一種基于空封技術(shù)新穎白光數(shù)碼管的研究

摘 要: 利用對不同波長藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉膜條件下制備的空封白光數(shù)碼管與傳統(tǒng)工藝白光數(shù)碼管進行的測試實驗，分析了在相同實驗環(huán)境下，兩種工藝制備的白光數(shù)碼管光通量與光效存在差異的原因及一些必要的改進措施;通過對顯色指數(shù)與色溫測試值的比較，得出藍光芯片主波長對上述2個參數(shù)的影響。從實驗中得到的對光性能的測試數(shù)據(jù)，可以得出研制基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管的市場可行性。關(guān)鍵詞:空封; 折射系數(shù); 增透膜; 白光LED

中圖分類號:TN919-34文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)22-0163-03

Research of New White Light Digitron Based on Empty Envelope Technology

SHENG Li-jun， HU Wei-fang

(Shaoxing Vocational Technology College， Shaoxing 312000， China)

Abstract: With the testing experiment of the empty envelope white light digitron prepared under the condition of excitating the yellow fluorescent powder using the different wavelengths of blue light chips and the tradition white light digitron， the different reasons of luminous flux and efficiency of two white light digitrons prepared by two kinds of technologies， and some necessary improvement measure are analyzed under the same testing environment. By comparison of color radix and color temperature testing， the influence of the main wavelengths of blue chip on the mensioned two parameters was obtained. the marketing feasibility of the white light digitron based on the empty envelope technology can be achieved by the tested data acquired in the experiment.

Keywords: empty envelope; refraction coefficient; anti-reflection film; white light LED

0 引 言

影響照明領(lǐng)域?qū)Π坠鈹?shù)碼管的光電性能主要體現(xiàn)在發(fā)光效率、發(fā)光通量、色溫、顯色指數(shù)等參數(shù)上[1-3]。目前以單粒LED屏幕技術(shù)來說，與國外先進水平差距不大，差距最大的是外延方面[4]，主要反映在光學(xué)性能上，如InGaAIP外延片制成的芯片，國外最高達到200~300 mcd/20 mA，而國內(nèi)僅100~200 mcd/20 mA。InGaN藍光芯片的數(shù)據(jù)也相差近1倍。提高白光數(shù)碼管光電性能在外延材料方面有待新技術(shù)的研發(fā)，另一方面需改進國內(nèi)現(xiàn)有的數(shù)碼管封裝技術(shù)。

在此通過制備利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管[5]的測試，討論和分析該技術(shù)研制的數(shù)碼管在發(fā)光效率、發(fā)光通量及顯色指數(shù)等光電性能上的參數(shù)。并與傳統(tǒng)封裝技術(shù)[6-8]制備的白光數(shù)碼管在發(fā)光效率、發(fā)光通量及顯色指數(shù)等參數(shù)進行比較，在討論該2種封裝技術(shù)的性價比后，得出利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管的市場可行性。

1 實驗方法

在數(shù)碼管基板上固金藍光芯片(主波長為460~462.5 nm)，然后在數(shù)碼管套件上壓蓋黃色熒光粉膜，封裝成白光數(shù)碼管。同樣，使用環(huán)氧樹脂與黃色熒光粉混合，然后涂抹在GaN/InGaN藍光芯片上(主波長為467.50~470.00 nm)，最后用透明環(huán)氧樹脂封裝成白光數(shù)碼管。環(huán)氧樹脂與熒光粉的質(zhì)量混合比例為20∶3。各取不同封裝工藝的白光數(shù)碼管10只，使用杭州中為光電技術(shù)有限公司設(shè)備型號為WL-628LED LED光色電綜合測試系統(tǒng)對封裝好的白光數(shù)碼管的光通量、光效及顯色指數(shù)等光學(xué)性能進行檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 外量子效率和理論分析

