基于旋转涂覆法的LED远程配光器件研究

马建设，代振华，刘 彤

(清华大学 深圳研究生院，广东 深圳 518055)

引言

随着半导体材料在蓝光芯片领域的突破，以大功率发光二极管为光源的半导体照明技术[1-3]孕育着照明产业革命。半导体电致发光特性使LED的发光效率高，显色性好，安全可靠，色彩丰富和易于维护[4]，再加上其节能、环保、体积小、寿命长等特点，使得LED灯成为继白炽灯、荧光灯、金卤灯后的新一代光源。LED封装经历了引脚式封装[5]、四引脚食人鱼式封装和表面贴片封装技术。1998年，Lumileds公司研发出Luxeon支架式封装[6]，之后，Cree公司提出溶液蒸发法，电子科技大学的饶海波等人利用粉浆法和紫外固化胶实现芯片级的保形涂覆[7]。但芯片较高的温度容易使与其接触的荧光粉胶老化，距离太近的荧光粉受激发出的光易被芯片吸收，使得芯片的发光效率降低[8]。Rensselaer理工学院E.F.Schubert等人发现，远离荧光粉层可降低后向散射到芯片的几率，提高流明效率。中山大学王刚等人研究表明，远离式封装可降低荧光粉层的温度，改进激发效率[9]。远程封装技术正在兴起，国外Intematix公司已经开始运用，做成产品，正尝试着开启中国市场，国内起步比较晚，又由于国外技术上的封锁，在相关文献方面描述不够详细，国内关于这方面的研究较少，还处于摸索阶段。一般研发的远程配光器件光效较低，不高于80lm/W，本文针对旋转涂覆方法制备的荧光粉胶薄片,自制连续可调芯片与薄片距离测试器件,距离信息可直接读取，厚度在0.506mm的薄膜，在不同电流下分析远程配光器件发光效率、显色指数、相关色温的变化规律，在电流为150mA时，改变芯片与荧光粉薄片的距离，分析对上述参数的影响，并设立变化速率系列参数t，对粗调微调LED灯重要参数具有指导意义，此外设立的变距和读数方式对LED远程配光器件的研发可提供借鉴意义。

1 实验

1.1 实验所用材料和器材

深圳格亮光电有限公司销售的YAG-4黄色荧光粉、SB626红色荧光粉，杭州五会港胶粘剂有限公司的1:1环氧AB胶，直径为25mm、厚度为1.25mm的石英玻璃基片，北京金鑫微纳科技有限公司的SC-1B型匀胶台，杭州远方光电信息股份有限公司型号为WY+HAAS2000_V1_UBS的积分球。此外还有电子秤、螺旋测微仪、平板加热器、荧光粉胶薄膜品质检测用灯具等。

1.2 实验步骤

1.2.1 荧光粉胶薄膜制备

准确称量0.2gYAG-4黄色荧光粉放入烧杯，然后加入0.025g红色荧光粉，1gA胶，用玻璃棒搅拌10min，加入1gB胶，再用玻璃棒搅拌15min。然后将荧光粉胶倒入注射器中，真空脱泡。

启动匀胶台，设置2档转速，500r/min速度下8s，在5500r/min下保持15s，用镊子取玻璃基片放置在吸盘上，开启真空泵，吸住基片，将荧光粉胶注入适量于基片上，启动吸盘旋转。将旋转后带有荧光粉胶的基片放置在垫有吸水纸的平板加热器上加热30min，然后再将加热后的基片放置在真空吸盘上，在表面再次注入荧光粉胶。通过变化荧光粉胶加热和旋涂的次数来控制荧光粉胶薄膜的厚度。使之为一梯度，本次采用厚度为0.506mm的薄片来研究LED远程配光器件。

2.2.2 连续可调芯片与荧光粉薄片距离器件测试原理

选用市场上所销售LED灯驱动，然后自制连续可调芯片与薄片距离测试器件用于检测荧光粉薄膜的品质和器件的影响因素，如图1为测试器件结构图。图中主轴凹槽口放置制备好的荧光粉薄片，绝缘导热垫片、芯片模组通过螺钉连接，固定在插杆上，在主轴孔内移动以改变芯片至荧光粉薄片的距离，内六角顶丝将插杆固定。在插杆中切割宽度为5mm的平面，其上放置标尺贴，如图2所示，这样在插杆移动后可以很方便的读出距离。在绝缘导热垫片和插杆上都开有一小孔，从芯片模组下方的电极引脚接出正负极连接到激励电流上，从而可以改变电流大小。检测不同电流下LED灯的发光效率、显色指数、相关色温。

图1 连续可调芯片与荧光粉薄片距离测试器件结构图Fig.1 Continuously adjustable chip and phosphor sheet distance test fevice structure diagram

图2 LED灯测试示意图Fig.2 LED lamp test schematic diagram

3 数据处理以及结果分析

3.1 发光效率

LED发光效率是光通量与输入功率的比值，不同颜色的光引起的人眼的视见函数值不同，在波长555nm处有最大值，当功率一定时，过长或过短的波长的光视见函数值降低，使得引起人视觉的光通量降低。在小电流时，变化电流值，测出LED灯的光效，如图3所示，当电流由10mA增加到50mA时，发光效率先增加后降低，最高时达106.18lm/W,此时电流为24mA，能替换大部分小功率应用。根据光谱视见函数的不同可知，在较小电流时，功率低，随着电流增加，转换成高视见函数的光子数增加，从而光效增加，当电流相对较大时，转换为视见函数低的红光的光子数增加，如此变化，可以找出光效最高点。

