LED燈泡的光熱耦合研究

陳 躍， 鄒 軍， 石明明， 楊 磊， 楊 忠，湯 雄， 徐 慧， 李 超， 陳狄飛

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院，上海 201418；2.浙江億米光電科技有限公司，浙江 嘉興 314100；3.上海厚睦萊電器科技有限公司，上海 201601；4.上海亮威照明科技股份有限公司，上海 200127；5.邵陽市亮美思照明新科技有限公司，湖南 邵陽 422000; 6.杭州士蘭明芯科技有限公司，杭州 310018；7.浙江美科電器有限公司，浙江 紹興 312300)

自從1879年愛迪生發(fā)明電燈以來，照明工程發(fā)展迅速。發(fā)明了高效率藍(lán)光LED芯片的3位科學(xué)家于2014年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎[1]。LED燈泡因長壽命、節(jié)能、環(huán)保、寬色溫、快速啟動等特性在日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用，靈敏多變的形式提高了人們的生活品質(zhì)[2-5]。LED燈泡散發(fā)的光和熱都產(chǎn)生于LED芯片，通過多種封裝材料、接口，傳輸或傳導(dǎo)[6]。透射光的一部分沿著光的傳播轉(zhuǎn)化為熱量，反過來，熱量的積累導(dǎo)致光輸出的降低[7]，是LED系統(tǒng)的影響因素，它直接影響 LED 的壽命、亮度輸出和發(fā)光效率。積累的熱量對LED的可靠性和使用壽命有負(fù)面影響，因此熱管理是封裝和應(yīng)用的關(guān)鍵[8]。

從微觀角度看，發(fā)光是一種輻射躍遷，熱是一種非放射性躍遷。這2個因素相互競爭，相互作用。實際上，LED系統(tǒng)的熱因子和光度因子是緊密聯(lián)系在一起的。然而，現(xiàn)有的研究大多只單獨研究光和熱，忽略了光熱轉(zhuǎn)換的本質(zhì)。只有對LED燈泡內(nèi)的光熱耦合進(jìn)行深入研究才能進(jìn)一步掌握LED光熱轉(zhuǎn)換的特點和規(guī)律。因此，需要對LED器件的光學(xué)和熱學(xué)個性展開耦合研討，并對光致發(fā)光器件的光熱相互作用進(jìn)行深入分析，以提高光熱轉(zhuǎn)換效率。

由于熒光粉與硅膠混合并被覆抹在芯片的表面,導(dǎo)致藍(lán)光發(fā)射效率降低,從而導(dǎo)致LED燈泡的發(fā)光效率降低[9-10]。而目前LED燈泡的光熱耦合研究主要集中在LED芯片和LED熒光粉，因此本文從這兩個方面入手，對目前LED燈泡光熱耦合研究進(jìn)展和研究方法進(jìn)行了評述。

1 LED芯片的光熱耦合

LED 芯片的有源層將電能轉(zhuǎn)化為光能，而大部分的電能都轉(zhuǎn)化為熱量。以白光 LED光源為例，當(dāng)下白光LED燈泡中電轉(zhuǎn)換為光的效率普遍約為40%，但是大部分的電能仍是以熱能的方式流失,熱能經(jīng)過基板散發(fā)到外延器件，利用在外延器件外表流動的空氣散發(fā)熱量[11-12]。LED芯片在經(jīng)過長時間工作后自身會發(fā)熱，而熒光粉以及硅膠緊密貼合在LED芯片的周圍,致使熒光材料受熱從而發(fā)生老化,熒光粉的光衰持續(xù)增強[13]。即隨著時間的推移LED芯片光熱耦合關(guān)系越發(fā)清晰，同時芯片本身產(chǎn)生的熱量不能及時流失,縮短了芯片的使用壽命,進(jìn)而縮短了LED的應(yīng)用壽命[14-15]。早在2005年，Narendran等[16]驗證了LED燈泡的應(yīng)用時間隨著 LED芯片節(jié)點溫度的逐步增加表現(xiàn)為逐漸下降。人們對LED燈泡的封裝和散熱狀況也展開了大量的研討[17-23]，利用了多組 LED 燈泡封裝模塊進(jìn)行了可靠性實驗探究,在室溫不變的情況下，讓設(shè)計LED燈泡進(jìn)行長時間的運行并隨時檢測LED的光衰[17]，文獻(xiàn)[18]中還對LED 燈泡的多種故障原因進(jìn)行了研究。隨著LED燈泡照明的逐漸產(chǎn)量化、規(guī)?；?，以Hui等[24]為代表所提出的LED燈泡的光-電-熱理論較為綜合和全面，很多研究人員深入研究了LED光-熱領(lǐng)域內(nèi)互相作用的耦合關(guān)系，并獲得了一些較為成熟的耦合模型[25]。其模型示意圖，如圖1所示。

