基于遠(yuǎn)程熒光體技術(shù)的LED半導(dǎo)體照明光源研究

LED半導(dǎo)體照明光源主要包括室內(nèi)照明、室外道路照明、景觀照明、特種照明等光源，其中室內(nèi)照明主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樯虡I(yè)照明、工業(yè)照明、政府工程及其他工程，產(chǎn)品主要包括LED球泡燈、LED筒燈、LED吸頂燈和LED面板燈，外形基本和傳統(tǒng)光源相似，產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要圍繞著高光效、更節(jié)能、替代更換傳統(tǒng)光源方便、容易被客戶接受展開。半導(dǎo)體照明隨著應(yīng)用拓展和市場(chǎng)細(xì)分，未來半導(dǎo)體照明光源產(chǎn)品發(fā)展將以功能性照明光源和燈具為主，高可靠、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、舒適性、二次節(jié)能和情景照明的智能控制將成為引領(lǐng)LED照明未來發(fā)展的主流技術(shù)。

一、LED半導(dǎo)體照明光源通常制作方法

LED半導(dǎo)體照明通常是以貼片式白光LED器件作為光源，主要結(jié)構(gòu)為燈體結(jié)構(gòu)件、含A線路板和多顆白光LED器件等元器件的LED光源組件、驅(qū)動(dòng)電源系統(tǒng)、光學(xué)構(gòu)件。以LED筒燈為例，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為圖1所示。

圖1中片式白光LED器件通過在LED藍(lán)光芯片表面涂覆黃色熒光粉膠制備而成，通過藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉合成白光。這種方式制備的白光LED器件的顯色指數(shù)一般低于75，為了增加其顯色指數(shù)需添加其他顏色熒光粉，如紅色或紅色和綠色，因其他顏色熒光粉轉(zhuǎn)換效率很低，所以添加后造成白光LED器件光效大幅下降；且熒光粉直接分布在LED芯片表面，LED芯片工作時(shí)產(chǎn)生的高溫會(huì)導(dǎo)致熒光粉產(chǎn)生熱猝滅；加之各類熒光粉的熱衰減性能不一致，導(dǎo)致白光LED器件工作時(shí)間長后會(huì)發(fā)生色漂移。

為有效改善上述LED半導(dǎo)體照明光源制備技術(shù)中存在的顯色指數(shù)低、色溫漂移、芯片發(fā)熱導(dǎo)致熒光粉性能衰減等缺點(diǎn)，近幾年，業(yè)界眾多廠家致力于開展基于遠(yuǎn)程熒光體激發(fā)技術(shù)的LED半導(dǎo)體照明光源技術(shù)研究。

二、遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源

基于遠(yuǎn)程激發(fā)技術(shù)制備LED半導(dǎo)體照明光源的方法是采用藍(lán)色LED器件或藍(lán)色LED器件與紅色LED器件的混合光源作為半導(dǎo)體照明光源的激發(fā)光源，通過混光室將多顆LED發(fā)出的光混合后，經(jīng)遠(yuǎn)程熒光體轉(zhuǎn)換成白光，獲得具有高顯色指數(shù)、高光效、符合舒適照明要求的白光光源。其中混光室有2種結(jié)構(gòu)：一種是由裝配了激發(fā)光源的PCB線路板、曲面遠(yuǎn)程熒光體直接形成；另一種由裝配了激發(fā)光源的PCB、燈體、曲面或平面遠(yuǎn)程熒光體構(gòu)成?；旃馐医Y(jié)構(gòu)示意見圖2所示，常規(guī)LED白光照明光源與遠(yuǎn)程熒光LED半導(dǎo)體照明光源結(jié)構(gòu)對(duì)比見圖3、圖4所示。