对于大于1W的功率时的情况，如表1所示。在电流较高时，电压以较小幅度上升，LED灯功率增加，此时构成大功率LED灯，测得相应的功率和发光效率。根据发光效率随电流的变化作图，如图4所示，电流为150mA时，发光效率为93.32lm/W，此时功率为1288mW。能较好的满足各应用场合。为了分析光效衰减的情况，设立参数t，表达式为

图3 小电流时LED灯发光效率随电流变化图Fig.3 The LED lamp luminous efficiency at low current with the current change map

其中η2为在电流为I2时的发光效率，η1为在电流为I1时的发光效率。参数t用来表示随着电流的增加，也即功率的增加，发光效率的衰减情况，由图4中t的变化曲线可知，发光效率的衰减随着功率的增加是逐渐减弱的。

表1 LED电流变化时对应电压和功率值Table 1 The correspanding voltage and power value when the LED current changes

图4 较高电流时发光效率随电流变化示意图Fig.4 High current with the current change diagram of luminous efficiency

图5 距离变化对发光效率的影响Fig.5 Effect of distance variation on lumious efficiency

当改变芯片至荧光粉薄片的距离时，随着距离增加，发光效率逐渐降低，分析得知，随着距离的增加，增加了光子在LED器件内壁和荧光粉薄片内的散射，从而增加了消耗，由t1代表的变化率可知，光效的衰减速率随距离的增加是边际递减的。

3.2 显色指数

光源决定被照物体颜色感觉的性质为显色性，即还原物体本来颜色的能力，光发射的光谱内容决定光源的光色，当光源光谱中很少或者缺乏物体在基准光源下所反射的主波时，会使颜色产生明显的色差，色差程度越大，光源对该色的显色性越差，显色指数为目前定义光源显色性评价的普遍方法。白炽灯的显色指数定义为100，被视为理想的基准光源。

图6 显色指数随距离变化的情况Fig.6 The color rendering index changes with the distance

如图6所示，当芯片至荧光粉薄片的距离增加时，显色指数值逐渐增加，显色效果变好，分析得知，距离的增加，将加强光子在芯片与薄片间的散射次数，散射的增加将改善光谱的均匀性，提高LED器件的显色能力，在距离为1.5mm时，显色指数为82.0，在距离为19.0mm时，为85.2。由t2值代表的显色指数随距离的变化率可知，这种变化速率是逐渐降低的。

图7 显色指数随电流变化情况Fig.7 The color rendering index with the change of current

当电流逐渐增加时，LED器件光源显色指数变化不明显，分析可知，电流增加导致光辐射功率的增加，只是增加了光强度，对光谱的成分影响不大，对显色性能的提高不具有很强的参考性。

3.3 相关色温

显色指数用来分析光源还原物体本来颜色的能力，而相关色温则是指与具有相同亮度刺激时，颜色最相似黑体辐射体的温度。相关色温是用来描述光源的颜色特性，用K氏温度表示。

图8 距离对相关色温的影响Fig.8 Effect of distance on the correlated color temperature

当距离增加时，相关色温逐渐增高(见图8)，分析知当短波长光偏多时，光谱色偏蓝、偏冷，相关色温较高，距离较近时，由于芯片对出射蓝光的后向散射吸收较多，所以相关色温偏低，当距离增加时，芯片对蓝光后向散射吸收较少，从而相关色温增加，由变化速率t3知，相关色温的变化速率是减弱的。

当电流增加时，相关色温随之增加(见图9)，分析知电流增加，荧光粉薄片对蓝光的吸收转换逐渐减弱，从而蓝光溢出的比例增加，使得相关色温随电流增加而增加，由t4的变化趋势以及值的较小可知，变化速率先增加，再逐渐减弱，电流变化200mA时，相关色温仅变化30K左右，而引起人色温感觉变化的差值为50K，所以电流的增加对相关色温的变化影响不大。

图9 电流对相关色温的影响Fig.9 Effect of distance on the correlated color temperature

3.4 应用可行性分析

对比Philips市售LED灯，在LED驱动和芯片相同时，比较封装效果(见表2)，实验参考荧光粉薄片厚度为0.506mm，在功率均为1288mW时，自制LED器件的发光效率为93.32lm/W，占比Philips发光效率112.49lm/W的83%，显色指数为其110%，具有更好的显色性能，相关色温对应于工作需要的冷暖色调需求，不过根据白光标准分类，自制灯相关色温稍需改进，但是通过上述调整电流大小和距离理论上是可改变的，总体来讲基于旋转涂覆法制备的LED荧光粉薄膜是具有应用前景的。

表2 自制可调距离LED器件与市售封装效果比较Table 2 Comparison of the effect of self-made adjustable distance LED device and the commericial divice

4 结论

本文探究了基于旋转涂覆法的LED远程配光器件影响因素，结果发现在小功率LED器件中，YAG-4黄色荧光粉、SB626红色荧光粉质量比为8∶1，膜厚为0.506mm时，发光效率可达106.18lm/W。在功率大于1W时，发光效率可得93.32lm/W，光效随电流的增加以逐渐降低的速率递减。当芯片到荧光粉薄片的距离增加时，显色指数逐渐增加，可达85.2，相关色温以增速减弱的方式可在4809～6690K之间变换，光效随距离增加逐渐降低。当电流改变时，随电流增加，光效逐渐降低，显色指数几乎不变，相关色温增加。各参数在随电流或者距离变化的过程中速率都是降低的，对于实践制备LED远程配光器件，可通过减小芯片到荧光粉薄膜的距离和适当减小电流来增加光效，通过适当增加距离来提升显色指数，通过增大距离和电流来提高相关色温，根据不同的应用场合来调整确定所需参数值，同时注意各参数对LED灯光品质影响的速率。

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