远程荧光LED器件光学性能研究

王雪飞++宁平凡++谢亦翔++轩畅++梁立君

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2017.25.048

摘 要：远程荧光器件实现了芯片与荧光粉层分离，有效缓解了传统封装方法中的散热性差的问题，有良好的应用前景，是当前研究的热点。本文利用静电纺丝工艺将荧光粉均匀分散在PVA溶液喷丝形成的空间网络结构中，研制了LED远程荧光片，制备了远程LED器件。研究了荧光粉配比、静电纺丝过程中的电压及纺丝时间对远程荧光LED器件光学特性的影响。实验表明静电纺丝工艺中电压决定纺丝成功与否，一定的电压范围内聚合物溶液才会喷射细流，纺丝时间和荧光粉配比都对器件的显色指数和相关色温有影响。

关键词：远程荧光器件 静电纺丝 PL谱 显色性 相对色温

中图分类号：TN31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（a）-0048-02

白光LED在固态照明领域有着广泛的应用，与传统照明方式相比有着高效、寿命长、环保等优点，已成为新一代节能照明光源[1]。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，这种传统封装工艺存在一定缺陷。近年来出现了远程荧光粉器件，即将荧光粉单独制作成光转换器件，与蓝色LED芯片分离开来免封装设计的一种器件。远程荧光粉器件能有效缓解传统LED封装中荧光粉直接接触芯片带来的光色散、吸收及散热效果差、可靠性低等一系列问题[2]。

本文采用静电纺丝工艺制备了远程荧光LED器件，研究了静电纺丝制备工艺中电压范围、静电纺丝时间对远程荧光LED器件光学性能的影响。

1 实验

1.1 实验原理

静电纺丝设备由高压直流电源、溶液储存装置、喷丝装置、接收装置这4个部分组成。高压电源在喷丝头和接收装置之间瞬时产生一个电位差，使得聚合物溶液克服自身表面张力和粘弹性力，在喷丝头末端呈现半球状的液滴。随着电场强度的增加，液滴被拉成圆锥状即泰勒锥。当电场强度超过某一临界值后，将克服液滴的表面张力形成射流，在电场中进一步加速，直径减小，拉伸成一直线至一定距离后弯曲，进而循环或者循螺旋形路径行走，伴随溶剂挥发，终落在收集装置上形成纤维[3]。

1.2 实验内容

利用PVA固体配置浓度为8%的聚乙烯醇溶液，分别将YAG：Ce3+黄色荧光粉和Sr2Si5N8：Eu2+红色荧光粉按照不同比例加入到聚乙烯醇溶液，用水浴锅加热并用磁力搅拌器不断搅拌溶液使得荧光粉能快速均匀分散到溶液中，得到的溶液用于静电纺丝。

1.3 影响因素测试

根据荧光粉配比不同分成3组（黄∶红= 5g∶0g，5g∶0.5g，5g∶1g）。将PET作为基底，首先设定针头到接收装置的距离设置为9.5cm，纺丝时间分别为30min、1h、1.5h，利用积分球对相同时间下红配比不同的3组荧光片进行光学测试分析；然后改变纺丝时间，采样间距为0.5h，测试不同厚度下荧光片的光学性能。

2 结果与讨论

2.1 静电纺丝工艺中电压

随着对聚合物溶液施加电压的增加，体系的静电力就会增大，聚合物溶液液滴的分裂能力就会变强所得纤维细丝的直径将会减小。在静电纺丝工艺中，当对PVA溶液施加20～35kV的电压后，聚合物溶液才会克服溶液表面张力从而形成喷射细流，此刻在聚合物溶液喷射过程中随溶剂水的蒸发，聚合物发生固化现象，最后纤维细丝以无序状排列在接收装置上。电压为25kV下的静电纺丝PVA纳米纤维微观形貌图中纤维直径较细且无粘连，表面光滑，分布最均匀，即可得出实验电压的最优参数为25kV。

2.2 远程LED器件的光学性能分析

2.2.1 显色性

显色指数是指在具有合理允许的色适应状态下，被测光源照明物体的心理物理色与参比光源照明同一色样的心理物理色符合程度的度量。通过对比可以看出在纺丝时间相同时随着红色荧光粉的增加显色指数明显增大。纺丝时间0.5h时加入红色荧光粉对显色指数的影响最明显，第三组（黄∶红=5g∶1g）红色荧光粉质量比为17%时显色指数达到了82.8，这样的显色指数完全满足了日常的需要。从图1中可以看出显色指数的增大的原因是红色荧光粉的加入造成了红色波段部分增加，从而增大了显色指数。

2.2.2 相关色温

从表1可以看出纺丝时间长短可以有效地调节器件的相关色温，变化范围可达到16664K到4432K，相对色温变化范围很宽，黄色荧光粉中加入红色荧光粉也能有效的降低器件的相关色温，对比3组（0.5h）、3组（1.5h）样品相关色温下降了9012K。根据这个特点，利用纺丝时间的长短和红色荧光粉的占比來调节灯的相对色温，极大限度满足需求者的要求。但现在商用LED产品普遍相对色温高，而适合人类生存的LED产品应当是暖白色色调的光源。暖白色色调的光源要求相对色温低，所以研制相对色温低LED产品已经成为LED行业的主导方向。

3 结语

本文基于静电纺丝工艺制备了远程荧光片，研究了远程LED器件的光学性能。通过实验表明，掺有荧光粉的8%的PVA溶液在25kV的电压下产生的纤维细丝分布均匀且表面光滑，直径较细，彼此没有粘连。纺丝时间对远程荧光片的厚度有影响，厚度增加降低了远程LED器件的色温，在黄色荧光粉中加入红色荧光粉也可有效地调节LED器件的相关色温，调节范围为13444K至4432K。因此，静电纺丝工艺可以制造合适的荧光片用于调整灯具的发光光谱成分，改善照明质量。

参考文献

[1] 刘虹，陈良惠.我国半导体照明发展战略研究[J].中国工程科学，2011，13（6）：39-43.

[2] 杨森，马燕琼，王惟邈，等.远程荧光LED器件影响因素研究[J].照明工程学报，2014（1）：89-93.

[3] 师奇松，于建香，顾克壮，等.静电纺丝技术及其应用[J].化学世界，2005，45（5）：313-316.endprint