基于旋轉(zhuǎn)涂覆法的LED遠(yuǎn)程配光器件研究

馬建設(shè)，代振華，劉 彤

(清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055)

引言

隨著半導(dǎo)體材料在藍(lán)光芯片領(lǐng)域的突破，以大功率發(fā)光二極管為光源的半導(dǎo)體照明技術(shù)[1-3]孕育著照明產(chǎn)業(yè)革命。半導(dǎo)體電致發(fā)光特性使LED的發(fā)光效率高，顯色性好，安全可靠，色彩豐富和易于維護(hù)[4]，再加上其節(jié)能、環(huán)保、體積小、壽命長等特點(diǎn)，使得LED燈成為繼白熾燈、熒光燈、金鹵燈后的新一代光源。LED封裝經(jīng)歷了引腳式封裝[5]、四引腳食人魚式封裝和表面貼片封裝技術(shù)。1998年，Lumileds公司研發(fā)出Luxeon支架式封裝[6]，之后，Cree公司提出溶液蒸發(fā)法，電子科技大學(xué)的饒海波等人利用粉漿法和紫外固化膠實(shí)現(xiàn)芯片級的保形涂覆[7]。但芯片較高的溫度容易使與其接觸的熒光粉膠老化，距離太近的熒光粉受激發(fā)出的光易被芯片吸收，使得芯片的發(fā)光效率降低[8]。Rensselaer理工學(xué)院E.F.Schubert等人發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離熒光粉層可降低后向散射到芯片的幾率，提高流明效率。中山大學(xué)王剛等人研究表明，遠(yuǎn)離式封裝可降低熒光粉層的溫度，改進(jìn)激發(fā)效率[9]。遠(yuǎn)程封裝技術(shù)正在興起，國外Intematix公司已經(jīng)開始運(yùn)用，做成產(chǎn)品，正嘗試著開啟中國市場，國內(nèi)起步比較晚，又由于國外技術(shù)上的封鎖，在相關(guān)文獻(xiàn)方面描述不夠詳細(xì)，國內(nèi)關(guān)于這方面的研究較少，還處于摸索階段。一般研發(fā)的遠(yuǎn)程配光器件光效較低，不高于80lm/W，本文針對旋轉(zhuǎn)涂覆方法制備的熒光粉膠薄片,自制連續(xù)可調(diào)芯片與薄片距離測試器件,距離信息可直接讀取，厚度在0.506mm的薄膜，在不同電流下分析遠(yuǎn)程配光器件發(fā)光效率、顯色指數(shù)、相關(guān)色溫的變化規(guī)律，在電流為150mA時，改變芯片與熒光粉薄片的距離，分析對上述參數(shù)的影響，并設(shè)立變化速率系列參數(shù)t，對粗調(diào)微調(diào)LED燈重要參數(shù)具有指導(dǎo)意義，此外設(shè)立的變距和讀數(shù)方式對LED遠(yuǎn)程配光器件的研發(fā)可提供借鑒意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)所用材料和器材

深圳格亮光電有限公司銷售的YAG-4黃色熒光粉、SB626紅色熒光粉，杭州五會港膠粘劑有限公司的1:1環(huán)氧AB膠，直徑為25mm、厚度為1.25mm的石英玻璃基片，北京金鑫微納科技有限公司的SC-1B型勻膠臺，杭州遠(yuǎn)方光電信息股份有限公司型號為WY+HAAS2000_V1_UBS的積分球。此外還有電子秤、螺旋測微儀、平板加熱器、熒光粉膠薄膜品質(zhì)檢測用燈具等。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 熒光粉膠薄膜制備

準(zhǔn)確稱量0.2gYAG-4黃色熒光粉放入燒杯，然后加入0.025g紅色熒光粉，1gA膠，用玻璃棒攪拌10min，加入1gB膠，再用玻璃棒攪拌15min。然后將熒光粉膠倒入注射器中，真空脫泡。

啟動勻膠臺，設(shè)置2檔轉(zhuǎn)速，500r/min速度下8s，在5500r/min下保持15s，用鑷子取玻璃基片放置在吸盤上，開啟真空泵，吸住基片，將熒光粉膠注入適量于基片上，啟動吸盤旋轉(zhuǎn)。將旋轉(zhuǎn)后帶有熒光粉膠的基片放置在墊有吸水紙的平板加熱器上加熱30min，然后再將加熱后的基片放置在真空吸盤上，在表面再次注入熒光粉膠。通過變化熒光粉膠加熱和旋涂的次數(shù)來控制熒光粉膠薄膜的厚度。使之為一梯度，本次采用厚度為0.506mm的薄片來研究LED遠(yuǎn)程配光器件。

