著簡(jiǎn)化(或者甚 至省略)分級(jí)過(guò)程。
[0017] 根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方案，一致的白色坐標(biāo)可W通過(guò)調(diào)整多色巧光粉膜疊層的 劑量從輕微變化的藍(lán)色Lm)忍片實(shí)現(xiàn)。運(yùn)種顏色互補(bǔ)方法可W使用巧光粉含量的不同組成 或量彌補(bǔ)藍(lán)光L邸忍片的顏色變化。W運(yùn)種方式，對(duì)于色彩敏感應(yīng)用（如用白光Lm)的顯示器 背光），可顯著提高白光L邸的產(chǎn)量。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，薄膜巧光粉涂敷方法是分批巧光粉涂敷方法，在一個(gè)涂 敷操作中，多個(gè)LED忍片可W沉積有薄膜巧光粉。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，在一個(gè)涂 敷操作中，多個(gè)Lm)透鏡可W沉積有薄膜巧光粉。類(lèi)似于半導(dǎo)體忍片制造，通過(guò)分批方法，每 個(gè)L邸忍片的制造成本可W大大減少，而制造產(chǎn)量可W大大增加。
[0019] 與EDP相比，薄膜巧光粉層的沉積可W用于直接在非導(dǎo)電表面上形成共形薄膜巧 光粉層。共形薄膜巧光粉也可W沉積在非平坦表面上，諸如L邸透鏡的凸或凹表面上。
[0020] 本發(fā)明的一些實(shí)施方案設(shè)及用于在基片上沉積共形薄膜巧光粉層的系統(tǒng)。所述系 統(tǒng)可W包括沉積室、巧光粉末輸送子系統(tǒng)W及被構(gòu)造成輸送氣相單體到沉積室的聚合物前 體輸送子系統(tǒng)。所述系統(tǒng)也可W包括存儲(chǔ)器和與沉積室、巧光粉末輸送子系統(tǒng)W及聚合物 前體輸送子系統(tǒng)電相通的處理器，其中所述存儲(chǔ)器可W包括存儲(chǔ)于其中的代碼或指令，該 代碼或指令可通過(guò)處理器執(zhí)行W形成薄膜巧光粉層。
[0021] 本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施方案設(shè)及一種形成用于發(fā)光裝置的薄膜巧光粉層的方法。 所述方法包括：（1)使用運(yùn)載氣體將巧光粉末從巧光粉末源輸送到沉積室;和(2)在沉積室 內(nèi)將巧光粉末沉積在靠近基片處W便使巧