远程荧光LED器件影响因素研究

杨 森，马燕琼，王惟邈，刁永富，王跃川*，刘 刚，王 宇*

(1.四川大学高分子科学与工程学院，四川 成都 610065；2.四川桑瑞光辉标识系统股份有限公司，四川 成都 610065)

1 引言

随着电子技术的不断更新，近年来发光二级管(Light-Emitting Diode,简称LED)发展迅速，特别是GaN基蓝色LED的技术取得突破性进展[1]。发光二级管(LED)与传统照明相比具有寿命长、节能、无污染等优点，在固态照明领域有着广泛的应用[2～3]。目前实现白光的主要方法是使用蓝光芯片激发黄色荧光粉产生黄光，蓝光黄光复合后得到白光，但是相关色温Tc很难做到5000K以下，显色指数Ra一般也小于80，无法应用于对Tc 和Ra要求较高的日用照明[4～6]。为了使显色指数提高可以采用多种荧光粉混合的方法，例如采用紫外三基色荧光粉，显色指数达到93[7]。LED传统封装方法是将荧光粉与配粉胶混合均匀，直接点在焊好线的芯片上[8～10]。这种工艺导致了LED器件存在一定缺陷[11～14]：芯片直接接触荧光粉，影响散热使芯片工作温度升高，导致荧光粉产生光衰和色坐标偏移；点胶过程中荧光粉沉淀，导致同一批次光源光色有差别，而且点胶过程繁琐；同时散热不良也会导致封装胶老化加快。为此，近年来出现了远程荧光技术，即芯片发出的蓝光激发远程荧光转换层而得到白光。这样荧光粉均匀分散在树脂中远离热源，并且避免荧光粉传统封装过程中沉降引起光源均匀性差的问题，同时这样的器件结构简单，安装方便。目前基于远程荧光技术的照明已开始有产品进入应用，但有关远程白光LED技术和工艺的研究，特别是影响远程荧光LED光学特性的因素和规律的细节研究少见报道。本文采用红色和黄色荧光粉与光固化方式制备了荧光转换层，自制了远程白光LED模拟器件，研究了荧光转换层以及与芯片的距离，输入电流等对模拟器件发光特性能的影响，希望对远程白光LED的结构设计提供参考。

2 实验

2.1 实验所用药品和器材

光固化树脂UC-102为和氏璧化工的商品，EM-211和IBOA为台湾长兴化工公司的丙烯酸酯商品，光引发剂184为北京英力科技发展有限公司的商品，均直接使用。

黄色荧光粉LMY-4255-HB和红色荧光粉LAM-R-6237-C (大连路明发光科技股份有限公司)，光扩散剂 ESC-MP520(东莞市铨盛化工有限公司)，芯片HL-KF14B1PA4(鸿利光电股份有限公司)，测试仪器AIS-2-0.3mm铝基座测光积分球R98(杭州远方光电信息股份有限公司)。

2.2 实验过程

2.2.1 荧光转换层制备

准确称量1.5g UC-102、0.3g EM-211和0.15g IBOA于洗净烘干的玻璃瓶中，作为光固化树脂混合物。称取黄色荧光粉LMY-4255-HB和红色荧光粉LAM-R-6237-C，总量控制在0.16g,加入到光固化树脂混合物中，接着加入光扩散剂0.03g和光引发剂184-M 0.05g，搅拌均匀后再超声分散30min。然后放入烘箱脱气15min。取一定量的混合物放入预先制好的玻璃模具中，厚度控制在1.2～1.3mm，最后使用高压汞灯进行紫外光固化，固化10min后取出，便得到荧光粉转换层。

2.2.2 影响因素测试

将制得的荧光粉层按照图1所示的结构安装，首先保持芯片与荧光粉层距离17mm，保持输入电流0.3A，采用积分球对红黄荧光粉不同比例片层的光学性能进行测试。然后改变荧光粉层与芯片距离，测试不同距离的光学性能。最后改变输入电流进行测试。本实验还对在红色荧光粉占总荧光粉质量比为7.82%的情况下，对光扩散剂加入前后的光学性能进行了测试。

图1 远程荧光LED示意图Fig.1 Structure of remote phosphor LED device

3 结果与分析

3.1 荧光粉比例光学研究

3.1.1 显色指数

光源对物体的显色还原能力称为显色性，显色指数则是表征显色性的一个参数，规定白炽灯显色指数为100，作为标准光源。其他的光源显色指数可以通过公式

表1 不同红色荧光粉质量比的光学参数Table 1 Optical parameters of the LED with varied phosphor composition

3.1.2 色温

色温是表示光源光色的尺度，是通过对比其色彩和理论的热黑体辐射体(简称黑体，在任何温度下对任何波长的辐射能的吸收率都等于1的物体，是一种理想的模型，也叫完全辐射体)来确定的。黑体发光的颜色与温度一一对应。在表述某光源的颜色时，把该光源的颜色与黑体发光的颜色进行比较，如果该光源发出光的颜色与黑体在某一温度下的颜色相同，就把该光源的颜色看作是黑体“在这个温度下的颜色”，现在普遍把这个概念称作“色温”。色温可分为三大类，冷色调(>5300K)，中色调(3300～5300K),暖色调(<3300K)。色温高表示光线中蓝绿色多，色温低，表示橙红色多[12]。

