遠(yuǎn)程熒光粉薄膜濃度和厚度對白光LED性能的影響

李 燕，鄭懷文，于 飛，楊 華，李 璟，伊?xí)匝啵踯娤?，李晉閩

(1.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083；2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體照明研發(fā)中心，北京 100083；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

引言

近年來，熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED(PC-WLED)由于其高能效、長壽命和低成本而發(fā)展成為照明應(yīng)用中的重要照明光源[1-3]。大多數(shù)白光LED是通過將LED芯片發(fā)出的藍(lán)光與來自黃色熒光粉的黃光混合來產(chǎn)生的[4,5]。增加熒光粉層濃度和厚度可以增加PC-WLED的光通量，提高光效的常見有效方法是使用較厚熒光粉層或較高的熒光粉濃度，并且使用較高的電流來驅(qū)動LED以增加光通量[6-8]。熒光粉層的參數(shù)(如濃度、厚度、尺寸、封裝結(jié)構(gòu)等)對PC-LED性能的影響已有大量報道[9-13]，但對于遠(yuǎn)程熒光粉薄膜層的濃度和厚度對光學(xué)性能和熱學(xué)性能的影響研究并不多。

本研究的目的是研究熒光粉薄膜的厚度和濃度對光通量、光功率、光效、相關(guān)色溫(CCT)、色坐標(biāo)以及溫度等的影響，在考慮使用遠(yuǎn)程熒光粉作為照明封裝商用產(chǎn)品時，應(yīng)綜合考慮熒光粉層濃度厚度等因素，以獲得高性能的熒光粉轉(zhuǎn)換LED。

1 實(shí)驗(yàn)過程

為了研究遠(yuǎn)程熒光粉薄膜濃度和厚度對LED光學(xué)性能與熱學(xué)性能的影響，制備了不同濃度(10～80 wt%，其中厚度固定為0.2 mm)和不同厚度(0.1～3.1 mm，其中濃度固定為20 wt%)的遠(yuǎn)程熒光粉膜。稱量不同質(zhì)量的熒光粉(YAG:Ce3+)與硅膠(Dow Corning，A∶B=1∶1)混合并攪拌均勻，放入真空脫泡機(jī)以去除攪拌過程中產(chǎn)生的氣泡，為了控制遠(yuǎn)程熒光粉膠的形狀，將熒光粉硅膠混合物注入到聚四氟乙烯模具中，最后將制作好的樣品放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，120 ℃固化30 min，制成不同厚度和濃度的熒光粉膜。具體工藝流程如圖1所示。實(shí)驗(yàn)采用的LED為商用藍(lán)光LED芯片，峰值波長為455 nm。在LED/LD上安裝鋁反射杯，并將制備的遠(yuǎn)程熒光粉硅膠片粘貼到反光杯上。LED/LD激發(fā)遠(yuǎn)程熒光板的光學(xué)性能通過光電分析系統(tǒng)(Everfine)在積分球中測量。用UV-vis分光光度計(TU-1950)獲得樣品的透射譜和反射譜。使用紅外熱像儀(Flir T620)測量藍(lán)光激發(fā)遠(yuǎn)程熒光粉片的表面溫度。

圖1 制備遠(yuǎn)程熒光粉膜的工藝流程Fig.1 Fabrication process of remote phosphor film

2 結(jié)果與討論

圖2(a)和(b)分別對實(shí)驗(yàn)所用藍(lán)光LED和熒光粉的性能進(jìn)行了表征，對于藍(lán)光LED而言，電流從50 mA增加到350 mA，間隔為50 mA，可以看出，在此電流范圍內(nèi)，光功率和電壓均隨著電流的增加而增加，插圖為藍(lán)光LED的電致發(fā)光譜。YAG:Ce3+熒光粉的光致發(fā)光激發(fā)譜(PLE)和光致發(fā)光譜(PL)如圖2(b)所示，其中PLE由340 nm和450 nm的激發(fā)帶組成，源自YAG中Ce3+的4f→5d電子躍遷。YAG:Ce3+熒光粉的PL的寬帶發(fā)射是由于Ce3+的5d→4f躍遷。插圖為熒光粉在掃描電鏡下的微觀形貌，熒光粉顆粒近似視為球體，中值粒徑(D50)約15 μm。

