论文部分内容阅读
LED半导体照明光源主要包括室内照明、室外道路照明、景观照明、特种照明等光源，其中室内照明主要应用领域为商业照明、工业照明、政府工程及其他工程，产品主要包括LED球泡灯、LED筒灯、LED吸顶灯和LED面板灯，外形基本和传统光源相似，产品设计主要围绕着高光效、更节能、替代更换传统光源方便、容易被客户接受展开。半导体照明随着应用拓展和市场细分，未来半导体照明光源产品发展将以功能性照明光源和灯具为主，高可靠、标准化、模块化、舒适性、二次节能和情景照明的智能控制将成为引领LED照明未来发展的主流技术。
一、LED半导体照明光源通常制作方法
LED半导体照明通常是以贴片式白光LED器件作为光源，主要结构为灯体结构件、含A线路板和多颗白光LED器件等元器件的LED光源组件、驱动电源系统、光学构件。以LED筒灯为例，产品结构为图1所示。
图1中片式白光LED器件通过在LED蓝光芯片表面涂覆黄色荧光粉胶制备而成，通过蓝光LED芯片激发黄色熒光粉合成白光。这种方式制备的白光LED器件的显色指数一般低于75，为了增加其显色指数需添加其他颜色荧光粉，如红色或红色和绿色，因其他颜色荧光粉转换效率很低，所以添加后造成白光LED器件光效大幅下降；且荧光粉直接分布在LED芯片表面，LED芯片工作时产生的高温会导致荧光粉产生热猝灭；加之各类荧光粉的热衰减性能不一致，导致白光LED器件工作时间长后会发生色漂移。
为有效改善上述LED半导体照明光源制备技术中存在的显色指数低、色温漂移、芯片发热导致荧光粉性能衰减等缺点，近几年，业界众多厂家致力于开展基于远程荧光体激发技术的LED半导体照明光源技术研究。
二、远程荧光体LED半导体照明光源
基于远程激发技术制备LED半导体照明光源的方法是采用蓝色LED器件或蓝色LED器件与红色LED器件的混合光源作为半导体照明光源的激发光源，通过混光室将多颗LED发出的光混合后，经远程荧光体转换成白光，获得具有高显色指数、高光效、符合舒适照明要求的白光光源。其中混光室有2种结构：一种是由装配了激发光源的PCB线路板、曲面远程荧光体直接形成；另一种由装配了激发光源的PCB、灯体、曲面或平面远程荧光体构成。混光室结构示意见图2所示，常规LED白光照明光源与远程荧光LED半导体照明光源结构对比见图3、图4所示。
三、远程荧光体制备方式
目前，远程荧光体制备主要有以下3种方式：
第1种远程荧光体制备方式：通过喷涂或涂覆的方式，直接在LED灯具出光面罩或出光基板上形成一层薄薄的荧光粉薄膜，从而形成曲面或平面远程荧光体（如图5所示）。此种方式制备的远程荧光体因面罩或基板与和荧光粉薄膜形成了明显光学界面，导致光从不同材质传导形成光损。
第2种远程荧光体制备方式：先将亚克力粉末或硅胶与荧光粉进行混合配制，采用高温注塑或高温固化成型的方式制备远程荧光体，由此亚克力或硅胶与荧光粉混为一体，并将此一体化远程荧光体直接作为LED半导体照明光源的出光面罩（如图6所示），解决了上述多层介质造成的光损问题。但因在制备工艺中，亚克力颗粒的熔点为230～250℃，硅胶固化温度也需达到150℃以上，温度过高对荧光粉造成损害，导致LED半导体照明光源初始光效不高，且LED照明光源的出光面为黄色，影响灯具的美观度。
第3种远程荧光体制备方式：选用透光率高、玻璃化温度约为85℃的亚克力材料作为远程荧光体的载体，首先将亚克力材料制备成透明基板，同时将亚克力粉末与荧光粉进行混合，再将混合物均匀喷涂在透明亚克力基板上，然后亚克力基板和含荧光粉的亚克力粉末加热至亚克力玻璃态，使亚克力基板和含荧光粉的亚克力粉末相互融合形成远程荧光体。因亚克力玻璃化转化温度约为85℃，故整个远程荧光体的制备温度不高于85℃，远低于其他远程白光激发技术，大大降低了远程荧光体制备过程中对荧光粉的热破坏，提高了LED半导体照明光源的光效；并消除了第1种远程荧光体制备方法中多层介质导致的光损问题（如图7所示），同时不影响LED照明光源的美观。
