遠程熒光LED器件影響因素研究

楊 森，馬燕瓊，王惟邈，刁永富，王躍川*，劉 剛，王 宇*

(1.四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065；2.四川桑瑞光輝標識系統股份有限公司，四川 成都 610065)

1 引言

隨著電子技術的不斷更新，近年來發光二級管(Light-Emitting Diode,簡稱LED)發展迅速，特別是GaN基藍色LED的技術取得突破性進展[1]。發光二級管(LED)與傳統照明相比具有壽命長、節能、無污染等優點，在固態照明領域有著廣泛的應用[2～3]。目前實現白光的主要方法是使用藍光芯片激發黃色熒光粉產生黃光，藍光黃光復合后得到白光，但是相關色溫Tc很難做到5000K以下，顯色指數Ra一般也小于80，無法應用于對Tc 和Ra要求較高的日用照明[4～6]。為了使顯色指數提高可以采用多種熒光粉混合的方法，例如采用紫外三基色熒光粉，顯色指數達到93[7]。LED傳統封裝方法是將熒光粉與配粉膠混合均勻，直接點在焊好線的芯片上[8～10]。這種工藝導致了LED器件存在一定缺陷[11～14]：芯片直接接觸熒光粉，影響散熱使芯片工作溫度升高，導致熒光粉產生光衰和色坐標偏移；點膠過程中熒光粉沉淀，導致同一批次光源光色有差別，而且點膠過程繁瑣；同時散熱不良也會導致封裝膠老化加快。為此，近年來出現了遠程熒光技術，即芯片發出的藍光激發遠程熒光轉換層而得到白光。這樣熒光粉均勻分散在樹脂中遠離熱源，并且避免熒光粉傳統封裝過程中沉降引起光源均勻性差的問題，同時這樣的器件結構簡單，安裝方便。目前基于遠程熒光技術的照明已開始有產品進入應用，但有關遠程白光LED技術和工藝的研究，特別是影響遠程熒光LED光學特性的因素和規律的細節研究少見報道。本文采用紅色和黃色熒光粉與光固化方式制備了熒光轉換層，自制了遠程白光LED模擬器件，研究了熒光轉換層以及與芯片的距離，輸入電流等對模擬器件發光特性能的影響，希望對遠程白光LED的結構設計提供參考。

2 實驗

2.1 實驗所用藥品和器材

光固化樹脂UC-102為和氏璧化工的商品，EM-211和IBOA為臺灣長興化工公司的丙烯酸酯商品，光引發劑184為北京英力科技發展有限公司的商品，均直接使用。

黃色熒光粉LMY-4255-HB和紅色熒光粉LAM-R-6237-C (大連路明發光科技股份有限公司)，光擴散劑 ESC-MP520(東莞市銓盛化工有限公司)，芯片HL-KF14B1PA4(鴻利光電股份有限公司)，測試儀器AIS-2-0.3mm鋁基座測光積分球R98(杭州遠方光電信息股份有限公司)。

2.2 實驗過程

2.2.1 熒光轉換層制備

準確稱量1.5g UC-102、0.3g EM-211和0.15g IBOA于洗凈烘干的玻璃瓶中，作為光固化樹脂混合物。稱取黃色熒光粉LMY-4255-HB和紅色熒光粉LAM-R-6237-C，總量控制在0.16g,加入到光固化樹脂混合物中，接著加入光擴散劑0.03g和光引發劑184-M 0.05g，攪拌均勻后再超聲分散30min。然后放入烘箱脫氣15min。取一定量的混合物放入預先制好的玻璃模具中，厚度控制在1.2～1.3mm，最后使用高壓汞燈進行紫外光固化，固化10min后取出，便得到熒光粉轉換層。

2.2.2 影響因素測試

將制得的熒光粉層按照圖1所示的結構安裝，首先保持芯片與熒光粉層距離17mm，保持輸入電流0.3A，采用積分球對紅黃熒光粉不同比例片層的光學性能進行測試。然后改變熒光粉層與芯片距離，測試不同距離的光學性能。最后改變輸入電流進行測試。本實驗還對在紅色熒光粉占總熒光粉質量比為7.82%的情況下，對光擴散劑加入前后的光學性能進行了測試。

