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远程荧光LED器件影响因素研究

2014-04-09马燕琼王惟邈刁永富王跃川

照明工程学报 2014年1期
关键词:荧光粉白光色温

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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