远程荧光粉薄膜浓度和厚度对白光LED性能的影响

李 燕，郑怀文，于 飞，杨 华，李 璟，伊晓燕，王军喜，李晋闽

(1.中国科学院半导体研究所,北京 100083；2.中国科学院半导体照明研发中心，北京 100083；3.中国科学院大学，北京 100049)

引言

近年来，荧光粉转换白光LED(PC-WLED)由于其高能效、长寿命和低成本而发展成为照明应用中的重要照明光源[1-3]。大多数白光LED是通过将LED芯片发出的蓝光与来自黄色荧光粉的黄光混合来产生的[4,5]。增加荧光粉层浓度和厚度可以增加PC-WLED的光通量，提高光效的常见有效方法是使用较厚荧光粉层或较高的荧光粉浓度，并且使用较高的电流来驱动LED以增加光通量[6-8]。荧光粉层的参数(如浓度、厚度、尺寸、封装结构等)对PC-LED性能的影响已有大量报道[9-13]，但对于远程荧光粉薄膜层的浓度和厚度对光学性能和热学性能的影响研究并不多。

本研究的目的是研究荧光粉薄膜的厚度和浓度对光通量、光功率、光效、相关色温(CCT)、色坐标以及温度等的影响，在考虑使用远程荧光粉作为照明封装商用产品时，应综合考虑荧光粉层浓度厚度等因素，以获得高性能的荧光粉转换LED。

1 实验过程

为了研究远程荧光粉薄膜浓度和厚度对LED光学性能与热学性能的影响，制备了不同浓度(10～80 wt%，其中厚度固定为0.2 mm)和不同厚度(0.1～3.1 mm，其中浓度固定为20 wt%)的远程荧光粉膜。称量不同质量的荧光粉(YAG:Ce3+)与硅胶(Dow Corning，A∶B=1∶1)混合并搅拌均匀，放入真空脱泡机以去除搅拌过程中产生的气泡，为了控制远程荧光粉胶的形状，将荧光粉硅胶混合物注入到聚四氟乙烯模具中，最后将制作好的样品放入电热鼓风干燥箱内，120 ℃固化30 min，制成不同厚度和浓度的荧光粉膜。具体工艺流程如图1所示。实验采用的LED为商用蓝光LED芯片，峰值波长为455 nm。在LED/LD上安装铝反射杯，并将制备的远程荧光粉硅胶片粘贴到反光杯上。LED/LD激发远程荧光板的光学性能通过光电分析系统(Everfine)在积分球中测量。用UV-vis分光光度计(TU-1950)获得样品的透射谱和反射谱。使用红外热像仪(Flir T620)测量蓝光激发远程荧光粉片的表面温度。

图1 制备远程荧光粉膜的工艺流程Fig.1 Fabrication process of remote phosphor film

2 结果与讨论

图2(a)和(b)分别对实验所用蓝光LED和荧光粉的性能进行了表征，对于蓝光LED而言，电流从50 mA增加到350 mA，间隔为50 mA，可以看出，在此电流范围内，光功率和电压均随着电流的增加而增加，插图为蓝光LED的电致发光谱。YAG:Ce3+荧光粉的光致发光激发谱(PLE)和光致发光谱(PL)如图2(b)所示，其中PLE由340 nm和450 nm的激发带组成，源自YAG中Ce3+的4f→5d电子跃迁。YAG:Ce3+荧光粉的PL的宽带发射是由于Ce3+的5d→4f跃迁。插图为荧光粉在扫描电镜下的微观形貌，荧光粉颗粒近似视为球体，中值粒径(D50)约15 μm。

为了研究所制备的远程荧光粉膜的发光特性，首先对不同浓度样品的透过率和反射率进行了测试，其中样品厚度固定为0.2 mm，如图3(a)和(b)所示。另外，不同厚度样品的透过率和反射率结果如图3(c)和(d)所示，浓度固定为20 wt%。在透射光谱中观察到450 nm和340 nm处的两个吸收带，其源自YAG中Ce3+的4f→5d电子跃迁。可以看出，0.2 mm厚的远程荧光粉膜的透过率随浓度的增加而降低，主要可归因于荧光粉颗粒对光的多重散射效应；反射率则呈现相反趋势，随着浓度的增加而增加，这是由于更高的浓度可用于实现更大的散射系数，因此有利于获得更强的反射性能[13]。当浓度为20 wt%时，远程荧光粉膜的透过率随厚度的增加而降低，反射率随荧光粉层厚度的增加而增加。

图2 蓝光LED和荧光粉性能表征Fig.2 Performance characterization of blue LED and phosphor

图3 不同浓度远程荧光粉样品的(a)透过率(b)反射率，不同厚度样品的(c)透过率(d)反射率Fig.3 (a) Transmittance (b) reflectance of remote phosphor samples with different concentrations， (c) transmittance (d) reflectance of samples with different thicknesses

图4(a)显示了不同浓度远程荧光粉膜在蓝光LED照射下的光谱分布，随着荧光粉浓度的增加，蓝光峰降低，黄光峰升高。图4(b)显示，在恒定的荧光粉层厚度下由于荧光粉层浓度的增加而导致的光通量随着更高的电流而更大。图4(c)显示了不同厚度荧光粉层在蓝光LED照射下的光谱分布，随着荧光粉层厚度的增加，蓝光峰降低，黄光峰升高。同时在恒定的荧光粉颗粒浓度下由于荧光粉层厚度的增加而导致的流明通量随着更高的电流而更大(见图4(d))。

