面光源紫外线发光二极管灯及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201710739946.3 | 申请日 | 2015-09-11 | 公开(公告)号 | CN107606583B | 公开(公告)日 | 2019-06-28 |
| 申请人 | 首尔伟傲世有限公司; | 发明人 | 金载助; 申善雄; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种面 光源 UV LED灯 及其制造方法，更详细地，涉及一种利用最简单的结构使来自点光源的UV LED光转换成面光源并且发射该面光源的UV LED灯。该UV LED灯包括：UV LED芯片；PCB 基板 ，UV LED芯片安装在其上；以及罩，与UV LED芯片以一定距离设置并被构造为使从UV LED芯片发射的点UV光转换成面光，罩具有面对UV LED芯片的内表面和与内表面相对的外表面，其中，罩的内表面和外表面被粗化，并且来自粗化后的内表面的全反射的量比来自粗化后的外表面的全反射的量大。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种紫外线发光二极管灯，其特征在于，所述紫外线发光二极管灯包括： |
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| 说明书全文 | 面光源紫外线发光二极管灯及其制造方法技术领域背景技术[0003] UV光源用于包括诸如杀菌和消毒等医疗目的、基于照射的UV光的变化的分析目的、诸如UV固化的产业用目的、UV美黑的美容目的、捕虫、假币识别等多种目的。 [0004] 使用此UV光源的传统的UV光源灯为汞灯(mercury lamp)、准分子灯(excimer lamp)、氘灯(deuterium lamp)等。然而，这样的传统灯均具有能耗和发热量高、寿命短以及填充于其中的有毒气体引起环境污染的问题。 [0005] 为了解决传统的这些UV光源灯存在的问题，UV LED备受关注。UV LED具有能耗低，不会引起环境污染问题的优点。然而，发射UV波长范围内的光的LED封装件的生产成本要显著高于发射可见光波长范围内的光的LED封装件，并且因UV光的特性导致发射UV光的LED封装件的应用制品没有发展起来。 [0006] 当制造包括UV LED的灯制品时应考虑如下因素。其中一个因素与灯罩相关。为了制造包括UV LED芯片的灯，需要由在透射UV光的同时适合于覆盖并保护UV LED芯片的材料制成的灯罩。如果使用石英(玻璃)用于灯罩，则虽然它能够透射具有短波长的UV光，但由于其易碎而需要谨慎处理并且具有成形性低和放热性能不好的问题。作为石英的代替品，可以想到与石英相比成形性好、耐久性好、易于处理的聚合物。然而，因为电子云(electron cloud)(其存在于聚合物分子中的原子核周边并具有与UV光对应的共振频率)吸收具有400nm或更小的波长(UV波长范围)的光，所以聚合物具有明显低的光透射率。另外，聚合物材料被UV光劣化。因为这些原因，所以不适合使用聚合物作为灯罩。然而，已知的是，因为纯的PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯，poly methyl methacrylate)主要由碳原子和氢原子构成并且具有薄的电子云，所以它具有高的透射率。 [0007] 第二个因素与LED的光发射特性相关。如前面提到的纯的PMMA是透明材料，并且因为该原因，所以当使用它作为UV LED灯的透明罩时，UV LED灯的光源和回路单元被暴露在外部，美观性不好。另外，因为LED光发射特性导致亮度只集中在光源部位，所以难以实现均匀的照明。如果为了实现均匀的照明将LED更紧密地排列，则存在因UV LED封装件的高的价格而导致UV LED灯的价格进一步增加的问题。 [0008] 另外，如果将UV LED灯用作捕虫灯，则存在因热点导致引诱昆虫的效果下降的问题。