表1，表2為2種不同工藝下研制的白光數(shù)碼管單點LED光通量與光效參數(shù)值。

結(jié)果表明，在相同條件下，新工藝的光通量基本上是舊工藝技術(shù)的一半，而光效也是舊工藝技術(shù)的2/3左右，究其原因在于，傳統(tǒng)工藝利用環(huán)氧樹脂的較大的折射系數(shù)，增大了光線輸出的折射角度，如圖1所示，而新工藝由于直接利用空氣進行光的折射，光透過黃粉膜的折射角度相應(yīng)就變小，如圖2所示。

表1 加環(huán)氧樹脂的白光數(shù)碼管在常溫下測試得到的光通量與光效值

#1#2#3#4#5

光通量Φ /lm0.0620.0600.0500.0570.062

光效 /(lm/W)0.970.920.780.890.96

#6#7#8#9#10

光通量Φ/lm0.0610.0590.0640.0670.062

光效 /(lm/W)0.870.930.880.830.86

表2 利用空封技術(shù)備制的白光數(shù)碼管在常溫下測試得到的光通量與光效值

#1#2#3#4#5

光通量Φ /lm0.0370.0350.0360.0400.038

光效 /(lm/W)0.610.570.600.610.58

#6#7#8#9#10

光通量Φ /lm0.0360.0360.0380.0370.036

光效 /(lm/W)0.530.570.600.620.64

數(shù)碼管發(fā)光效率與發(fā)光通量的高低取決于數(shù)碼管光子逸出率的多少。式(1)表示數(shù)碼管產(chǎn)生的光子逸出到空氣中的比率。

Uout=(逸出到空氣中的光子數(shù)/PN結(jié)產(chǎn)生的光子數(shù))

×100%(1)

圖1 InGaN芯片與環(huán)氧樹脂材料光線輸出

圖2 空封表面層通過空氣介質(zhì)光線輸出

根據(jù)光學(xué)原理，增透介質(zhì)的折射系數(shù)定義為:

n=n1n2(2)

式中:n1與n2為2種不同材料的折射系數(shù);n為2種材料折合后的折射系數(shù)。

在傳統(tǒng)封裝數(shù)碼管使用的InGaN芯片其折射系數(shù)n2為2.3，環(huán)氧樹脂折射系數(shù)n1為1.5。根據(jù)式(2)得出:

n=1.5×2.3=1.86(3)

由折射定律，可得:

n1sin θ1=n2sin θ2(4)

從式(4)知，當θ2=90°時的θ1稱為入射臨界的半角用θc表示，即:

θc=arcsin(n2/n1)(5)

式中:n1為數(shù)碼管內(nèi)部材料的折射系數(shù)，n2為空氣的折射系數(shù)。根據(jù)式(3)和式(5)得出利用環(huán)氧樹脂封裝的白光數(shù)碼管入射臨界半角為:

θc=arcsin(1.0/1.86)(6)

從式(6)可知，θc的值為32.5°，即數(shù)碼管光子入射到空氣時，超過32.5°就不能發(fā)射到空氣中。

根據(jù)空封技術(shù)制作的白光數(shù)碼管，由于藍光芯片發(fā)出的光直接激打在黃色熒光粉膜上，中間沒有通過折射率的轉(zhuǎn)換，根據(jù)式(2)，式(5)可以得出，空封技術(shù)制備的白光數(shù)碼管θc的值為23.1°，入射到空氣中的角度低于傳統(tǒng)工藝。所以利用空封技術(shù)備制的白光數(shù)碼管在光通量及光效方面比傳統(tǒng)工藝的白光數(shù)碼管要略微欠缺，這也是課題研究的一個需要改進的方面，改進的方案是在原有貼膜基礎(chǔ)上增加一層光增透膜，以增加光的出射率。

2.2 顯色性能與理論分析

在此使用的WL-628LED LED光色電綜合測試系統(tǒng)對2種工藝制備的白光數(shù)碼管各給出的10個試驗色，對10個試驗色進行測試比對。表3，表4為2種不同工藝下研制的白光數(shù)碼管單點LED的顯色指數(shù)與色溫參數(shù)值。