圖1 LED系統(tǒng)熱模型[25]

楊華[26]詳細(xì)論述了溫度在LED芯片光效方面的作用:當(dāng)LED工作溫度提高時，LED藍(lán)光芯片的發(fā)射波長紅波逐漸增多，藍(lán)光芯片所激發(fā)的波長與被熒光粉所激發(fā)波長二者不再匹配，從而LED燈泡的發(fā)光效率會逐漸降低。此外，導(dǎo)致LED藍(lán)光芯片的發(fā)光效率降低的另一個原因是，隨著LED藍(lán)光芯片的工作溫度逐步升高，藍(lán)光芯片的輻射重疊率會明顯下降。對于一個芯片，其光通量可表示為φ=EP電，而且，由LED燈泡中芯片的電功率與溫度的關(guān)系可知，電功率會隨著溫度的升高而降低。由文獻(xiàn)[26-29]研討結(jié)果能夠看出,當(dāng)正向的電流I恒定時,發(fā)光效率會隨著溫度表現(xiàn)出近似線性的遞減，表現(xiàn)為LED藍(lán)光芯片所產(chǎn)生的光通量與工作溫度的關(guān)系為反比關(guān)系，如圖2所示。

圖2 LED芯片的發(fā)光效率隨溫度的變化曲線[26]

而且還進(jìn)一步探討出,當(dāng)電流I不變時,光效E與LED芯片結(jié)溫Tj表現(xiàn)出近似線性遞減的關(guān)系,如圖3所示。

圖3 LED芯片光效與結(jié)溫關(guān)系[27]

隨著LED芯片結(jié)溫的升高,LED燈泡的光效將隨之下降。正向電流不變化時光效與LED芯片結(jié)溫的關(guān)系可表示為

E=E0[1+ke(Tj-T0)]

式中：ke為光效隨溫度的變化率，ke<0；Tj為LED芯片的結(jié)溫；T0為結(jié)溫25 ℃；E0為LED藍(lán)光芯片結(jié)溫25 ℃時匹配的固定光效。

根據(jù)圖2研究結(jié)果，該研究得出了藍(lán)光芯片光熱耦合關(guān)系如下所示：

E=76.11-0.189T+0.002×T2-

1.742×10-5T3

二者耦合的相關(guān)系數(shù)為 0.999 67。式中E為LED藍(lán)光芯片發(fā)光的效率；T為LED燈泡的工作溫度。

田傳軍等[30]也對溫度LED芯片的光功率之間的耦合關(guān)系進(jìn)行了深入研究，如圖4所示。

圖4 LED芯片的光通量隨溫度的變化曲線[30]

圖4表明了溫度與光功率二者之間的關(guān)系,闡明了隨著溫度的逐步升高,LED光功率表現(xiàn)為逐漸下降。LED燈泡的光功率與熱功率相加可等于LED燈泡的電功率，可以論述為

P熱=P電-P光

LED燈泡中的電能轉(zhuǎn)換為光能的效率η[26],其定義可以表示為LED燈泡的輸出光功率與輸入電功率二者之比,一般可以描述為:η=P光/P電。在電流不變的狀況下,不斷改變LED燈泡的工作溫度,能夠觀察到LED在不同工作溫度下的電能轉(zhuǎn)化為光能的效率為η，如圖5所示。

圖5 電光轉(zhuǎn)換效率隨溫度的變化曲線[26]

由圖5可見，在電流穩(wěn)定的狀態(tài)下,LED燈泡的電光轉(zhuǎn)換效率η與工作溫度表現(xiàn)為反比例關(guān)系。由于P光=ηP電，隨著溫度的增加，η在下降，P電也在下降，因而LED燈泡的光功率有著逐步降低的趨向。

2 LED燈泡中熒光粉的光熱耦合

目前LED燈泡的生產(chǎn)中所用到的熒光粉是光致發(fā)光原理,在這種材料光致發(fā)光的過程中常常發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化有2種，即輻射躍遷和非輻射躍遷。輻射躍遷是電子從高能級向較低能級躍遷時，釋放一定的能量，伴隨著放出光子輻射。而非輻射躍遷是指在許多過程中,原子或分子中的電子由較高能級躍遷至低能級并不發(fā)出電磁輻射。二者的關(guān)系相互競爭,而且在發(fā)光和發(fā)熱二者之間是相互耦合的,因此有必要進(jìn)一步對LED 燈泡的熒光粉的光熱耦合關(guān)系做深入分析[31-32]。Yan 等[33]指出，熒光粉溫度是影響LED壽命和功能的要害要素。首次發(fā)現(xiàn)發(fā)光材料的最高溫度可達(dá) 315.9 ℃，導(dǎo)致熒光粉淬滅，甚至發(fā)生硅氧烷碳化。熒光粉溫度過高會引起局部應(yīng)力，材料性能下降。熱猝滅效應(yīng)導(dǎo)致熒光粉量子轉(zhuǎn)換效率降低，發(fā)光效率降低[34]，即熒光粉內(nèi)存在光熱耦合關(guān)系。Hu等[35]對庫貝爾卡-芒克理論進(jìn)行了修正，考慮了摻雜硅膠的熒光體在LED燈泡工作過程中的光與熱轉(zhuǎn)換過程。根據(jù)目前LED 燈泡熒光粉中顆粒元素的光散射原理,進(jìn)一步研究得到熒光粉的光致發(fā)熱過程,創(chuàng)立了LED 燈泡熒光粉的光熱耦合模型,模型表示如下：