圖1 遠程熒光LED示意圖Fig.1 Structure of remote phosphor LED device

3 結果與分析

3.1 熒光粉比例光學研究

3.1.1 顯色指數

光源對物體的顯色還原能力稱為顯色性，顯色指數則是表征顯色性的一個參數，規定白熾燈顯色指數為100，作為標準光源。其他的光源顯色指數可以通過公式

表1 不同紅色熒光粉質量比的光學參數Table 1 Optical parameters of the LED with varied phosphor composition

3.1.2 色溫

色溫是表示光源光色的尺度，是通過對比其色彩和理論的熱黑體輻射體(簡稱黑體，在任何溫度下對任何波長的輻射能的吸收率都等于1的物體，是一種理想的模型，也叫完全輻射體)來確定的。黑體發光的顏色與溫度一一對應。在表述某光源的顏色時，把該光源的顏色與黑體發光的顏色進行比較，如果該光源發出光的顏色與黑體在某一溫度下的顏色相同，就把該光源的顏色看作是黑體“在這個溫度下的顏色”，現在普遍把這個概念稱作“色溫”。色溫可分為三大類，冷色調(>5300K)，中色調(3300～5300K),暖色調(<3300K)。色溫高表示光線中藍綠色多，色溫低，表示橙紅色多[12]。

本實驗中，從圖2可看出未加入紅色熒光粉時色溫為13276K。當加入紅色熒光粉后色溫迅速下降，從圖中可看出紅色熒光粉占熒光粉總質量為2.10%時，色溫下降了4628K，可見紅色熒光粉的加入能顯著的降低色溫。這是由于紅色熒光粉加入增加了紅橙光的成分，同樣從表1看出紅色熒光粉增加主波長向高波段移動，紅光成分增多，所以紅色熒光粉能夠降低色溫。

3.2 芯片與熒光粉距離的影響

遠程熒光關鍵因素是芯片到熒光粉層距離，本實驗中通過改變反光壁的高度調節距離，距離分別為14mm、22mm、27mm、33mm、37mm。我們研究了距離對顯色指數和色溫的影響，如圖3所示。

圖3 不同熒光層的距離與顯色指數和色溫的關系Fig.3 Distance of phosphors layer vs. Ra and color temperature of the LED device

從圖3可看出距離的變化，對器件的光學影響并不大，色溫有上升的趨勢，但是從整個距離來看影響可忽略。對于顯色指數，距離的改變對其沒有影響。原因是盡管距離改變，發光強度有所降低，但是熒光粉轉換效率與激發光的能量有關，激發光波長未變，所以轉換后光的配比幾乎不變，顯色指數和色溫也不會改變，這說明熒光粉轉換效率與激發光的光強無關。

為了探究熒光轉換層與芯片的距離對器件發光效率的影響，我們用市售的芯片構建了簡單的遠程熒光LED器件，由于只是為了探討熒光轉換層與芯片的距離對器件光效的影響，市售芯片以及器件的絕對光效值就沒有特別關注。圖4為樣品器件的發光效率與熒光轉換層距離的關系。從圖4可看出，樣品器件光效幾乎和芯片與熒光轉換層的距離成反比，即遠程熒光轉換層的距離越遠，器件的光效越低。

圖4 不同熒光層距離的發光效率Fig.4 Distance of phosphors layer and the luminescent efficiency

3.3 輸入電流影響

保持電壓、芯片與熒光轉換層距離17mm不變，只改變輸入電流，研究了輸入電流對其光學性能的影響，實驗結果如圖5所示。隨著輸入電流增加，芯片亮度增加，發光強度增加，但是顯色指數和色溫并沒變化。這和圖4的結果是一致的。出現這樣的結果也是因為熒光轉換層的效率與光強無關，所以輸入電流對顯色指數、色溫影響不大。

圖5 不同輸入電流的顯色指數和色溫Fig.5 Input electric current vs. Ra and colour temperature

圖6是簡單的樣品器件的發光效率與輸入電流的關系。從圖6可看出，當電流小于0.3A時，隨著輸入電流的增加器件的光效升高，當超過芯片的額定電流后，光強增加不明顯。所以對于遠程熒光器件的輸入電流應該以芯片額定電流為準。