本实验中，从图2可看出未加入红色荧光粉时色温为13276K。当加入红色荧光粉后色温迅速下降，从图中可看出红色荧光粉占荧光粉总质量为2.10%时，色温下降了4628K，可见红色荧光粉的加入能显著的降低色温。这是由于红色荧光粉加入增加了红橙光的成分，同样从表1看出红色荧光粉增加主波长向高波段移动，红光成分增多，所以红色荧光粉能够降低色温。

3.2 芯片与荧光粉距离的影响

远程荧光关键因素是芯片到荧光粉层距离，本实验中通过改变反光壁的高度调节距离，距离分别为14mm、22mm、27mm、33mm、37mm。我们研究了距离对显色指数和色温的影响，如图3所示。

图3 不同荧光层的距离与显色指数和色温的关系Fig.3 Distance of phosphors layer vs. Ra and color temperature of the LED device

从图3可看出距离的变化，对器件的光学影响并不大，色温有上升的趋势，但是从整个距离来看影响可忽略。对于显色指数，距离的改变对其没有影响。原因是尽管距离改变，发光强度有所降低，但是荧光粉转换效率与激发光的能量有关，激发光波长未变，所以转换后光的配比几乎不变，显色指数和色温也不会改变，这说明荧光粉转换效率与激发光的光强无关。

为了探究荧光转换层与芯片的距离对器件发光效率的影响，我们用市售的芯片构建了简单的远程荧光LED器件，由于只是为了探讨荧光转换层与芯片的距离对器件光效的影响，市售芯片以及器件的绝对光效值就没有特别关注。图4为样品器件的发光效率与荧光转换层距离的关系。从图4可看出，样品器件光效几乎和芯片与荧光转换层的距离成反比，即远程荧光转换层的距离越远，器件的光效越低。

图4 不同荧光层距离的发光效率Fig.4 Distance of phosphors layer and the luminescent efficiency

3.3 输入电流影响

保持电压、芯片与荧光转换层距离17mm不变，只改变输入电流，研究了输入电流对其光学性能的影响，实验结果如图5所示。随着输入电流增加，芯片亮度增加，发光强度增加，但是显色指数和色温并没变化。这和图4的结果是一致的。出现这样的结果也是因为荧光转换层的效率与光强无关，所以输入电流对显色指数、色温影响不大。

图5 不同输入电流的显色指数和色温Fig.5 Input electric current vs. Ra and colour temperature

图6是简单的样品器件的发光效率与输入电流的关系。从图6可看出，当电流小于0.3A时，随着输入电流的增加器件的光效升高，当超过芯片的额定电流后，光强增加不明显。所以对于远程荧光器件的输入电流应该以芯片额定电流为准。

图6 不同输入电流的发光效率Fig.6 The Luminescent Efficiency vs. input electric current

3.4 光扩散剂的影响

实验中发现，远程荧光转换层虽然不透明，但芯片工作时荧光转换层不能完全阻挡芯片的强光，能看到器件刺眼的蓝光光线和灯芯，而且荧光转换层边缘的亮度不高，光效较低。为了解决这种问题，我们加入了光扩散剂，它是粒度在微米级的树脂颗粒，光扩散剂的折射率与荧光转换层的基体树脂的折射率有较大的差异，增加入射光在扩散剂和基体树脂界面的折射和反射，改变光线传播方向，使整个荧光转换层的光均匀，并且使光线柔和。从图7对比了加入光扩散剂后器件工作时的效果，没加入光扩散剂时(图a)，中间有芯片的白点，荧光转换层边缘亮度较暗。加入光扩散剂后(图b)，看不见灯芯，光线更加柔和、均匀。

图7 加入光扩散剂前后比较Fig.7 Comparison the effect without (a) and with (b) light scattering agent

表2是未加光扩散剂和加入光扩散剂后的光学参数对比，从表2中可看出在相同荧光粉浓度下，没加入光扩散剂时，显色指数更低，色温更高。其原因是，芯片所发出的光没有经过荧光粉均匀转化，便直接射出，因此蓝色比偏大，色温明显偏高。蓝色成分增多，配色不均匀，显色指数下降。但是由于光扩散剂的加入存在颗粒界面，会存在光吸收损失，因此加入光扩散剂后发光效率有所下降。

表2 加入光扩散剂前后光学参数比较Table 2 Comparison of optical parameters before and after adding light scattering agent

4 结论

本文探究了远程荧光的几个影响因素。结果发现红色荧光粉质量占总荧光粉质量为7.82%附近，显色指数最高，达到85.1，此时色温5460K。同时红色荧光粉比例越大，色温越低。研究还发现改变芯片与荧光转换层的距离和改变输入电流对LED的显色指数和色温影响不大，芯片到荧光转换层的距离越远光效越低，改变输入电流时光效出现了峰值。同时光扩散剂的加入使得光更加均匀，提高了显色指数，降低了色温。

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