對于熒光粉薄層，經(jīng)過研究可以將光能量分布表示為：

ηcon[EB(z)+FB(z)]

ηcon[EB(z)+FB(z)]

經(jīng)過計算可以得到藍(lán)光與黃光的邊界條件為：

基于此,可以得到光能量的分布,LED 燈泡中熒光粉光致發(fā)熱與入侵深度z的關(guān)系可以表達(dá)為

Qphos(z)=(1-ηcon)aB[EB(z)+FB(z)]+

aY[EY(z)+FY(z)]

于是基于LED 燈泡中單層及多層熒光粉光散射模型建立了熒光粉的光-熱耦合模型,得到了熒光粉光致發(fā)熱與入侵深度z的函數(shù)關(guān)系Qphos(z),如下列公式所示：

Qphos(z)=2(1-ηcon)aB[Aeaz+Be-az]+

圖6 熒光層中入侵深度z的前向散射和后向散射函數(shù)[27]

如圖 6所示，藍(lán)光和黃光的后向散射光能f(z)可以表示為FB(z)和FY(z)[27]。藍(lán)光和黃光前向散射光能量E(z)可表示為EB(z)和EY(z)。z表示入侵深度，E0表示入侵能量。

由圖6可見，隨著入射光深度的逐步加深，熒光體的產(chǎn)熱量顯著減少。這種現(xiàn)象意味著侵入深度越小產(chǎn)生的熱量越多，侵入深度越大產(chǎn)生的熱量越少。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是熒光粉層離芯片較近(入侵深度較小)，會有較多的光被散射、吸收和轉(zhuǎn)換。他們還分析了熒光粉參數(shù)(厚度、粒度、濃度、反轉(zhuǎn)效率等)對其影響[27]。圖7也能夠發(fā)現(xiàn)，熒光體的熱產(chǎn)生隨著量子效率的增加而減少。也就是說，其吸收了較多的藍(lán)光從而變成黃光導(dǎo)致熱量減少。LED燈泡熒光粉濃度和厚度二者對歸一化的熒光粉光致發(fā)熱的影響，如圖7所示。

圖7 熒光粉發(fā)熱量隨濃度、厚度的變化曲線[32]

在該論述的計算中,熒光粉的濃度從0.05 g/cm3增加到1.0 g/cm3，厚度從0.1 mm 增加到0.3 mm。從圖7可見，由于光照而產(chǎn)生的熱量會隨著熒光粉厚度或濃度的提高而逐步提高。而且當(dāng)LED燈泡中熒光粉濃度在很低的水平時,熒光粉濃度對由光照而轉(zhuǎn)化成熱量的效率的影響很大;但是當(dāng)熒光粉層的濃度過大時,對其影響系數(shù)就會降低。從該研究中還可以看出，決定LED燈泡中熒光粉量大小的最關(guān)鍵的2個因素就是熒光粉本身的濃度和厚度。也可以明確得出LED 燈泡中的熒光粉自身量越大,會有越多的光轉(zhuǎn)化為熱量[36]。

LED 燈泡中熒光粉顆粒尺寸和轉(zhuǎn)化效率對歸一化的熒光粉光致發(fā)熱的影響，如圖8所示。

圖8 熒光粉發(fā)熱量隨顆粒尺寸、轉(zhuǎn)化效率的變化曲線[32]

由圖8可見，隨著LED轉(zhuǎn)化效率的逐步增加,熒光粉中由于光照產(chǎn)生的熱量會相應(yīng)的減少,隨著LED燈泡中熒光粉的顆粒尺寸逐步變大，熒光粉由光照產(chǎn)生的熱量，會先出現(xiàn)一個最大值，然后再逐步減小。這個出現(xiàn)的最大值所對應(yīng)的便是臨界尺寸。出現(xiàn)這種狀況的原因是散射系數(shù)會隨著其顆粒尺寸的變化而變化。隨著LED 燈泡中熒光粉中顆粒的增大，導(dǎo)致晶體在不同方向的物理化學(xué)特性的差異會明顯增加;而隨著LED 燈泡中熒光粉顆粒逐漸減小,熒光粉的散射光照強度在不同角度上的衰減則比較平緩。當(dāng)其尺寸很小時,發(fā)熱量也會減小。當(dāng)熒光粉的顆粒尺寸逐步臨近臨界尺寸時，會導(dǎo)致LED 燈泡發(fā)熱量增加。當(dāng)LED 燈泡中熒光粉顆粒尺寸>臨界尺寸時，大部分入射光都會發(fā)生于電子入射方向，散射角<90°的散射,導(dǎo)致散射事件的產(chǎn)生概率降低,所以轉(zhuǎn)化的熱量又減少了。如圖9所示。