三、遠(yuǎn)程熒光體制備方式

目前，遠(yuǎn)程熒光體制備主要有以下3種方式：

第1種遠(yuǎn)程熒光體制備方式：通過噴涂或涂覆的方式，直接在LED燈具出光面罩或出光基板上形成一層薄薄的熒光粉薄膜，從而形成曲面或平面遠(yuǎn)程熒光體（如圖5所示）。此種方式制備的遠(yuǎn)程熒光體因面罩或基板與和熒光粉薄膜形成了明顯光學(xué)界面，導(dǎo)致光從不同材質(zhì)傳導(dǎo)形成光損。

第2種遠(yuǎn)程熒光體制備方式：先將亞克力粉末或硅膠與熒光粉進(jìn)行混合配制，采用高溫注塑或高溫固化成型的方式制備遠(yuǎn)程熒光體，由此亞克力或硅膠與熒光粉混為一體，并將此一體化遠(yuǎn)程熒光體直接作為LED半導(dǎo)體照明光源的出光面罩（如圖6所示），解決了上述多層介質(zhì)造成的光損問題。但因在制備工藝中，亞克力顆粒的熔點(diǎn)為230～250℃，硅膠固化溫度也需達(dá)到150℃以上，溫度過高對(duì)熒光粉造成損害，導(dǎo)致LED半導(dǎo)體照明光源初始光效不高，且LED照明光源的出光面為黃色，影響燈具的美觀度。

第3種遠(yuǎn)程熒光體制備方式：選用透光率高、玻璃化溫度約為85℃的亞克力材料作為遠(yuǎn)程熒光體的載體，首先將亞克力材料制備成透明基板，同時(shí)將亞克力粉末與熒光粉進(jìn)行混合，再將混合物均勻噴涂在透明亞克力基板上，然后亞克力基板和含熒光粉的亞克力粉末加熱至亞克力玻璃態(tài)，使亞克力基板和含熒光粉的亞克力粉末相互融合形成遠(yuǎn)程熒光體。因亞克力玻璃化轉(zhuǎn)化溫度約為85℃，故整個(gè)遠(yuǎn)程熒光體的制備溫度不高于85℃，遠(yuǎn)低于其他遠(yuǎn)程白光激發(fā)技術(shù)，大大降低了遠(yuǎn)程熒光體制備過程中對(duì)熒光粉的熱破壞，提高了LED半導(dǎo)體照明光源的光效；并消除了第1種遠(yuǎn)程熒光體制備方法中多層介質(zhì)導(dǎo)致的光損問題（如圖7所示），同時(shí)不影響LED照明光源的美觀。

四、遠(yuǎn)程熒光提用熒光粉選用

LED熒光粉材料主要以鋁酸鹽體系（如YAG：Ce3+）、硅酸鹽體系（如SrSiO4：Eu2+）和硫化物體系（如CaS：Eu2+）為主。由于存在YAG材料只能制備高色溫的白光LED、顯色指數(shù)低于80且專利受到限制，硅酸鹽材料的熒光粉品種較少且缺乏紅色熒光粉，以及硫化物熒光粉易潮解化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等諸多問題，加之LED技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，LED半導(dǎo)體照明光源對(duì)熒光粉性能提出了更高要求。

氮化物熒光粉由于激發(fā)和發(fā)射光譜明顯紅移、發(fā)射光譜涵蓋范圍廣、發(fā)光波長可調(diào)、轉(zhuǎn)換效率高、溫度特性優(yōu)異、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于白光LED的應(yīng)用，特別是適合制備暖白色，高顯色性LED有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但成本相對(duì)鋁酸鹽體系、硅酸鹽體系偏高?？梢赃x用以M-Si-N，M-SiO-N，M-Si-Al-N以及M-Si-AlO-N（M=Li，Mg，Ca，Sr，Ba）多元體系為氮化物材料的新型氮化物熒光粉為遠(yuǎn)程熒光體制備用熒光粉，提高遠(yuǎn)程熒光體轉(zhuǎn)換效率；同時(shí)因氮化物熒光粉適應(yīng)大規(guī)模、高效生產(chǎn)，可降低遠(yuǎn)程熒光體的制造成本，從而降低LED半導(dǎo)體照明光源的成本。

