展陳空間智能控制用熒光玻璃制備及光學(xué)性能測試研究

任睿

摘 要：針對傳統(tǒng)LED封裝材料導(dǎo)熱性能較差問題，提出一種用于LED封裝的熒光玻璃制備方法。試驗對熒光玻璃的制備條件進(jìn)行優(yōu)化，然后對熒光玻璃的光學(xué)性能和應(yīng)用性能進(jìn)行研究。結(jié)果表明：在LuAG：Ce 熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，CASN：Eu2+熒光粉摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%， LuAG：Ce熒光玻璃厚度為1.0 mm的條件下制備的復(fù)合熒光玻璃光學(xué)性能最佳。此時，熒光玻璃的透過率約為70%，溫度從室溫上升至473 K 時，熒光玻璃熒光強度降低至室溫（298 K）時的 79.6%，發(fā)光光效為 90.65l m/W，色溫為 3 289 K，顯色指數(shù)為91.6，表現(xiàn)出良好的透過性、熱穩(wěn)定性和光電性能。將復(fù)合熒光玻璃用于大功率COB器件的封裝，可封裝成大功率COB器件；通過對CASN：Eu2+熒光粉摻雜濃度和熒光玻璃厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)LED色度，對白光LED光電性能進(jìn)行有針對性的改善。

關(guān)鍵詞：展陳空間；LED封裝材料；封固膠封裝；熒光玻璃；光學(xué)性能

中圖分類號：TQ577.13；TQ171.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0188-04

Preparation and application of fluorescent glass for intelligent control of lighting in exhibition space

REN Rui1，2

（1.Jiangsu Suhao Aitao Cultural Industry Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China；2.Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu China）

Abstract：A fluorescent glass preparation method for LED packaging is proposed to address the issues of poor thermal conductivity of traditional LED packaging materials.The experiment first optimized the preparation conditions of fluorescent glass，and then studied the optical and application properties of fluorescent glass.The experimental results showed that the composite fluorescent glass prepared under the conditions of LuAG： Ce fluorescent powder concentration of 8%，CASN： Eu2+fluorescent powder doping concentration of 20%，and LuAG：Ce fluorescent glass thickness of 1.0 mm had the best optical performance.At this point，the transmittance of the fluorescent glass was about 70%.When the temperature rised from room temperature to 473 K，the fluorescence intensity of the fluorescent glass decreased to 79.6% at room temperature （298 K），with a luminous efficiency of 90.65lm/W，a color temperature of 3 289 K，and a color rendering index of 91.6.It exhibited good transmittance，thermal stability，and optoelectronic properties.The composite fluorescent glass was used for packaging high-power COB devices，and the large-sized composite fluorescent glass sheet could be packaged into high-power COB devices.By adjusting the concentration of CASN： Eu2+ phosphor doping and the thickness of the fluorescent glass，the LED chromaticity could be adjusted，and the photoelectric performance of white light LEDs could be targeted and improved，which could be applied in the field of high-power LEDs.

Key words：exhibition space;LED packaging material;sealing packaging;fluorescent glass;photoelectric properties

隨著現(xiàn)代LED 照明的飛速發(fā)展，白光 LED 光源因其獨特的優(yōu)勢將成為替代傳統(tǒng)光源的新一代綠色照明光源。但傳統(tǒng)LED封裝材料自身導(dǎo)熱性能較差，長時間使用會發(fā)生老化發(fā)黃，使得LED器件出現(xiàn)光效衰減和壽命縮短的問題，限制了LED器件的應(yīng)用。對LED封裝材料性能進(jìn)行優(yōu)化對LED器件的發(fā)展有重要意義。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如提出將無壓燒結(jié)納米銀膏作為芯片固晶材料，應(yīng)用于大功率發(fā)光二極管封裝。試驗結(jié)果表明，納米銀膏作為芯片固晶材料可為大功率發(fā)光二極管提供良好的散熱通道，降低芯片結(jié)溫并提高器件可靠性[1]。合成了一種耐熱老化性能良好的線型甲基苯基含氫聚硅氧烷材料用于LED封裝[2]。制備了一種綜合性能良好的高折射率乙烯基苯基硅油[3]。制備了一種高透明、高折光率LED封裝苯基硅樹脂[4]?；诖耍驹囼炓晕墨I(xiàn)[5]的方法為參考，制備了一種用于LED的熒光玻璃，并通過封固膠對其進(jìn)行封裝后，分析其光電性能。

1 試驗部分

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：二氧化碲（TeO2）（AR），盛特新材料；氧化鈉（Na2O）（AR），輝騰化工；氧化鋅（ZnO）（AR）， 海順新材料；氧化硼（B2O3）（AR），興恒業(yè)科技；LuAG：Ce熒光粉（標(biāo)準(zhǔn)品），新力光源 ；CASN：Eu2+紅色熒光粉（標(biāo)準(zhǔn)品），威彩翔實業(yè)；環(huán)氧樹脂膠（AR），樂燊泰新材料。