圖6 不同輸入電流的發光效率Fig.6 The Luminescent Efficiency vs. input electric current

3.4 光擴散劑的影響

實驗中發現，遠程熒光轉換層雖然不透明，但芯片工作時熒光轉換層不能完全阻擋芯片的強光，能看到器件刺眼的藍光光線和燈芯，而且熒光轉換層邊緣的亮度不高，光效較低。為了解決這種問題，我們加入了光擴散劑，它是粒度在微米級的樹脂顆粒，光擴散劑的折射率與熒光轉換層的基體樹脂的折射率有較大的差異，增加入射光在擴散劑和基體樹脂界面的折射和反射，改變光線傳播方向，使整個熒光轉換層的光均勻，并且使光線柔和。從圖7對比了加入光擴散劑后器件工作時的效果，沒加入光擴散劑時(圖a)，中間有芯片的白點，熒光轉換層邊緣亮度較暗。加入光擴散劑后(圖b)，看不見燈芯，光線更加柔和、均勻。

圖7 加入光擴散劑前后比較Fig.7 Comparison the effect without (a) and with (b) light scattering agent

表2是未加光擴散劑和加入光擴散劑后的光學參數對比，從表2中可看出在相同熒光粉濃度下，沒加入光擴散劑時，顯色指數更低，色溫更高。其原因是，芯片所發出的光沒有經過熒光粉均勻轉化，便直接射出，因此藍色比偏大，色溫明顯偏高。藍色成分增多，配色不均勻，顯色指數下降。但是由于光擴散劑的加入存在顆粒界面，會存在光吸收損失，因此加入光擴散劑后發光效率有所下降。

表2 加入光擴散劑前后光學參數比較Table 2 Comparison of optical parameters before and after adding light scattering agent

4 結論

本文探究了遠程熒光的幾個影響因素。結果發現紅色熒光粉質量占總熒光粉質量為7.82%附近，顯色指數最高，達到85.1，此時色溫5460K。同時紅色熒光粉比例越大，色溫越低。研究還發現改變芯片與熒光轉換層的距離和改變輸入電流對LED的顯色指數和色溫影響不大，芯片到熒光轉換層的距離越遠光效越低，改變輸入電流時光效出現了峰值。同時光擴散劑的加入使得光更加均勻，提高了顯色指數，降低了色溫。

[1] Shuji Nakashi, Takashi Mukai, Masayuki sench. Candela-class high-brightness lnGaN/AlGaN double-heterostructure blue-light-emitting diodes[J]. Applied Physics Letters, 1994,64(13):1687～1689.

[2] 劉行仁.白光LED固態照明光轉換熒光體[J].發光學報，2007,28(3):291～301.

[3] 蟻澤純,熊旺,王力，等.大功率LED多芯片集成封裝的熱分析[J].半導體光電,2011,32(3)：320～324.

[4] Liu Jie，SUN Jia-yue，SHI Chuan-shan. The development of the white converter based on LED. Chemistry, 2005, 6:417～424.

[5] 宋國華,繆建文,施建珍，等.一種提高白光LED相關色溫分布均勻性的方法[J].光電子·激光，2010,21(7):983～987.

[6] Jin P, Wang Y F, Zhou Q F, et al, Luminous efficacy of white LED in the myopic vision state [J]. Optoelectronics laser, 2009,5(4):265～272.

[7] 宋國華,建文,姜斌，紀憲明，崔一平. 紫外芯片激發三基色熒光粉制作的白光LED[J].光電子·激光,2011,12(12):1779～1783.

[8] 陳鐘文，袁波，陳小平，等.LED集成封裝的研究現狀[J]. 照明工程學報，2013，24(3): 77～80.

[9] 田俊，楊峻，王海波. 大功率LED熱管散熱器研究[J]. 照明工程學報，2013，24(2):44～48.

[10] 晏建宇, 王雙喜, 劉高山，等. 大功率LED散熱技術研究進展[J]. 照明工程學報，2013，24(5):84～89.

[11] 施豐華,王海波.白光LED用遠程熒光技術[J].中國照明電器,2012,4:6～8.

[12] Narendran N, Gu Y, Freyssinier J P,et al. Solid-state lighting: failure analysis of white LEDs [J]. Crystal Growth, 2004, 268(3/4): 449～456.

[13] Parkyn B, Chaves J, Falicoff W. PC-LED luminance enhancement due to phosphor scattering [J]. Proc. of SPIE, 2005, 5942: 221～235.

[14] Luo H, Kim J, Schubert E, et al. Analysis of high-power packages for phosphor-based white-light-emitting diodes [J]. Applied Physics Letters, 2005, 86(24): 243505-243505-3.

[15] Harumasa Yoshida, Yoji Yamashita, Masakazu Kuwabara, et al. A 342-nm ultraviolet AlGaN multiple-quantum-well laser diode [J]. Optics Express,2013,21(3): 3133～3137.