遠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，伊曉燕，王軍喜，李晉閩

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

引言

近年來，熒光粉轉換白光LED(PC-WLED)由于其高能效、長壽命和低成本而發展成為照明應用中的重要照明光源[1-3]。大多數白光LED是通過將LED芯片發出的藍光與來自黃色熒光粉的黃光混合來產生的[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動LED以增加光通量[6-8]。熒光粉層的參數(如濃度、厚度、尺寸、封裝結構等)對PC-LED性能的影響已有大量報道[9-13]，但對于遠程熒光粉薄膜層的濃度和厚度對光學性能和熱學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、相關色溫(CCT)、色坐標以及溫度等的影響，在考慮使用遠程熒光粉作為照明封裝商用產品時，應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換LED。

1 實驗過程

為了研究遠程熒光粉薄膜濃度和厚度對LED光學性能與熱學性能的影響，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%)的遠程熒光粉膜。稱量不同質量的熒光粉(YAG:Ce3+)與硅膠(Dow Corning，A∶B=1∶1)混合并攪拌均勻，放入真空脫泡機以去除攪拌過程中產生的氣泡，為了控制遠程熒光粉膠的形狀，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干燥箱內，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。實驗采用的LED為商用藍光LED芯片，峰值波長為455 nm。在LED/LD上安裝鋁反射杯，并將制備的遠程熒光粉硅膠片粘貼到反光杯上。LED/LD激發遠程熒光板的光學性能通過光電分析系統(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)測量藍光激發遠程熒光粉片的表面溫度。

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

2 結果與討論

圖2(a)和(b)分別對實驗所用藍光LED和熒光粉的性能進行了表征，對于藍光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，光功率和電壓均隨著電流的增加而增加，插圖為藍光LED的電致發光譜。YAG:Ce3+熒光粉的光致發光激發譜(PLE)和光致發光譜(PL)如圖2(b)所示，其中PLE由340 nm和450 nm的激發帶組成，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程熒光粉膜的發光特性，首先對不同濃度樣品的透過率和反射率進行了測試，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。可以看出，0.2 mm厚的遠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；反射率則呈現相反趨勢，隨著濃度的增加而增加，這是由于更高的濃度可用于實現更大的散射系數，因此有利于獲得更強的反射性能[13]。當濃度為20 wt%時，遠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)顯示了不同濃度遠程熒光粉膜在藍光LED照射下的光譜分布，隨著熒光粉濃度的增加，藍光峰降低，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光LED照射下的光譜分布，隨著熒光粉層厚度的增加，藍光峰降低，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)不同濃度遠程熒光粉片的發射光譜;(b)在不同LED驅動電流下不同濃度熒光粉層的總光通量;(c)不同厚度遠程熒光粉片的發射光譜;(d)在不同LED驅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，更多的熒光粉轉換成黃光，光通量增加，但當濃度超過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，因此并不是由于藍光出現飽和導致，原因可歸結為：第一，根據熒光粉的PL譜可以看出，光譜具有一定的寬度，導致熒光粉的吸收譜和發射譜之間發生重疊，進而出現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，從而導致流明輸出減少。圖5(a)和(d)分別顯示了380～780 nm范圍內不同濃度/厚度熒光粉轉換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

熒光粉轉換LED的顏色特性與熒光粉濃度和厚度的關系如圖6所示，隨著熒光粉濃度的增加，LED的色溫逐漸降低，色坐標從藍光區域逐漸移動到黃光區域，當濃度為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的場合，40 wt%(0.2 mm厚度)和0.7 mm(20 wt%)的熒光粉膜可實現最優的光學性能，而對于需要白光的場合，則需要對光效和色溫進行綜合考慮。

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

實驗可以觀察到，隨著激光功率的增加，遠程熒光粉層的溫度逐漸上升，當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熱、熱導率共同決定。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熱和散熱結構共同決定。

圖7(a)對于不同濃度遠程熒光粉片，溫度隨藍光LD功率的變化(照射時間60 s);(b)不同藍光LD功率下，遠程熒光粉片溫度隨濃度的變化;(c)對于不同厚度遠程熒光粉片，溫度隨不同藍光LD功率的變化;(d)不同電流下，遠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 結論

本文研究了熒光粉薄膜濃度和厚度的影響，發現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致整體光輸出降低。在不同功率密度的藍光激發過程中，可以觀察到遠程熒光粉層的溫度隨激發功率、薄膜濃度、薄膜厚度規律變化，薄膜層的最高溫度由熒光粉產熱、熒光粉層散熱結構、熒光粉層熱導率共同決定。在實際應用過程中，熒光薄膜的應用需要綜合考慮濃度及厚度，以得到最優的光學性能。