2.2.2 連續(xù)可調(diào)芯片與熒光粉薄片距離器件測試原理

選用市場上所銷售LED燈驅(qū)動，然后自制連續(xù)可調(diào)芯片與薄片距離測試器件用于檢測熒光粉薄膜的品質(zhì)和器件的影響因素，如圖1為測試器件結(jié)構(gòu)圖。圖中主軸凹槽口放置制備好的熒光粉薄片，絕緣導(dǎo)熱墊片、芯片模組通過螺釘連接，固定在插桿上，在主軸孔內(nèi)移動以改變芯片至熒光粉薄片的距離，內(nèi)六角頂絲將插桿固定。在插桿中切割寬度為5mm的平面，其上放置標(biāo)尺貼，如圖2所示，這樣在插桿移動后可以很方便的讀出距離。在絕緣導(dǎo)熱墊片和插桿上都開有一小孔，從芯片模組下方的電極引腳接出正負(fù)極連接到激勵電流上，從而可以改變電流大小。檢測不同電流下LED燈的發(fā)光效率、顯色指數(shù)、相關(guān)色溫。

圖1 連續(xù)可調(diào)芯片與熒光粉薄片距離測試器件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Continuously adjustable chip and phosphor sheet distance test fevice structure diagram

圖2 LED燈測試示意圖Fig.2 LED lamp test schematic diagram

3 數(shù)據(jù)處理以及結(jié)果分析

3.1 發(fā)光效率

LED發(fā)光效率是光通量與輸入功率的比值，不同顏色的光引起的人眼的視見函數(shù)值不同，在波長555nm處有最大值，當(dāng)功率一定時，過長或過短的波長的光視見函數(shù)值降低，使得引起人視覺的光通量降低。在小電流時，變化電流值，測出LED燈的光效，如圖3所示，當(dāng)電流由10mA增加到50mA時，發(fā)光效率先增加后降低，最高時達(dá)106.18lm/W,此時電流為24mA，能替換大部分小功率應(yīng)用。根據(jù)光譜視見函數(shù)的不同可知，在較小電流時，功率低，隨著電流增加，轉(zhuǎn)換成高視見函數(shù)的光子數(shù)增加，從而光效增加，當(dāng)電流相對較大時，轉(zhuǎn)換為視見函數(shù)低的紅光的光子數(shù)增加，如此變化，可以找出光效最高點(diǎn)。

對于大于1W的功率時的情況，如表1所示。在電流較高時，電壓以較小幅度上升，LED燈功率增加，此時構(gòu)成大功率LED燈，測得相應(yīng)的功率和發(fā)光效率。根據(jù)發(fā)光效率隨電流的變化作圖，如圖4所示，電流為150mA時，發(fā)光效率為93.32lm/W，此時功率為1288mW。能較好的滿足各應(yīng)用場合。為了分析光效衰減的情況，設(shè)立參數(shù)t，表達(dá)式為

圖3 小電流時LED燈發(fā)光效率隨電流變化圖Fig.3 The LED lamp luminous efficiency at low current with the current change map

其中η2為在電流為I2時的發(fā)光效率，η1為在電流為I1時的發(fā)光效率。參數(shù)t用來表示隨著電流的增加，也即功率的增加，發(fā)光效率的衰減情況，由圖4中t的變化曲線可知，發(fā)光效率的衰減隨著功率的增加是逐漸減弱的。

表1 LED電流變化時對應(yīng)電壓和功率值Table 1 The correspanding voltage and power value when the LED current changes

圖4 較高電流時發(fā)光效率隨電流變化示意圖Fig.4 High current with the current change diagram of luminous efficiency

圖5 距離變化對發(fā)光效率的影響Fig.5 Effect of distance variation on lumious efficiency

當(dāng)改變芯片至熒光粉薄片的距離時，隨著距離增加，發(fā)光效率逐漸降低，分析得知，隨著距離的增加，增加了光子在LED器件內(nèi)壁和熒光粉薄片內(nèi)的散射，從而增加了消耗，由t1代表的變化率可知，光效的衰減速率隨距離的增加是邊際遞減的。

3.2 顯色指數(shù)

光源決定被照物體顏色感覺的性質(zhì)為顯色性，即還原物體本來顏色的能力，光發(fā)射的光譜內(nèi)容決定光源的光色，當(dāng)光源光譜中很少或者缺乏物體在基準(zhǔn)光源下所反射的主波時，會使顏色產(chǎn)生明顯的色差，色差程度越大，光源對該色的顯色性越差，顯色指數(shù)為目前定義光源顯色性評價的普遍方法。白熾燈的顯色指數(shù)定義為100，被視為理想的基準(zhǔn)光源。