而且在应用于UV固化等产业目的或美黑的美容目的中，均匀的UV面光源比点光源更好，因此对UV LED灯转换成面光源的需求正逐渐增多。 [0009] 基于这些点，可以表明的是，使UV LED灯从点光源转换成面光源是使UV LED灯的应用领域显著扩大的关键。 [0010] 一方面，将可见光波长范围的LED点光源转换成面光源的技术已经知晓。这些技术的大部分中，使用诸如导光板、漫射片或膜的漫射材料来将点光源或线光源转换成面光源。然而，即使当将这样的工艺应用于UV LED时，也会存在以下问题：传统的聚碳酸酯(PC)类漫射材料吸收UV光，不仅将发射到外部的紫外光的量大幅地减少，还会引起变黄等的急剧劣化，因此，因漫射材料的变色或劣化而导致无法使用该光源。 [0011] 另外，如果将已经用于将点光源LED(其用于TV的LED背光源)转换成面光源的诸如漫射片或导光板的结构应用于简单的LED灯，则存在如下问题：应用的结构使灯的结构不必要的复杂化并且增加灯的生产成本，这表明将传统的UV灯替换为UV LED灯变得毫无意义。 发明内容[0012] 本发明的一个目的在于提供一种使用透明石英或具有好的UV透射率的PMMA制造并且能够在不使用复杂的结构的情况下以简单的方式发射面光源的UV LED灯。 [0013] 本发明的另一目的在于提供一种能够在将UV光转换成面光源的同时发射该光并且能够提高光经由其的透射率的UV LED灯。 [0014] 为了实现上面的目的，根据本发明，对由PMMA或石英制成的罩的内表面和外表面均进行粗化(roughening)。在这种情况下，能够增多通过罩的内表面入射的UV光的折射和漫射，并且能够使通过内表面入射的UV光经由罩的外表面发射到外部之前进一步地被折射和漫射。因此，保证来自点光源的UV光转换成面光。 [0015] 另外，根据本发明，来自罩的外表面的反射量比来自罩的内表面的反射量小。在这种情况下，能够减少通过罩的外表面发射的UV光从外表面反射的现象，从而提高了罩的UV透射率，并且能够增多从罩的外表面反射的UV光从内表面再次被反射的现象，因此UV光在灯中没有被损失的情况下能够再次入射到罩的外表面从而能够在点光源转换成面光源的同时降低UV光的损失。 [0016] 因此，本发明提供一种UV LED灯，所述UV LED灯包括：UV LED芯片；基板，UV LED芯片安装在其上；以及罩，与UV LED芯片以一定距离设置并被构造为使从UV LED芯片发射的点UV光转换成面光，罩具有面对UV LED芯片的内表面和与内表面相对的外表面，其中，罩的内表面和外表面被粗化，并且来自粗化后的内表面的全反射的量比来自粗化后的外表面的全反射的量大。 [0017] 在本发明的实施例中，在罩的外表面中通过对于粗糙度取样长度L的中心线平均粗糙度Ra0除以粗糙度取样长度L内的分布曲线单元的平均宽度Sm0得到的值T0比在罩的内表面中通过对于粗糙度取样长度L的中心线平均粗糙度Ra1除以粗糙度取样长度L内的分布曲线单元的平均宽度Sm1得到的值T1小。 [0018] 在另一实施例中，值T0和值T1满足T1>1.5T0。 [0019] 在再一实施例中，罩由PMMA制成。 [0020] 在再一实施例中，PMMA是包含85wt％-100wt％MMA单体单元的丙烯酸类聚合物。 [0021] 在再一实施例中，罩由石英制成。 [0022] 本发明还提供了一种用于制造UV LED灯罩的方法，其中，所述UV LED灯罩与UV LED芯片以一定距离设置并且被构造为使从UV LED芯片发射的点UV光转换成面光，并且还具有面对UV LED芯片的内表面和与内表面相对的外表面，所述方法包括对UV LED灯罩的内表面和外表面粗化，使得在UV LED灯罩的外表面中通过对于粗糙度取样长度L的中心线平均粗糙度Ra0除以粗糙度取样长度L内的分布曲线单元的平均宽度Sm0得到的值T0比在UV LED灯罩的内表面中通过对于粗糙度取样长度L的中心线平均粗糙度Ra1除以粗糙度取样长度L内的分布曲线单元的平均宽度Sm1得到的值T1小。 [0024] 在本发明的另一实施例中，UV LED灯罩由PMMA制成，并且通过如下步骤执行粗化：提供具有UV LED灯罩的形状的模具，分别对模具的与UV LED灯罩的内表面和外表面对应的表面喷砂，将PMMA注入到经喷砂的模具以形成UVLED管灯罩。 [0025] 在本发明的再一实施例中，UV LED灯罩由石英制成，并且通过将石英形成UV LED灯罩的形状并对所形成的罩的内表面和外表面喷砂来执行粗化。 [0027] 在本发明的再一实施例中，用相同的研磨颗粒组对UV LED灯罩的内表面和外表面喷砂。 [0028] 在本发明的再一实施例中，在UV LED灯罩的内表面的喷砂中使用的研磨颗粒组的平均粒径比在UV LED灯罩的外表面的喷砂中使用的研磨颗粒组的平均粒径小。 [0029] 在本发明的再一实施例中，通过化学处理执行粗化。 [0031] 图1是根据本发明的UV LED灯的实施例的截面图。 [0032] 图2是各种材料的折射率作为光波长的函数的图表。 [0033] 图3是本发明的灯罩的扩大图，并且示出UV光入射在灯罩的内表面上的状态。 [0034] 图4是本发明的灯罩的扩大图，并且示出UV光入射到灯罩的外表面并从灯罩发射的状态。 [0035] 图5是从本发明的灯罩的内表面和外表面发生反射的示意图。以及[0036] 图6(a)至图6(c)是根据本发明的粗化后的表面的扩大示意图。 具体实施方式[0037] 本发明不限于在下面公开的实施例，可以以不同的形式来体现，但提供这些实施例是为了使本发明的公开更完全，并向本领域技术人员充分地传达本发明的范围。 [0038] 以下，参照附图详细地描述本发明的优选实施例。 [0039] 图1是根据本发明的UV LED灯的实施例的截面图，如图所示，本发明的UV LED灯包括UV LED芯片70，UV LED芯片70安装在其上的PCB基板60，被构造为支撑PCB基板60并包括散热片和电控制回路的壳体80以及由壳体支撑并被构造为与UV LED芯片以一定的距离覆盖UV LED芯片的罩10。 [0041] 罩10由透明同时具有高的UV透射率的材料制成。在优选实施例中，罩10由PMMA制成。并非所有种类的PMMA都具有良好的UV透射率，已发现，具有很低含量的添加剂的几乎纯的丙烯酸类聚合物(诸如含有85-100wt％甲基丙烯酸甲酯(MMA)单体单元的丙烯酸类聚合物)具有较好的UV透射率。 [0042] 然而，具有增大的透射率的特殊丙烯酸类聚合物(PMMA)与传统的聚合物相比不具有更好的成形性，因此，使用该聚合物制造罩的工艺会比使用传统的聚合物制造罩的工艺复杂。然而，因为该丙烯酸类聚合物具有高的强度并且不易损坏，所以它非常适合作为UV LED灯罩的材料。 [0043] 另外，也可以选择石英作为罩的材料。虽然石英因在任何波长范围内具有高的透射率使其非常理想，但是难以将石英制造成罩，并且与聚合物相比，因其非常高的脆性而需要慎重处理。 [0044] 一方面，与可见光波长范围的情况不同，在本发明中，在不使用诸如漫射片的结构的情况下，可以通过对如下描述的罩进行粗化(roughening)使点光源转换成面光源。如作为示出了各种材料的折射率作为光波长的函数的图表的图2所示，可以基于如下现象转换成面光源：任何材料的折射率随着光通过该材料的波长减小而增大，并且折射率的增加率随着波长变短而急剧增大。换言之，在不使用单独的结构或组件的情况下，可以基于UV光具有非常短的波长因而具有非常高的折射率的事实通过对罩自身打磨使UV光转换成面光源。 [0045] 然而，由于UV光的这样的特性，在将UV光转换成面光源时遇到了新难题。即，光在UV波长范围内通过粗化的表面的效率明显比可见光波长范围内的效率低。这是因为开始发生全反射的临界角随着折射率增大而逐渐减小。换言之，UV光因其短的波长而具有高的折射率，因此很容易被反射。结果发现，当UV光正通过粗化的罩的外表面时，发生较多的反射，因此降低了光的透射率。 [0046] 将注意的是，虽然折射率在UV光范围内增大的现象具有如下优点：在不使用任何单独的组件的情况下，通过对罩的两个表面打磨可以转换成面光源，但是具有如下缺点：当UV光从罩反射到外部反射时所反射的光的比例增大，导致光的损失增大。 [0047] 对于此现象，在本发明中，通过以下描述的方法解决了两个问题(转换成面光源和高的透射率)。 [0048] 图3是本发明的灯罩的扩大图并且示出了UV光入射在罩的内表面上的状态，图4是本发明的灯罩的扩大图并且示出了UV光入射到罩的外表面并从罩发射的状态，图5是从本发明的灯罩的内表面和外表面发生反射的示意图。 [0049] 参照图3，根据本发明的UV LED灯罩10包括面向UV LED芯片70的内表面12、面向灯的外部的外表面16和在内表面与外表面之间的介质。 [0050] 首先，从UV LED芯片70发射的UV光通过罩10的内表面12入射到罩10。对罩的内表面进行粗化使其被构造为如图6(a)至图6(c)所示。因此，通过内表面12入射的UV光经由具有特定粗糙度的内表面的形状被不规则地折射(如图3所示)，好像被散射或漫射。 [0051] 接下来，通过内表面12入射的UV光通过罩10的介质并到达外表面16，如图4所示。因为外表面16也被粗化成如图6(a)至图6(c)所示，所以已到达外表面16的UV光进一步被散射、折射并发射(如图4所示)，这表明它被再次漫射。 [0052] 为了将UV点光源转换成面光源，除了对罩10的内表面12和外表面16进行粗化之外，本发明的特征在于，光在这两个表面上的反射率程度被调整为降低UV透射率的损失，以降低当光在粗化的罩10中转换成面光源时发生的UV光损失。换言之，罩10被构造为当UV光将要从作为光密介质的罩10射出时，来自罩10的外表面16的反射减少，来自内表面12的反射增多，从而增加了从罩10的介质经外表面16射出的UV光的量，减少了UV光从外表面16(如图5所示)反射的量，并且如图5所示，从外表面16反射到内表面12的UV光再次从内表面12反射到外表面16，从而增大了UV光的透射率。 [0053] 图6(a)至图6(c)是根据本发明的粗化的表面的形状的扩大示意图。在下文中，将参照图6(a)至图6(c)对依据本发明的粗化的表面的粗糙程度定量或定性地分析反射程度的方法和用于增大UV光的透射率的方法进行描述。 [0054] 在此之前，需要以简要的方式对中心线平均粗糙度Ra(centerline average roughness)的概念进行描述，并且现在将以简要的方式对其进行描述。 [0055] 将将要被测量的表面的轮廓称作具有如图6(a)至图6(c)所示的曲线形状的分布曲线(profile)，其中，所述轮廓出现在将要被测量的表面垂直切割该将要被测量的表面的平均表面时得到的横截面中。 [0056] 另外，在由分布曲线和平行于粗糙度取样长度L内的平均分布曲线画出的直线围绕的部分中，彼此相等的该直线上方的部分(峰)的面积与该直线下方的部分(谷)的面积中的曲线称为相当于中心线C的图形中心线(graphical centerline)，如图6(a)至图6(c)所示。 [0057] 在这里术语“粗糙度取样长度L(roughness sampling length)”是指为了计算粗糙度的平均值而确定的参考长度。 [0058] 如图6(a)至图6(c)所示，峰的面积与谷的面积之和除以粗糙度取样长度L所得的值为中心线平均粗糙度Ra，其单位为μm(micrometer)。 [0059] 一方面，术语“粗糙度间隔(roughness spacing)”是在测量粗糙度取样长度L内的粗糙度时得到并且位于相邻峰之间的平均间隔。其主要以分布曲线单元的平均宽度Sm(mean width of the profile elements)表示。如图6(a)至图6(c)所示，分布曲线单元的平均宽度Sm是通过对从一个峰(谷)与中心线C交叉的点到与该峰(谷)邻近的点的对应点的距离之和求平均数所得到的值，并且以mm(millimeter)为单位。 [0060] 这样的中心线平均粗糙度Ra无法给出粗糙度的分布曲线信息。