表3 加環(huán)氧樹脂的白光數(shù)碼管在常溫下測試得到的顯色指數(shù)與色溫

#1#2#3#4#5

Ra78.778.278.278.478.8

Tc /K6 3616 1996 2036 2286 395

#6#7#8#9#10

Ra78.478.278.778.478.5

Tc /K6 2216 1836 3756 2316 255

表4 利用空封技術(shù)備制的白光數(shù)碼管在常溫下測試得到的顯色指數(shù)與色溫

#1#2#3#4#5

Ra76.876.676.476.476.8

Tc /K5 8595 6935 5825 5905 859

#6#7#8#9#10

Ra76.776.676.676.576.8

Tc /K5 7325 6925 6735 5945 867

根據(jù)1965年CIE[9]制定的，1974年修訂[10]的“測色法”，在參照光源下和待測光源下各試驗色的色差ΔEi，特殊顯色指數(shù)由下列公式確定:

Ri=100-4.6ΔEi(7)

式中ΔEi為照明光源由標準光源D換成待測光源時，試驗色i在CIE1960年UCS色品圖上所引起的色差值。

在照明光源的研究和應(yīng)用測試中，常使用的顯色指數(shù)Ra為平均顯色指數(shù):

Ra=100-Δa (8)

Δa=18∑8i=1ΔEi(9)

式中:Δa為#1~#8號試驗色的Δi的平均值。

由式(8)，式(9)可以得出，2種工藝制備的白光數(shù)碼管在相同工作環(huán)境下的顯色指數(shù)分別為78.5與76.6，結(jié)果表明，不同波長的藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉得到的白光顯示指數(shù)與色溫存在一定的影響。利用空封技術(shù)備制的白光數(shù)碼管在顯色指數(shù)與色溫上略低于傳統(tǒng)工藝備制的白光數(shù)碼管。

3 結(jié) 語

兩種類型的白光數(shù)碼管在研制的工藝上存在差異。在同樣工作環(huán)境下，通過對比光通量、光效、顯色指數(shù)與色溫等參數(shù)，分析上述參數(shù)存在差異的原因，得出利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管的市場可行性。新研制的白光數(shù)碼管在光性能上存在一定的不足，有改進的需要。但由于在制備過程中，少了環(huán)氧樹脂封膠的環(huán)節(jié)，使新工藝研制的白光數(shù)碼管符合國家節(jié)能減排的要求，所以利用空封技術(shù)研制的白光數(shù)碼管在以后的數(shù)碼管發(fā)展過程中有很大的潛力。

參考文獻

[1]郝海濤，周禾豐.白光LED藍光轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光特性研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2007，27(2):240-243.

[2]BERGH Arpad，CRAFORD George，Duggal Anil，et a1. The promise and challenge of solid-state lighting[J]. Physics Today，2001，54(13):42-45.

[3]劉如熹，石景仁.白光發(fā)光二極管用釔鋁石榴石螢光粉配方與機制研究[J].中國稀土學(xué)報，2002，20(6):495-498.

[4]劉行仁，薛勝薜，黃德森，等.白光LED現(xiàn)狀和問題[J].光源與照明，2003(9):4-8.

[5]孔寶根.基于空封技術(shù)的白光數(shù)碼管實現(xiàn)方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33(12)，173-175，178.

[6]朱學(xué)繪，范廣涵，何安和.SiO2-YAG:Ce3+玻璃熒光體的制備及其白光LED的封裝[J].華南師范大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(1):62-66.

[7]張右銜，劉正毓.發(fā)光二極體的封裝技術(shù)[J].科學(xué)發(fā)展，2009(5):12-17.

[8]馬建良.發(fā)光二極管封裝技術(shù)進展[J].光電技術(shù)，2004(2):90-97.

[9]CIE. CIE13-2-1965 Method of measuring and specifying co-lor rendering properties of light sources[S]. Paris: CIE， 1965.

[10]CIE. CIE13-2-1974 Method of measuring and specifying color rendering properties of light sources[S]. 2nd ed. Paris: CIE， 1974.