主要設(shè)備：F8-9000型熒光光譜儀，海卓爾光電科技；CH600-190-XV型X射線衍射儀，文天精策儀器；AC-3型能譜儀，方圓環(huán)?？萍?；Cary 5000 型光度計，安捷倫科技； LD-X800型快速光譜儀，巴斯德儀器；YB-1600XA型馬弗爐，彬谷科技；GD80-120型真空脫泡機，高登自動化科技；101-A型電熱烘箱，華莎干燥設(shè)備。

1.2 試驗方法

1.2.1 熒光玻璃的制備

（1）根據(jù)表1配制玻璃原料組分，將0.05 mol/g玻璃原料和一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的LuAG：Ce熒光粉，研磨混合后倒入馬弗爐剛玉坩堝中；

（2）將剛玉坩置于馬弗爐中進(jìn)行恒溫熔融，熔融溫度和時間分別為600 ℃和30 min；

（3）將熔融后的玻璃液迅速倒入預(yù)熱后的馬弗爐鑄鐵模上進(jìn)行恒溫退火，退火溫度和時間分別為250 ℃和2 h。退火結(jié)束后，關(guān)閉馬弗爐，使溫度慢慢降至室溫狀態(tài)，得到透明熒光玻璃，經(jīng)過研磨拋光后，得到一定厚度的熒光玻璃片。

1.2.2 復(fù)合熒光玻璃制備

（1）將一定量 CASN：Eu2+紅色熒光粉放入容器中，攪拌后真空脫泡5 min；

（2）在涂覆平臺上固定熒光玻璃片，然后通過控制轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和膠量在熒光玻璃片表面涂覆一層紅色熒光薄膜，置于電熱烘箱內(nèi)烘干，烘干溫度和時間分別為80 ℃和20 min，提升烘箱溫度至150 ℃后，繼續(xù)烘烤20 min，得到復(fù)合熒光玻璃；

（3）將熒光玻璃高分子材料進(jìn)行LED封裝，封裝采用市售的環(huán)氧樹脂封固膠。

1.3 性能測試

1.3.1 熒光光譜分析

通過F8-9000型熒光光譜儀對熒光體材料在不同波長處熒光強度的分布情況。

1.3.2 XRD分析

通過CH600-190-XV型X射線衍射儀分析樣品的物相結(jié)構(gòu)，表征材料的晶體結(jié)構(gòu)變化。

1.3.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

通過掃描電鏡分析熒光玻璃中熒光粉晶粒的分布、大小。

1.3.4 EDS 分析

通過AC-3型能譜儀對熒光玻璃內(nèi)元素的分布進(jìn)行表征。

1.3.5 透過率分析

通過光度計對熒光玻璃的透過率進(jìn)行分析。

透過率表達(dá)式為[6-7]：

T=δ／δ0（1）

式中：T為透過率，%；δ為透過光通量；δ0為總透過光通量。

1.3.6 白光 LED 光電參數(shù)分析

通過 LD-X800型快速光譜儀對封固膠封裝的白光 LED 光電參數(shù)進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 熒光光譜分析

圖1為熒光光譜分析結(jié)果。

從圖1可以看出，在 455 nm 藍(lán)光激發(fā)條件下，存在中心波長約為 520 nm 的Ce3+：5d→4f 寬發(fā)射帶；在 520 nm監(jiān)測波長的發(fā)射下，存在以350、455 nm為中心波長的典型Ce3+：4f→5d 的寬帶躍遷[8-9]。 從圖1還可以觀察到，熒光玻璃中熒光粉濃度越大，其熒光強度也越大。為了使熒光玻璃具備較強的熒光強度，因此在后續(xù)試驗中，選擇適合的 LuAG：Ce 熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%。值得注意的是，由于基質(zhì)玻璃對短波長光存在強吸收作用，因此熒光玻璃在 350 nm 處的激發(fā)峰強度明顯弱于YAG：Ce 熒光粉[10]。

2.2 XRD分析

圖2為XRD分析結(jié)果。

從圖2可觀察到，2條XRD曲線均存在與標(biāo)準(zhǔn) LuAG：Ce 圖形相對應(yīng)的晶相結(jié)構(gòu)。較LuAG：Ce 熒光粉的XRD曲線，熒光玻璃存在屬于基質(zhì)玻璃特性的非晶態(tài)駝峰。除此之外，2種XRD曲線上并未出現(xiàn)其他雜相。以上變化說明了碲酸鹽基質(zhì)玻璃中成功摻入了 LuAG：Ce 熒光粉，且并不破壞材料原有的晶格結(jié)構(gòu)[11-14]。

2.3 透過率分析

以基質(zhì)玻璃為對比，對制備的熒光玻璃光透過率進(jìn)行分析（2種玻璃厚度均為1.0 mm），結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，在600～700 nm波段內(nèi)，2種玻璃樣品的透過率均在70%左右，光學(xué)透過率良好。還從圖3觀察到，熒光玻璃的透過率曲線在455 nm左右明顯下降。出現(xiàn)這個變化的主要原因在于，熒光玻璃內(nèi)的Ce3+對該波段位置的光具備較強的吸收作用[15]。