除此之外，文獻(xiàn)[32]中還首次發(fā)現(xiàn)LED 燈泡封裝中“熱點轉(zhuǎn)移”現(xiàn)象并給出解釋，探討了降低熒光粉溫度的方法。

此外，在前人研究基礎(chǔ)上，Ye等[37]建立了一個電-熱-光-色綜合模型(electrothermal light-color，EeTeLeC)，用于預(yù)測在原位溫度熱管理下的光學(xué)性能。還可用于分析熒光粉厚度和顆粒密度變化引起的熱性能和光質(zhì)量變化。該模型是基于成熟的電熱(electro-thermal，EeT)模型以及熱釋光(thermoluminescence，TeLeC)模型，綜合考慮了特定芯片和熒光粉的光譜、色度、光通量、色溫和顯色指數(shù)隨工作溫度、熒光粉顆粒密度和熒光粉層厚度的變化等重要參數(shù)的影響，得到的綜合動態(tài)模擬方法，如圖10所示。

經(jīng)過實驗論證，結(jié)果表明,隨著亮度的變動，熒光粉的溫度升高，從70 ℃升高到99 ℃。這些熒光粉(直接熒光粉和多發(fā)光二極管封裝)可以直接將熱量從芯片傳導(dǎo)到熒光粉，因此可以獲得相對恒定的熒光粉溫度。偏磷光體樣品的溫度從 70 ℃ 上升到 99 ℃，基本呈線性增長。根據(jù)芯片溫度和熒光粉溫度，計算了光通量?？偟膩碚f，光通量隨著高溫區(qū)的增加而增加，也就是說，更多的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生更多的光通量。

3 結(jié)果與討論

LED燈泡作為第四代光源已經(jīng)被國內(nèi)外市場普遍性接受，而要進(jìn)一步做到LED燈泡的高效高可靠就不得不考慮LED燈泡的光熱耦合效應(yīng)，具體研究內(nèi)容如下：

LED芯片光熱耦合方面,明確了隨著時間推移LED芯片光熱耦合關(guān)系也越發(fā)明顯,同時LED芯片熱量不能及時流失,縮短了LED的使用壽命。而Hui等[24]所提出的LED的光電熱理論所需求的參數(shù)較多且較難獲取。此外,LED燈泡的控制對象往往是正向電流,所以該研究應(yīng)用完成仍然有多種不便因素。因此，接下來重點應(yīng)研發(fā)散熱性能更好的新型LED芯片，這對于提高LED燈泡高可靠性具有重要意義。

LED熒光粉的光熱耦合研究，根據(jù)修正的庫貝卡爾-芒克理論計算了熒光粉的光致發(fā)熱，但研究僅限于宏觀層面，并沒有光學(xué)和熱學(xué)相互滲透到熒光粉的光致發(fā)光和發(fā)熱過程中。此外，也缺乏對熒光粉的微觀能量轉(zhuǎn)換的研究。因此，從微觀角度量子水平研究熒光材料，是深入分析與研究熒光體的光致發(fā)光和熱發(fā)酵的主要研究方向。然而，這種將LED系統(tǒng)中電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和顯色行為聯(lián)系起來的理論主要集中在探討如何提高LED顯色設(shè)計上，盡管多方面考慮了對LED顯色的影響，但也并沒有在給定的熱設(shè)計條件下獲得最大的光通量提高LED顯色的效果。這種光-電-熱-色綜合理論模型主要集中在如何提高LED的顯色上設(shè)計上，卻忽略了熒光粉的溫度，并沒有研究熱與光之間的強耦合關(guān)系。

4 結(jié) 語

從LED燈泡中的芯片與熒光粉兩個方面入手，探討了關(guān)于LED燈泡內(nèi)光熱耦合的研究歷程及其最新研究成果。探討了當(dāng)前LED燈泡光熱耦合中LED芯片的光-熱耦合、LED熒光粉光-電-熱耦合以及修正的庫貝爾卡-芒克理論等多種光熱耦合理論與模型的研究進(jìn)展，并且對研究方法進(jìn)行評述，明確了建立完善的LED光熱強耦合模型是研究LED光熱耦合從而提高發(fā)光效率的重要研究手段。