圖6 顯色指數(shù)隨距離變化的情況Fig.6 The color rendering index changes with the distance

如圖6所示，當(dāng)芯片至熒光粉薄片的距離增加時，顯色指數(shù)值逐漸增加，顯色效果變好，分析得知，距離的增加，將加強(qiáng)光子在芯片與薄片間的散射次數(shù)，散射的增加將改善光譜的均勻性，提高LED器件的顯色能力，在距離為1.5mm時，顯色指數(shù)為82.0，在距離為19.0mm時，為85.2。由t2值代表的顯色指數(shù)隨距離的變化率可知，這種變化速率是逐漸降低的。

圖7 顯色指數(shù)隨電流變化情況Fig.7 The color rendering index with the change of current

當(dāng)電流逐漸增加時，LED器件光源顯色指數(shù)變化不明顯，分析可知，電流增加導(dǎo)致光輻射功率的增加，只是增加了光強(qiáng)度，對光譜的成分影響不大，對顯色性能的提高不具有很強(qiáng)的參考性。

3.3 相關(guān)色溫

顯色指數(shù)用來分析光源還原物體本來顏色的能力，而相關(guān)色溫則是指與具有相同亮度刺激時，顏色最相似黑體輻射體的溫度。相關(guān)色溫是用來描述光源的顏色特性，用K氏溫度表示。

圖8 距離對相關(guān)色溫的影響Fig.8 Effect of distance on the correlated color temperature

當(dāng)距離增加時，相關(guān)色溫逐漸增高(見圖8)，分析知當(dāng)短波長光偏多時，光譜色偏藍(lán)、偏冷，相關(guān)色溫較高，距離較近時，由于芯片對出射藍(lán)光的后向散射吸收較多，所以相關(guān)色溫偏低，當(dāng)距離增加時，芯片對藍(lán)光后向散射吸收較少，從而相關(guān)色溫增加，由變化速率t3知，相關(guān)色溫的變化速率是減弱的。

當(dāng)電流增加時，相關(guān)色溫隨之增加(見圖9)，分析知電流增加，熒光粉薄片對藍(lán)光的吸收轉(zhuǎn)換逐漸減弱，從而藍(lán)光溢出的比例增加，使得相關(guān)色溫隨電流增加而增加，由t4的變化趨勢以及值的較小可知，變化速率先增加，再逐漸減弱，電流變化200mA時，相關(guān)色溫僅變化30K左右，而引起人色溫感覺變化的差值為50K，所以電流的增加對相關(guān)色溫的變化影響不大。

圖9 電流對相關(guān)色溫的影響Fig.9 Effect of distance on the correlated color temperature

3.4 應(yīng)用可行性分析

對比Philips市售LED燈，在LED驅(qū)動和芯片相同時，比較封裝效果(見表2)，實(shí)驗(yàn)參考熒光粉薄片厚度為0.506mm，在功率均為1288mW時，自制LED器件的發(fā)光效率為93.32lm/W，占比Philips發(fā)光效率112.49lm/W的83%，顯色指數(shù)為其110%，具有更好的顯色性能，相關(guān)色溫對應(yīng)于工作需要的冷暖色調(diào)需求，不過根據(jù)白光標(biāo)準(zhǔn)分類，自制燈相關(guān)色溫稍需改進(jìn)，但是通過上述調(diào)整電流大小和距離理論上是可改變的，總體來講基于旋轉(zhuǎn)涂覆法制備的LED熒光粉薄膜是具有應(yīng)用前景的。

表2 自制可調(diào)距離LED器件與市售封裝效果比較Table 2 Comparison of the effect of self-made adjustable distance LED device and the commericial divice

4 結(jié)論

本文探究了基于旋轉(zhuǎn)涂覆法的LED遠(yuǎn)程配光器件影響因素，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在小功率LED器件中，YAG-4黃色熒光粉、SB626紅色熒光粉質(zhì)量比為8∶1，膜厚為0.506mm時，發(fā)光效率可達(dá)106.18lm/W。在功率大于1W時，發(fā)光效率可得93.32lm/W，光效隨電流的增加以逐漸降低的速率遞減。當(dāng)芯片到熒光粉薄片的距離增加時，顯色指數(shù)逐漸增加，可達(dá)85.2，相關(guān)色溫以增速減弱的方式可在4809～6690K之間變換，光效隨距離增加逐漸降低。當(dāng)電流改變時，隨電流增加，光效逐漸降低，顯色指數(shù)幾乎不變，相關(guān)色溫增加。各參數(shù)在隨電流或者距離變化的過程中速率都是降低的，對于實(shí)踐制備LED遠(yuǎn)程配光器件，可通過減小芯片到熒光粉薄膜的距離和適當(dāng)減小電流來增加光效，通過適當(dāng)增加距離來提升顯色指數(shù)，通過增大距離和電流來提高相關(guān)色溫，根據(jù)不同的應(yīng)用場合來調(diào)整確定所需參數(shù)值，同時注意各參數(shù)對LED燈光品質(zhì)影響的速率。

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