例如，在图6(c)示出了一种波形，并且在图6(c)中，与图(a)中的分布曲线相比，具有1/2宽度的分布曲线重复两次。在此情况下，图6(c)与图6(a)的中心线平均粗糙度Ra相同。然而，图6(c)中的分布曲线单元的平均宽度Sm是图6(a)中的分布曲线单元的平均宽度Sm的1/2。 [0061] 另一方面，参照图6(b)，虽然图6(b)与图6(a)的分布曲线单元的平均宽度Sm相同，但是图6(b)中的平均高度是图6(a)中的平均高度的1/3，因此图6(b)中的中心线平均粗糙度Ra也是图6(a)中的中心线平均粗糙度Ra的1/3。 [0062] 当光入射到光密介质和光疏介质之间的界面时，如果光的入射角大于其临界角，则发生全反射。另外，即使当光的入射角不大于临界角时，入射到光密介质和光疏介质之间的界面的光也被部分反射。换言之，当光倾斜地入射到介质的界面时，容易发生反射，当光垂直地入射到介质的界面时，几乎不发生反射。 [0063] 在本发明中，能够看出，UV光向各各方向散射的同时到达介质的界面，但是当观看均匀的光时，来自如图6(c)的界面形式的反射比来自如图6(b)的界面形式的反射多。换言之，可以表明，随着粗糙度的分布曲线的倾斜度增大，来自光密介质和光疏介质之间的界面的反射增多。 [0064] 因此，在粗化的罩的外表面和内表面中，由于外表面的粗糙度的分布曲线更类似于图6(b)中的分布曲线，并且由于内表面的粗糙度的分布曲线更类似于图6(c)中的分布曲线，所以来自外表面的反射减少，来自内表面的反射增多。 [0065] 图6(a)至图6(c)中示出的分布曲线的分析结果可以总结在下面的表1中。 [0066] 表1 [0067] [0068] [0069] 在上面的表1中，“T”可以是表示粗糙度的分布曲线的倾斜度的值。换言之，T值越大，倾斜度越大，因此来自光密介质和光疏介质之间的界面的反射增多。 [0070] 如上所述，光从光密介质入射到粗化的表面并到达光疏介质的反射率与倾斜度直接相关，因此能够看出，粗化的表面的反射率无法仅通过中心线平均粗糙度Ra和分布曲线单元的平均宽度Sm中的任意值来表示，与中心线平均粗糙度Ra成正比，与分布曲线单元的平均宽度Sm成反比(T∝Ra/Sm)。 [0071] 因此，当内表面12的中心线平均粗糙度Ra比外表面16的中心线平均粗糙度Ra大，并且内表面12的分布曲线单元的平均宽度Sm比外表面16的分布曲线单元的平均宽度Sm窄时，罩的UV透射率增大。 [0072] 前述已经对分布曲线不具有阶梯形状而具有类似于波形的形状的假设进行了描述。如果针对光的漫射而在一定水平(几微米～几百微米)下执行物理或化学粗化处理，则将总形成类似于波形的分布曲线。因此，这种假设与实际实践一致。 [0073] 在下文中，为了满足上述条件，将对表面粗化工艺的方法进行描述。 [0074] 打磨是一种如下工艺：在高速下将打磨颗粒或研磨颗粒喷射到工件的表面上使之与该表面碰撞，使得将保留因颗粒的碰撞引起的痕迹，从而在该表面上形成一定的粗糙度。 [0075] 本发明的特征在于，用相同的研磨颗粒对罩10的内表面12和外表面16进行打磨，其中，在内表面的打磨中的喷射速度比在外表面的打磨中的喷射速度大，从而这两个表面之间的表面粗糙度将不同。具体地，可以看出，当用研磨颗粒以不同的喷射速度对内表面和外表面进行处理时，如图6(a)和图6(b)所示，粗糙度单元之间的间隔在这两个表面之间基本相同，而峰的高度和谷的深度在这两个表面之间不同。 [0076] 换言之，在以相对高速下对罩的内表面12喷砂的情况下，如图6(a)所示，对于相同的分布曲线单元的平均宽度Sm的中心线平均粗糙度Ra相对大，因此曲线分布的倾斜度相对大，而在以相对低速下对外表面16喷砂的情况下，如图6(b)所示，对于相同的分布曲线单元的平均宽度Sm的中心线平均粗糙度Ra相对小，因此分布曲线的倾斜度相对小。 [0077] 在如上所述制造的罩10的情况下，罩10的外表面16的倾斜角比内表面12的倾斜角小，因此外表面16的光反射率相对低。