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荧光粉物理特性对白光LED光输出冷热比的影响

导读: 白光LED(WLED)是新一代固态绿色光源,具有节能环保、小体积、高光效、性能稳定等诸多优点。

1、引言

白光LED(WLED)是新一代固态绿色光源,具有节能环保、小体积、高光效、性能稳定等诸多优点。

目前WLED以PC/MC方式实现白光的路径有三条:1)蓝光LED芯片+黄色荧光粉;2)紫光LED芯片+红+绿+蓝三基色荧光粉;3)蓝光LED芯片+绿光LED芯片+红光LED芯片。实现白光的三种途径中,目前已经实现产业化、最经济实用的途径是蓝光LED芯片涂覆黄色荧光粉,使用该途径的WLED的光效高达250lm/W。随着照明终端产品的市场竞争越来越激烈以及照明灯具的散热环境越来越差,LED光源要具有更好的热的特性才能满足市场的需求。LED光源的热的特性通常采用光输出冷热比表征。WLED的光输出冷热比,即LED光源高温时的光电参数(光通量)与常温时光电参数(光通量)的比值,采用此指标可以验证LED光源热稳定性能的优劣。

在WLED光源中,荧光粉对白光的实现起到至关重要的作用。荧光粉一般为无机发光材料,具有有序排列的晶体结构,其物化性能的稳定性与以下因素有关:材质体系、离散系数、粉胶相容度、粉体形貌。WLED光输出冷热比的影响因素与WLED器件材料有关,荧光材料是前述器件中的关键材料。荧光粉的物理特性(材质体系、离散系数、粉胶相容度、粉体形貌)对WLED光输出冷热比影响的研究未有相关报道,同时解决LED光源热的特性的问题也显得至关重要,因此探讨荧光粉物理特性与WLED光输出冷热比的关系具有实用意义,同时对后续产品设计具有一定的指导作用。

2、实验部分

本文采用SMD 2835的封装形式,蓝光芯片,发射波段在450-455nm,每个LED光源有3颗串联的LED芯片,荧光粉方案由YAG黄色荧光材料、氮化物红色荧光材料和Ga-YAG/LuAG黄绿色荧光材料构成。每组实验只改变黄绿粉的类型而固定胶水用量和另外两种荧光粉含量,并且每个LED光源具有相同的点胶量。黄色、红色和黄绿色3种荧光粉和胶水的配比为黄色∶红色∶黄绿色∶胶水=0.50∶0.15∶1.5∶1,选取5个相同荧光粉配比的样品进行测试,测试条件为脉冲电流100 mA,测试温度点为25℃,50℃,75℃,85℃,95℃,105℃,取光通量的平均值。粉体参数测试设备:粒径采用激光粒度分析仪测试,热淬灭性能、激发发射光谱采用Fluoromax-4测试;颗粒SEM形貌采用扫描电子显微镜测试;封装设备:ASM固晶机,ASM焊线机,真空脱泡机,武藏点胶机。封装成品光电参数测试设备:远方积分球测试仪。

3、结果与讨论

荧光粉一般为无机材料,根据其基质分类,常用的体系有铝酸盐、氮化物/氮氧化物、硅酸盐、氟化物等。图1.1为不同体系荧光粉的热淬灭性能,可以看出几种体系的粉体中铝酸盐的热稳定性最好,氟化物和硅酸盐的热稳定性较差,氮化物的热稳定性比铝酸盐差但优于氟化物和硅酸盐。

图1.1 不同体系荧光粉的热淬灭性能

Fig.1.1 The heat quenching properties of different system fluorescent powder

因此本文以铝酸盐体系作为研究对象。铝酸盐体系的典型代表为YAG,其化学式为Y3Al5O12:Ce,晶体结构属于立方晶系,晶格常数为1.2002nm,YAG的晶体结构如图1.2所示。从晶体结构可以看出,在Y、Al和O组成的空间中存在三种多面体,分别为:十二面体(图1.2a)、八面体(图1.2b)、四面体(图1.2c),其中氧原子的配位数分别为(Y33+)八配位、(Al23+)六配位、(Al33+)四配位。

图1.2YAG的晶体结构示意图

Fig.1.2 The schematic of YAG crystal structure

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