五、遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1.遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源衰減小、壽命長

使用白光LED器件的LED半導(dǎo)體照明光源，在白光LED器件中，白光轉(zhuǎn)換是在LED芯片表面完成的。遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源的白光是通過藍(lán)光LED經(jīng)混光室混合后通過遠(yuǎn)離LED芯片表面的遠(yuǎn)程熒光體轉(zhuǎn)換成白光的。因熒光粉的衰減是白光LED光源衰減中最重要的原因之一，而熒光粉的衰減又與熒光粉的溫度有直接關(guān)系，熒光粉溫度越高，衰減越快。LED光源中使用的LED芯片點(diǎn)亮后溫度很高，尤其是大功率芯片，在25℃室溫情況下點(diǎn)亮后P/N結(jié)溫度可達(dá)到70℃以上，因此使用白光LED器件的LED半導(dǎo)體照明光源中熒光粉也常處在70℃以上高溫環(huán)境，熒光粉的衰減較大。而遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源，熒光粉遠(yuǎn)離LED芯片，因此在25℃室溫情況下點(diǎn)亮芯片，盡管芯片的溫度達(dá)到70℃以上，但熒光粉溫度≤35℃，因此熒光粉衰減很小。據(jù)筆者所在公司初步實(shí)驗(yàn)，遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源相對(duì)直接使用白光LED器件光源的初始光效低5%，在3 000h常溫老化后，遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源的衰減相對(duì)直接使用白光LED器件光源的衰減降低18%左右。

2.對(duì)LED器件一致性要求不高、生產(chǎn)便捷

遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源利用基板、混光腔腔體設(shè)計(jì)及遠(yuǎn)程熒光體表面處理等方式形成混光室，使得藍(lán)光LED器件所發(fā)出光混合均勻，因此對(duì)藍(lán)光LED器件一致性要求降低，可降低藍(lán)光LED器件的技術(shù)要求和生產(chǎn)管理難度，從而降低成本。

六、結(jié)語

遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源技術(shù)研究是白光激發(fā)技術(shù)的創(chuàng)新：常規(guī)LED半導(dǎo)體照明光源是通過直接使用白光LED器件獲得白光光源，遠(yuǎn)程熒光體LED半導(dǎo)體照明光源是通過遠(yuǎn)離LED芯片的遠(yuǎn)程熒光體轉(zhuǎn)換藍(lán)色LED光源或藍(lán)色和紅色混合LED光源獲得。

基于遠(yuǎn)程激發(fā)技術(shù)的白光LED光源突破了當(dāng)前常規(guī)的白光LED光源制備方式，LED半導(dǎo)體照明光源的光色均勻性、顯色指數(shù)均大幅提高，舒適度大大增強(qiáng)，光源壽命也大大提高。因此遠(yuǎn)程激發(fā)技術(shù)將成為LED照明光源制備的主流方式，為LED照明進(jìn)入功能性照明起到很好的促進(jìn)作用。

LED半導(dǎo)體照明光源遠(yuǎn)程熒光技術(shù)也可延伸使用到白光LED封裝領(lǐng)域，新型的遠(yuǎn)程熒光封裝技術(shù)能有效地改善目前封裝技術(shù)中存在的出光不均勻、色溫漂移、芯片發(fā)熱導(dǎo)致熒光粉性能衰減等缺點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于板上芯片封裝（chip on board，COB）集成封裝、大功率LED和貼片型LED封裝，是白光LED制造技術(shù)的又一次創(chuàng)新，具有廣闊的市場(chǎng)前景。業(yè)界廠家如深圳英特美光電有限公司、佛山電器照明股份有限公司、國星光電、杭州納晶照明技術(shù)有限公司等均在進(jìn)行遠(yuǎn)程激發(fā)技術(shù)的研究。

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