遠程熒光LED器件光學性能研究

王雪飛++寧平凡++謝亦翔++軒暢++梁立君

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.048

摘 要：遠程熒光器件實現了芯片與熒光粉層分離，有效緩解了傳統封裝方法中的散熱性差的問題，有良好的應用前景，是當前研究的熱點。本文利用靜電紡絲工藝將熒光粉均勻分散在PVA溶液噴絲形成的空間網絡結構中，研制了LED遠程熒光片，制備了遠程LED器件。研究了熒光粉配比、靜電紡絲過程中的電壓及紡絲時間對遠程熒光LED器件光學特性的影響。實驗表明靜電紡絲工藝中電壓決定紡絲成功與否，一定的電壓范圍內聚合物溶液才會噴射細流，紡絲時間和熒光粉配比都對器件的顯色指數和相關色溫有影響。

關鍵詞：遠程熒光器件 靜電紡絲 PL譜 顯色性 相對色溫

中圖分類號：TN31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（a）-0048-02

白光LED在固態照明領域有著廣泛的應用，與傳統照明方式相比有著高效、壽命長、環保等優點，已成為新一代節能照明光源[1]。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，這種傳統封裝工藝存在一定缺陷。近年來出現了遠程熒光粉器件，即將熒光粉單獨制作成光轉換器件，與藍色LED芯片分離開來免封裝設計的一種器件。遠程熒光粉器件能有效緩解傳統LED封裝中熒光粉直接接觸芯片帶來的光色散、吸收及散熱效果差、可靠性低等一系列問題[2]。

本文采用靜電紡絲工藝制備了遠程熒光LED器件，研究了靜電紡絲制備工藝中電壓范圍、靜電紡絲時間對遠程熒光LED器件光學性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗原理

靜電紡絲設備由高壓直流電源、溶液儲存裝置、噴絲裝置、接收裝置這4個部分組成。高壓電源在噴絲頭和接收裝置之間瞬時產生一個電位差，使得聚合物溶液克服自身表面張力和粘彈性力，在噴絲頭末端呈現半球狀的液滴。隨著電場強度的增加，液滴被拉成圓錐狀即泰勒錐。當電場強度超過某一臨界值后，將克服液滴的表面張力形成射流，在電場中進一步加速，直徑減小，拉伸成一直線至一定距離后彎曲，進而循環或者循螺旋形路徑行走，伴隨溶劑揮發，終落在收集裝置上形成纖維[3]。

1.2 實驗內容

利用PVA固體配置濃度為8%的聚乙烯醇溶液，分別將YAG：Ce3+黃色熒光粉和Sr2Si5N8：Eu2+紅色熒光粉按照不同比例加入到聚乙烯醇溶液，用水浴鍋加熱并用磁力攪拌器不斷攪拌溶液使得熒光粉能快速均勻分散到溶液中，得到的溶液用于靜電紡絲。

1.3 影響因素測試

根據熒光粉配比不同分成3組（黃∶紅= 5g∶0g，5g∶0.5g，5g∶1g）。將PET作為基底，首先設定針頭到接收裝置的距離設置為9.5cm，紡絲時間分別為30min、1h、1.5h，利用積分球對相同時間下紅配比不同的3組熒光片進行光學測試分析；然后改變紡絲時間，采樣間距為0.5h，測試不同厚度下熒光片的光學性能。

2 結果與討論

2.1 靜電紡絲工藝中電壓

隨著對聚合物溶液施加電壓的增加，體系的靜電力就會增大，聚合物溶液液滴的分裂能力就會變強所得纖維細絲的直徑將會減小。在靜電紡絲工藝中，當對PVA溶液施加20～35kV的電壓后，聚合物溶液才會克服溶液表面張力從而形成噴射細流，此刻在聚合物溶液噴射過程中隨溶劑水的蒸發，聚合物發生固化現象，最后纖維細絲以無序狀排列在接收裝置上。電壓為25kV下的靜電紡絲PVA納米纖維微觀形貌圖中纖維直徑較細且無粘連，表面光滑，分布最均勻，即可得出實驗電壓的最優參數為25kV。

2.2 遠程LED器件的光學性能分析

2.2.1 顯色性

顯色指數是指在具有合理允許的色適應狀態下，被測光源照明物體的心理物理色與參比光源照明同一色樣的心理物理色符合程度的度量。通過對比可以看出在紡絲時間相同時隨著紅色熒光粉的增加顯色指數明顯增大。紡絲時間0.5h時加入紅色熒光粉對顯色指數的影響最明顯，第三組（黃∶紅=5g∶1g）紅色熒光粉質量比為17%時顯色指數達到了82.8，這樣的顯色指數完全滿足了日常的需要。從圖1中可以看出顯色指數的增大的原因是紅色熒光粉的加入造成了紅色波段部分增加，從而增大了顯色指數。

2.2.2 相關色溫

從表1可以看出紡絲時間長短可以有效地調節器件的相關色溫，變化范圍可達到16664K到4432K，相對色溫變化范圍很寬，黃色熒光粉中加入紅色熒光粉也能有效的降低器件的相關色溫，對比3組（0.5h）、3組（1.5h）樣品相關色溫下降了9012K。根據這個特點，利用紡絲時間的長短和紅色熒光粉的占比來調節燈的相對色溫，極大限度滿足需求者的要求。但現在商用LED產品普遍相對色溫高，而適合人類生存的LED產品應當是暖白色色調的光源。暖白色色調的光源要求相對色溫低，所以研制相對色溫低LED產品已經成為LED行業的主導方向。

3 結語

本文基于靜電紡絲工藝制備了遠程熒光片，研究了遠程LED器件的光學性能。通過實驗表明，摻有熒光粉的8%的PVA溶液在25kV的電壓下產生的纖維細絲分布均勻且表面光滑，直徑較細，彼此沒有粘連。紡絲時間對遠程熒光片的厚度有影響，厚度增加降低了遠程LED器件的色溫，在黃色熒光粉中加入紅色熒光粉也可有效地調節LED器件的相關色溫，調節范圍為13444K至4432K。因此，靜電紡絲工藝可以制造合適的熒光片用于調整燈具的發光光譜成分，改善照明質量。

參考文獻

[1] 劉虹，陳良惠.我國半導體照明發展戰略研究[J].中國工程科學，2011，13（6）：39-43.

[2] 楊森，馬燕瓊，王惟邈，等.遠程熒光LED器件影響因素研究[J].照明工程學報，2014（1）：89-93.

[3] 師奇松，于建香，顧克壯，等.靜電紡絲技術及其應用[J].化學世界，2005，45（5）：313-316.endprint