图4 (a)不同浓度远程荧光粉片的发射光谱;(b)在不同LED驱动电流下不同浓度荧光粉层的总光通量;(c)不同厚度远程荧光粉片的发射光谱;(d)在不同LED驱动电流下不同厚度荧光粉层的总光通量Fig.4 (a) Emission spectra of remote phosphor film with different concentrations; (b) total luminous flux of remote phosphor film with different concentrations under different LED driving currents; (c) emission spectra of remote phosphor film with different thicknesses; (d) total luminous flux of remote phosphor film with different thicknesses under different LED drive currents

尽管光通量随电流的增加而增加，然而随着荧光粉浓度和厚度的增加，光通量在更高的浓度和厚度处减小(见图5)。随着荧光粉膜浓度/厚度增加，更多的荧光粉转换成黄光，光通量增加，但当浓度超过40 wt%时，或者厚度超过0.7 mm时，光通量随浓度/厚度的增加而减少(见图5(a)、(c))，此时蓝光芯片本身在较高电流下并没有观察到光通量降低，因此并不是由于蓝光出现饱和导致，原因可归结为：第一，根据荧光粉的PL谱可以看出，光谱具有一定的宽度，导致荧光粉的吸收谱和发射谱之间发生重叠，进而出现荧光粉自吸收的可能性。第二，随着荧光粉浓度/厚度增加，透过率降低而反射率升高，从而导致流明输出减少。图5(a)和(d)分别显示了380～780 nm范围内不同浓度/厚度荧光粉转换LED的光功率变化，随着浓度和厚度的增加，光功率均逐渐降低。根据光效及墙插效率(WPE)的定义可以得知，光效与光通量变化趋势一致，WPE与光功率的变化趋势一致。

图5 (a)在一定厚度(～0.2 mm)下，不同浓度荧光粉膜在350 mA蓝光LED照射下的光通量，光功率和(b)光效和WPE，(c)在一定浓度(～20 wt%)下，不同厚度荧光粉膜在350 mA蓝光LED照射下的光通量，光功率和(d)光效和WPEFig.5 (a) Under a certain thickness (～0.2 mm), the luminous flux, luminous power and (b) luminous efficiency and WPE of different concentrations of phosphor film under the irradiation of 350 mA blue LED; (c) at a certain concentration (～20 wt%), the luminous flux, luminous power and (d) luminous efficiency and WPE of phosphor film of different thickness under the irradiation of 350 mA blue LED

荧光粉转换LED的颜色特性与荧光粉浓度和厚度的关系如图6所示，随着荧光粉浓度的增加，LED的色温逐渐降低，色坐标从蓝光区域逐渐移动到黄光区域，当浓度为20～30 wt%时接近白光。对于不同的荧光粉膜厚度，色温随着荧光粉厚度的增加而降低，同时色坐标在厚度为0.2 mm和0.3 mm厚度时最接近白光。对于某些需要保持高效工作状态的场合，40 wt%(0.2 mm厚度)和0.7 mm(20 wt%)的荧光粉膜可实现最优的光学性能，而对于需要白光的场合，则需要对光效和色温进行综合考虑。

由于低功率蓝光激发下，温度对荧光粉层的影响并不是很大，为了解不同功率激发下荧光粉层的特性，使用蓝光LD(峰值波长450 nm，光斑长轴1.2 mm，短轴0.35 mm)来充当大功率激发光源。实验中蓝光LED提供的最大功率密度大约为0.108 W/cm2，而蓝光LD提供了约4.547 W/cm2到136.419 W/cm2的激发功率密度，并利用热像仪观察薄膜层的最高温度超过400 ℃ 。

实验可以观察到，随着激光功率的增加，远程荧光粉层的温度逐渐上升，当激光功率增加到一定程度时，温度迅速上升，荧光粉膜烧毁。不同浓度、厚度远程荧光粉膜所承受的激光功率阈值有一定的差别，随着浓度的增加，温度先上升后降低，能承受的功率阈值呈现出先下降后降低的趋势(见图7(a)、(b))。此时能承受的激光功率阈值由荧光粉层发热、热导率共同决定。随着厚度的增加，温度先上升后降低，能承受的功率阈值呈现出先下降后降低的趋势(见图7(c)、(d))。此时能承受的激光功率阈值由荧光粉产热和散热结构共同决定。

图7(a)对于不同浓度远程荧光粉片，温度随蓝光LD功率的变化(照射时间60 s);(b)不同蓝光LD功率下，远程荧光粉片温度随浓度的变化;(c)对于不同厚度远程荧光粉片，温度随不同蓝光LD功率的变化;(d)不同电流下，远程荧光粉片温度随厚度的变化Fig.7 (a) For remote phosphor film with different concentrations, the temperature changes with the blue LD power (irradiation time 60 s); (b) the remote phosphor film temperature changes with the concentration under blue LD excitation; (c) for remote phosphor film with different thicknesses, the temperature changes with different blue LD powers; (d) the temperature of the remote phosphor film with thickness changes under blue LD excitation

3 结论

本文研究了荧光粉薄膜浓度和厚度的影响，发现存在最大的荧光粉层浓度(对于给定的荧光粉厚度)和厚度(对于给定的荧光粉层浓度)，在超过该浓度和厚度之后总光通量不再增加，过量的荧光材料对光的散射以及增加的吸收导致整体光输出降低。在不同功率密度的蓝光激发过程中，可以观察到远程荧光粉层的温度随激发功率、薄膜浓度、薄膜厚度规律变化，薄膜层的最高温度由荧光粉产热、荧光粉层散热结构、荧光粉层热导率共同决定。在实际应用过程中，荧光薄膜的应用需要综合考虑浓度及厚度，以得到最优的光学性能。