此外，当不经外表面16反射的光再次入射到内表面12时，该光以在内表面12上形成的更大的倾斜角再次从内表面12反射，因此从外表面16反射的光再次朝向外表面16反射的程度增大，从而增大了UV光通过罩10的透射率。 [0078] 另外，根据本发明，在对罩10的内表面12和外表面16进行打磨的工艺中，用于对外表面16进行打磨的研磨颗粒组的平均粒径可以比用于对内表面12进行打磨的研磨颗粒组的平均粒径大，使得外表面16的分布曲线单元的平均宽度Sm将比内表面12的分布曲线单元的平均宽度Sm大，从而控制了罩10的反射率。 [0079] 如上所述，如果对罩10进行粗化处理，则外表面16可以被构造为如图6(a)所示，而内表面12可以被构造为如图6(c)所示。因此，可以提高了罩10的UV透射率。 [0080] 此外，如果外表面16的打磨中的喷射速度比在内表面12的打磨中使用的喷射速度小，则外表面可以被构造为如图6(b)所示，内表面可以被构造为如6图(c)所示。在此情况下，可以进一步提高罩的UV透射率。 [0081] 换言之，当应用在如描述的打磨工艺中的研磨颗粒组的平均粒径和研磨颗粒组的喷射速度在内表面和外表面之间不同时，可以增大内表面和外表面之间的T值的差距。 [0083] 此外，也可以使用其它低成本的方法来形成粗化的表面，例如，诸如氯化处理的化学处理。 [0084] 同时，使用S-O或S-O-L丙烯酸树脂(Nitto公司于2014年4月～6月生产)制造由PMMA制成的罩并打磨成不同程度，并且测量打磨的罩的UV透射率。测量结果示出在下面的表2中。 [0085] 表2 [0086] [0087] [0088] 如表所示，可以看出，虽然经打磨的罩比未经打磨的罩的UV透射率低，但是在内表面的T值大于外表面的T值的情况下，光透射率比外表面的T值大于内表面的T值的情况的光透射率高。 [0089] 另外，使用石英代替PMMA制造罩，其中，石英具有75.0％SiO2、5.4％Al2O3和6.5％Na2O3组分，2.31～2.32g/cm3的密度以及779～783℃的AT(退火点logη＝ 13℃/退火温度)和ST(软化点logη＝7.6℃/软化温度)，并且将制造的罩打磨成不同程度。 测量打磨的罩的UV透射率，测量结果示出在表3中。 [0090] 表3 [0091] [0092] 如表所示，可以看出，类似于PMMA的情况，虽然与未经打磨的罩相比经打磨的罩具有低的UV透射率，但是在内表面的T值大于外表面的T值的情况下，光透射率比外表面的T值大于内表面的T值的情况的光透射率高。 [0093] 因此，可以看出，当外表面的T值(T0)小于内表面的T值(T1)时，提高了UV光的透射率而与材料的种类无关。 [0094] 另外，根据本发明，可以对罩的内表面和外表面进行打磨使得内表面的T值理论上大于外表面的T值。然而，实验结果表明，当考虑制造误差和测量误差而将罩打磨成内表面的T值比外表面的T值大至少1.5倍时，在没有因制造和测量的误差导致的误差的情况下可以提高罩的光透射率。 [0095] 为了制造PMMA罩，可以使用通过对模具进行喷砂并且利用喷砂后的模具执行注塑成型来制造罩的方法。可选择地，可以使用包括以半管的形式挤压罩并且对罩的内表面和外表面进行喷砂的方法。此外，如上所述，也可以通过化学处理对表面进行处理。即，可以对注塑模具本身进行化学处理之后注塑成型，或者对挤压后的罩进行化学处理。 [0096] 如上所述，根据本发明，在没有用于转换点光源的单独的组件的情况下，罩本身可以用作漫射片，因此可以可靠地将点光源转换成面光源，同时可以简化灯的结构。另外，可以使UV LED灯的UV透射率最大化，因此可以极大地扩大UV LED灯的应用范围。 [0097] 尽管上面已经描述了各种实施例，但是本领域技术人员将理解的是，描述的实施例仅是示例的形式。因此，在此描述的发明不应该基于描述的实施例来限制。 |
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