[发明专利]波长转换系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种波长转换系统，尤其涉及一种可随激发波长改变而产生 相应的波长频谱以维持发射光于稳定色温的波长转换系统。

背景技术

发光二极管(Light-Emitting Diode；LED)因其高能源效率在世界节能 潮流下应用日广，已导入至户外照明、交通工具、乃至家庭照明的各式装置 中，如：路灯(Street Light)、红绿灯(Traffic Light)、户外显示器(Outdoor Display)、车前灯(Headlamp)、车尾灯(Tail Light)、第三煞车灯(Center High Mounted Stop Lamps；CHMSL)、装饰灯(Decoration Light)等。

发光二极管芯片(chip)的一种基本结构主要为p-n结(p-njunction)， p型半导体材料中的空穴与n型半导体材料中的电子在偏压下结合后发出光 线。结构中发出光线的区域有时被称为有源层(Active Layer)或发光层 (Light-Emitting Layer)。发光层产生的波长取决于基本结构使用的材料。红 光系可以由采用磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)、铝砷化镓(AlGaAs)、 或磷化铝镓铟(AlGaInP)等主材料的结构获得。绿光系可以由采用磷化镓 (GaP)与硒化锌镉(ZnCdSe)等主材料的结构获得。蓝光系可以由采用碳 化硅(SiC)与氮化硅(GaN)等主要材料的结构获得。不同材料通常生长 在不同的基板上，如：磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、碳化硅(SiC)、与 蓝宝石(Sapphire)等。

目前市场上常见的发光二极管芯片，除白光外，可以发射涵盖几乎所有 可视波长范围(400nm～750nm)内的各色光以及紫外光(Ultraviolet；UV)。 有数种用以产生白光的方法，如：混合分别来自于红蓝绿色芯片的红蓝绿三 色光、使用紫外光激发荧光粉、使用蓝光激发荧光粉、使用半导体波长转换 材料(亦称为光循环半导体LED(Photo-recycling Semiconductor LED；PRS LED))、及使用染料(Dye)等。其中又以使用蓝光芯片激发钇铝石榴石 (Yttrium aluminium garnet；YAG)荧光体以互补色(Complementary Color) 产生白光为最普遍的商业方法。例如，使用460nm蓝光芯片激发YAG:Ce 荧光体产生570nm左右的黄光，通过控制荧光体浓度与厚度调整蓝光与黄光 的比例，可以产生多种色温的白光。

荧光体(Phosphor)吸收短波长光以发射长波长光，亦即吸收高能量光 线而发射低能量光线。荧光体具有激发频段(Excitation Band)与发射频段 (Emission Band)，激发频段的主要波长分布短于发射频段的主要波长分布， 但此二频段亦可能有部分区域相互重叠。吸收频段与发射频段的峰值差称为 史托克位移(Stokes Shift)。落入激发频段内的任一波长皆可以使荧光体辐 射出大致上相同的发射频谱，然而，荧光体对于不同的吸收波长其激发效率 通常并不相同，视荧光体的成分而定。

另一方面，一片晶片(Wafer)上为数众多的芯片所呈现出的波长分布 并不均匀，其跨距可能达10～20nm或更大。因此，若以单一种配方的荧光 体搭配所有芯片，不论是直接覆盖于芯片之上，亦或与芯片一同封装，成品 产出的白光色温范围变异明显，影响应用产品品质表现的一致性。

如图1A所示，LED光源12发出特定波长的蓝光11与13，其中蓝光 13激发荧光粉14产生黄光15，蓝光11与黄光15混合形成白光17。但是， 当LED光源12产生的蓝光波长改变，但仍落于荧光粉14的激发频段内将 使得黄光15呈现的频谱维持不变。因此，由于蓝光波长的差异，使得混成 的白光17波长频谱亦发生改变。

此外，如图1B所示的CIE色度图(Chromaticity Diagram)，460nm蓝 光与固定条件下激发YAG荧光体产生的571nm黄光混合的白光其色温位于 6000K左右，但若蓝光波长上下偏移至470nm或450nm，由于被激发的黄光 波长持稳，混合出的白光色温亦随蓝光波长的变化上下移动至10000K与 5000K，此种幅度的变化通常不容许于一般的应用。因此，芯片必须经过分 类(Sorting)与筛选(Binning)后方可适用于特定条件或特性的荧光体以产 生具有稳定色温的色光。