2.4 熱穩(wěn)定性分析

熱穩(wěn)定性能是評估白光 LED 器件可靠性的重要參數(shù)，直接影響白光 LED 的發(fā)光效率、色品質(zhì)以及期間的使用壽命[16-17]。以LuAG 熒光硅膠為對照，通過發(fā)光強度隨溫度升高的變化情況衡量熒光材料的熱穩(wěn)定性能，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，2種熒光材料的熒光發(fā)射強度均隨溫度升高而降低，但LuAG 熒光硅膠的降速更快。當(dāng)溫度上升至473 K 時，熒光玻璃熒光強度降低至室溫（298 K）時的 79.6%，LuAG 熒光硅膠降低至室溫時的 72.3%，這說明本試驗制備的熒光玻璃表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性[18]。出現(xiàn)這個變化的主要原因，熒光玻璃熱導(dǎo)率明顯高于熒光硅膠的熱導(dǎo)率，因此可以快速將芯片產(chǎn)生的熱量傳遞出來，使其具備更高的熱穩(wěn)定性[19-20]。

2.5 復(fù)合熒光玻璃光電參數(shù)影響因素

2.5.1 CASN：Eu2+熒光粉濃度的影響

將復(fù)合熒光玻璃片用封固膠封裝成白光LED，并通過電致發(fā)光光譜進(jìn)行測試，結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，添加了CASN：Eu2+熒光粉的復(fù)合熒光玻璃較純熒光玻璃光譜，向著長波長的方向發(fā)生紅移，且熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，紅光波段強度越高。出現(xiàn)這個變化的主要原因在于，藍(lán)光光源激發(fā)條件相同時，CASN：Eu2+熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大，則體系內(nèi)Eu2+的含量越高，被藍(lán)光和綠光激發(fā)出的紅光越多，紅光波段的強度越高。

2.5.2 熒光玻璃厚度的影響

圖6為電致發(fā)光光譜測試結(jié)果。

從圖6可觀察到，隨熒光玻璃厚度的增加，綠光波段強度增加明顯，而紅色波段強度幾乎不發(fā)生改變。出現(xiàn)該變化的主要原因，熒光玻璃厚度越大，在一定程度上會增強藍(lán)光對綠色熒光粉的激發(fā)，但對藍(lán)光激發(fā)紅色熒光粉有削弱作用。

2.5.3 發(fā)光實物圖

為了滿足商業(yè)白光 LED 的照明需求，要求白光 LED 的色坐標(biāo)落在黑體輻射線上。根據(jù)發(fā)光實物圖進(jìn)一步對光電參數(shù)影響因素進(jìn)行優(yōu)化，并對不同條件制備的復(fù)合熒光玻璃封裝的光電參數(shù)進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，最佳的 CASN：Eu2+熒光粉摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 LuAG：Ce 熒光玻璃厚度分別為 20%、1.0 mm。將該條件制備的復(fù)合熒光玻璃封裝成的白光LED，對其光數(shù)進(jìn)行測試，其發(fā)光光效為90.65l m/W，色溫為3 289 K，顯色指數(shù)為91.6。結(jié)合“2.5.1、2.5.2”的結(jié)果可知，通過對CASN：Eu2+熒光粉摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)和熒光玻璃厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，可調(diào)節(jié)LED色度，對白光LED光電性能進(jìn)行有針對性的改善。

3 結(jié)語

本試驗制備的復(fù)合熒光玻璃封裝的白光LED表現(xiàn)出良好的光電效果，可以在大功率 LED 領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

（1）在LuAG：Ce 熒光粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的條件下，熒光玻璃表現(xiàn)出良好的熒光效果；

（2）XRD和微觀形貌分析結(jié)果表明，基質(zhì)玻璃中成功摻入了 LuAG：Ce 熒光粉，且并不破壞LuAG：Ce熒光粉和基質(zhì)玻璃原有的晶格結(jié)構(gòu)，不會影響其光學(xué)性能；

（3）在600～700 nm波段內(nèi)，熒光玻璃的透過率約為70%，表現(xiàn)出良好的光學(xué)透過性能；

（4）熒光玻璃熒光發(fā)射強度隨溫度升高而降低。當(dāng)溫度上升至473 K 時，熒光玻璃熒光強度降低至室溫（298 K）時的 79.6%，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，有望替代傳統(tǒng)硅膠封裝材料提高 LED 器件的可靠性；

（5）CASN：Eu2+熒光粉摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)和 LuAG：Ce 熒光玻璃厚度分別為20%、1.0 mm時，制備的復(fù)合熒光玻璃發(fā)光光效為 90.65l m/W，色溫為 3 289 K，顯色指數(shù)為 91.6；

（6）最佳條件制備的復(fù)合熒光玻璃可實現(xiàn)大功率 COB 器件的封裝，可以在大功率 LED 領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

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收稿日期：2023-01-29；修回日期：2023-05-28

作者簡介：任 睿（1976-），男，高級工程師，研究方向：文化場館展陳智能研究；E-mail：8332182@qq.com。

引文格式：任 睿.展陳空間智能控制用熒光玻璃高分子材料制備及應(yīng)用[J].粘接，2023，50（6）：188-191.