远程荧光LED器件影响因素研究

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
【摘要】Remote phosphor LED is a promising technical solution for the heat dissipation in LED devices . In this paper , the phosphor conversion layer is prepared by UV curing of resin mixture composed of red and yellow phosphor .A simple white LED demo device is fabricated with this phosphor conversion layer to study the influences of composition of the phosphor layer , the distance between the chip and phosphor layer and the input electric current on the performance of the white LED device .It is found that the composition of phosphor layer does affect the color rendering index and color temperature , but the distance between the chip and the phosphor conversion layer and input electric current have little influence on optical property . In this paper , the blinding light from the LED chip is also eliminated with light scattering agent .The results of this work could be a reference for structure design of new white LED devices .%远程荧光技术是传统LED封装散热不良问题的解决方法之一。

本文用红色和黄色荧光粉以及光固化树脂，通过光固化方式制备了荧光转换膜，并制备了简单的远程白光LED器件，研究了荧光粉组成、芯片与荧光转换膜的距离及输入电流对远程白光LED器件光学特性的影响，实验结果表明，荧光粉的组成比例对显色指数，色温等都有影响，而荧光转换膜与芯片的距离以及输入电流对器件的光学特性影响不大。

本实验还通过添加光扩散剂解决了白光LED芯片发光刺眼问题。

研究结果可为新型白光LED的结构设计提供参考。

【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】5页(P89-93)
【关键词】远程荧光;白光LED;光扩散剂;荧光粉;输入电流
【作者】杨森;马燕琼;王惟邈;刁永富;王跃川;刘刚;王宇
【作者单位】四川大学高分子科学与工程学院，四川成都 610065;四川大学高分子科学与工程学院，四川成都 610065;四川大学高分子科学与工程学院，四川成都 610065;四川大学高分子科学与工程学院，四川成都 610065;四川大学高分子科学与工程学院，四川成都 610065;四川桑瑞光辉标识系统股份有限公司，四川成都 610065;四川桑瑞光辉标识系统股份有限公司，四川成都 610065
【正文语种】中文
【中图分类】TM923
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 compositionLAM-R-6237-C,
w%02.105.787.829.0313.94主波长(nm)483.1485.5493.6554.1576.1582.6峰
值波长(nm)465.0465.0465.0465.0465.0595.0R9-2826343119
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红色荧光粉质量比(%)显色指数色温(K)蓝色比(%)色坐标x发光效率(lm/W)未加扩散剂
7.828373208.70.3068.533加入扩散剂7.8285.154606.60.3338.330
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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