為了研究所制備的遠(yuǎn)程熒光粉膜的發(fā)光特性，首先對不同濃度樣品的透過率和反射率進(jìn)行了測試，其中樣品厚度固定為0.2 mm，如圖3(a)和(b)所示。另外，不同厚度樣品的透過率和反射率結(jié)果如圖3(c)和(d)所示，濃度固定為20 wt%。在透射光譜中觀察到450 nm和340 nm處的兩個吸收帶，其源自YAG中Ce3+的4f→5d電子躍遷?？梢钥闯?，0.2 mm厚的遠(yuǎn)程熒光粉膜的透過率隨濃度的增加而降低，主要可歸因于熒光粉顆粒對光的多重散射效應(yīng)；反射率則呈現(xiàn)相反趨勢，隨著濃度的增加而增加，這是由于更高的濃度可用于實(shí)現(xiàn)更大的散射系數(shù)，因此有利于獲得更強(qiáng)的反射性能[13]。當(dāng)濃度為20 wt%時，遠(yuǎn)程熒光粉膜的透過率隨厚度的增加而降低，反射率隨熒光粉層厚度的增加而增加。

圖2 藍(lán)光LED和熒光粉性能表征Fig.2 Performance characterization of blue LED and phosphor

圖3 不同濃度遠(yuǎn)程熒光粉樣品的(a)透過率(b)反射率，不同厚度樣品的(c)透過率(d)反射率Fig.3 (a) Transmittance (b) reflectance of remote phosphor samples with different concentrations， (c) transmittance (d) reflectance of samples with different thicknesses

圖4(a)顯示了不同濃度遠(yuǎn)程熒光粉膜在藍(lán)光LED照射下的光譜分布，隨著熒光粉濃度的增加，藍(lán)光峰降低，黃光峰升高。圖4(b)顯示，在恒定的熒光粉層厚度下由于熒光粉層濃度的增加而導(dǎo)致的光通量隨著更高的電流而更大。圖4(c)顯示了不同厚度熒光粉層在藍(lán)光LED照射下的光譜分布，隨著熒光粉層厚度的增加，藍(lán)光峰降低，黃光峰升高。同時在恒定的熒光粉顆粒濃度下由于熒光粉層厚度的增加而導(dǎo)致的流明通量隨著更高的電流而更大(見圖4(d))。

圖4 (a)不同濃度遠(yuǎn)程熒光粉片的發(fā)射光譜;(b)在不同LED驅(qū)動電流下不同濃度熒光粉層的總光通量;(c)不同厚度遠(yuǎn)程熒光粉片的發(fā)射光譜;(d)在不同LED驅(qū)動電流下不同厚度熒光粉層的總光通量Fig.4 (a) Emission spectra of remote phosphor film with different concentrations; (b) total luminous flux of remote phosphor film with different concentrations under different LED driving currents; (c) emission spectra of remote phosphor film with different thicknesses; (d) total luminous flux of remote phosphor film with different thicknesses under different LED drive currents

盡管光通量隨電流的增加而增加，然而隨著熒光粉濃度和厚度的增加，光通量在更高的濃度和厚度處減小(見圖5)。隨著熒光粉膜濃度/厚度增加，更多的熒光粉轉(zhuǎn)換成黃光，光通量增加，但當(dāng)濃度超過40 wt%時，或者厚度超過0.7 mm時，光通量隨濃度/厚度的增加而減少(見圖5(a)、(c))，此時藍(lán)光芯片本身在較高電流下并沒有觀察到光通量降低，因此并不是由于藍(lán)光出現(xiàn)飽和導(dǎo)致，原因可歸結(jié)為：第一，根據(jù)熒光粉的PL譜可以看出，光譜具有一定的寬度，導(dǎo)致熒光粉的吸收譜和發(fā)射譜之間發(fā)生重疊，進(jìn)而出現(xiàn)熒光粉自吸收的可能性。第二，隨著熒光粉濃度/厚度增加，透過率降低而反射率升高，從而導(dǎo)致流明輸出減少。圖5(a)和(d)分別顯示了380～780 nm范圍內(nèi)不同濃度/厚度熒光粉轉(zhuǎn)換LED的光功率變化，隨著濃度和厚度的增加，光功率均逐漸降低。根據(jù)光效及墻插效率(WPE)的定義可以得知，光效與光通量變化趨勢一致，WPE與光功率的變化趨勢一致。

圖5 (a)在一定厚度(～0.2 mm)下，不同濃度熒光粉膜在350 mA藍(lán)光LED照射下的光通量，光功率和(b)光效和WPE，(c)在一定濃度(～20 wt%)下，不同厚度熒光粉膜在350 mA藍(lán)光LED照射下的光通量，光功率和(d)光效和WPEFig.5 (a) Under a certain thickness (～0.2 mm), the luminous flux, luminous power and (b) luminous efficiency and WPE of different concentrations of phosphor film under the irradiation of 350 mA blue LED; (c) at a certain concentration (～20 wt%), the luminous flux, luminous power and (d) luminous efficiency and WPE of phosphor film of different thickness under the irradiation of 350 mA blue LED

熒光粉轉(zhuǎn)換LED的顏色特性與熒光粉濃度和厚度的關(guān)系如圖6所示，隨著熒光粉濃度的增加，LED的色溫逐漸降低，色坐標(biāo)從藍(lán)光區(qū)域逐漸移動到黃光區(qū)域，當(dāng)濃度為20～30 wt%時接近白光。對于不同的熒光粉膜厚度，色溫隨著熒光粉厚度的增加而降低，同時色坐標(biāo)在厚度為0.2 mm和0.3 mm厚度時最接近白光。對于某些需要保持高效工作狀態(tài)的場合，40 wt%(0.2 mm厚度)和0.7 mm(20 wt%)的熒光粉膜可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的光學(xué)性能，而對于需要白光的場合，則需要對光效和色溫進(jìn)行綜合考慮。

由于低功率藍(lán)光激發(fā)下，溫度對熒光粉層的影響并不是很大，為了解不同功率激發(fā)下熒光粉層的特性，使用藍(lán)光LD(峰值波長450 nm，光斑長軸1.2 mm，短軸0.35 mm)來充當(dāng)大功率激發(fā)光源。實(shí)驗(yàn)中藍(lán)光LED提供的最大功率密度大約為0.108 W/cm2，而藍(lán)光LD提供了約4.547 W/cm2到136.419 W/cm2的激發(fā)功率密度，并利用熱像儀觀察薄膜層的最高溫度超過400 ℃ 。

實(shí)驗(yàn)可以觀察到，隨著激光功率的增加，遠(yuǎn)程熒光粉層的溫度逐漸上升，當(dāng)激光功率增加到一定程度時，溫度迅速上升，熒光粉膜燒毀。不同濃度、厚度遠(yuǎn)程熒光粉膜所承受的激光功率閾值有一定的差別，隨著濃度的增加，溫度先上升后降低，能承受的功率閾值呈現(xiàn)出先下降后降低的趨勢(見圖7(a)、(b))。此時能承受的激光功率閾值由熒光粉層發(fā)熱、熱導(dǎo)率共同決定。隨著厚度的增加，溫度先上升后降低，能承受的功率閾值呈現(xiàn)出先下降后降低的趨勢(見圖7(c)、(d))。此時能承受的激光功率閾值由熒光粉產(chǎn)熱和散熱結(jié)構(gòu)共同決定。

圖7(a)對于不同濃度遠(yuǎn)程熒光粉片，溫度隨藍(lán)光LD功率的變化(照射時間60 s);(b)不同藍(lán)光LD功率下，遠(yuǎn)程熒光粉片溫度隨濃度的變化;(c)對于不同厚度遠(yuǎn)程熒光粉片，溫度隨不同藍(lán)光LD功率的變化;(d)不同電流下，遠(yuǎn)程熒光粉片溫度隨厚度的變化Fig.7 (a) For remote phosphor film with different concentrations, the temperature changes with the blue LD power (irradiation time 60 s); (b) the remote phosphor film temperature changes with the concentration under blue LD excitation; (c) for remote phosphor film with different thicknesses, the temperature changes with different blue LD powers; (d) the temperature of the remote phosphor film with thickness changes under blue LD excitation

3 結(jié)論

本文研究了熒光粉薄膜濃度和厚度的影響，發(fā)現(xiàn)存在最大的熒光粉層濃度(對于給定的熒光粉厚度)和厚度(對于給定的熒光粉層濃度)，在超過該濃度和厚度之后總光通量不再增加，過量的熒光材料對光的散射以及增加的吸收導(dǎo)致整體光輸出降低。在不同功率密度的藍(lán)光激發(fā)過程中，可以觀察到遠(yuǎn)程熒光粉層的溫度隨激發(fā)功率、薄膜濃度、薄膜厚度規(guī)律變化，薄膜層的最高溫度由熒光粉產(chǎn)熱、熒光粉層散熱結(jié)構(gòu)、熒光粉層熱導(dǎo)率共同決定。在實(shí)際應(yīng)用過程中，熒光薄膜的應(yīng)用需要綜合考慮濃度及厚度，以得到最優(yōu)的光學(xué)性能。