四、远程荧光提用荧光粉选用
LED荧光粉材料主要以铝酸盐体系（如YAG：Ce3+）、硅酸盐体系（如SrSiO4：Eu2+）和硫化物体系（如CaS：Eu2+）为主。由于存在YAG材料只能制备高色温的白光LED、显色指数低于80且专利受到限制，硅酸盐材料的荧光粉品种较少且缺乏红色荧光粉，以及硫化物荧光粉易潮解化学性质不稳定等诸多问题，加之LED技术进步和应用领域的扩展，LED半导体照明光源对荧光粉性能提出了更高要求。
氮化物荧光粉由于激发和发射光谱明显红移、发射光谱涵盖范围广、发光波长可调、转换效率高、温度特性优异、化学性质稳定等优点，非常适合于白光LED的应用，特别是适合制备暖白色，高显色性LED有独特优势，但成本相对铝酸盐体系、硅酸盐体系偏高。可以选用以M-Si-N，M-SiO-N，M-Si-Al-N以及M-Si-AlO-N（M=Li，Mg，Ca，Sr，Ba）多元体系为氮化物材料的新型氮化物荧光粉为远程荧光体制备用荧光粉，提高远程荧光体转换效率；同时因氮化物荧光粉适应大规模、高效生产，可降低远程荧光体的制造成本，从而降低LED半导体照明光源的成本。
五、远程荧光体LED半导体照明光源技术优势
1.远程荧光体LED半导体照明光源衰减小、寿命长
使用白光LED器件的LED半导体照明光源，在白光LED器件中，白光转换是在LED芯片表面完成的。远程荧光体LED半导体照明光源的白光是通过蓝光LED经混光室混合后通过远离LED芯片表面的远程荧光体转换成白光的。因荧光粉的衰减是白光LED光源衰减中最重要的原因之一，而荧光粉的衰减又与荧光粉的温度有直接关系，荧光粉温度越高，衰减越快。LED光源中使用的LED芯片点亮后温度很高，尤其是大功率芯片，在25℃室温情况下点亮后P/N结温度可达到70℃以上，因此使用白光LED器件的LED半导体照明光源中荧光粉也常处在70℃以上高温环境，荧光粉的衰减较大。而远程荧光体LED半导体照明光源，荧光粉远离LED芯片，因此在25℃室温情况下点亮芯片，尽管芯片的温度达到70℃以上，但荧光粉温度≤35℃，因此荧光粉衰减很小。据笔者所在公司初步实验，远程荧光体LED半导体照明光源相对直接使用白光LED器件光源的初始光效低5%，在3 000h常温老化后，远程荧光体LED半导体照明光源的衰减相对直接使用白光LED器件光源的衰减降低18%左右。
2.对LED器件一致性要求不高、生产便捷
远程荧光体LED半导体照明光源利用基板、混光腔腔体设计及远程荧光体表面处理等方式形成混光室，使得蓝光LED器件所发出光混合均匀，因此对蓝光LED器件一致性要求降低，可降低蓝光LED器件的技术要求和生产管理难度，从而降低成本。
六、结语
远程荧光体LED半导体照明光源技术研究是白光激发技术的创新：常规LED半导体照明光源是通过直接使用白光LED器件获得白光光源，远程荧光体LED半导体照明光源是通过远离LED芯片的远程荧光体转换蓝色LED光源或蓝色和红色混合LED光源获得。
基于远程激发技术的白光LED光源突破了当前常规的白光LED光源制备方式，LED半导体照明光源的光色均匀性、显色指数均大幅提高，舒适度大大增强，光源寿命也大大提高。因此远程激发技术将成为LED照明光源制备的主流方式，为LED照明进入功能性照明起到很好的促进作用。
LED半导体照明光源远程荧光技术也可延伸使用到白光LED封装领域，新型的远程荧光封装技术能有效地改善目前封装技术中存在的出光不均匀、色温漂移、芯片发热导致荧光粉性能衰减等缺点，可广泛应用于板上芯片封装（chip on board，COB）集成封装、大功率LED和贴片型LED封装，是白光LED制造技术的又一次创新，具有广阔的市场前景。业界厂家如深圳英特美光电有限公司、佛山电器照明股份有限公司、国星光电、杭州纳晶照明技术有限公司等均在进行远程激发技术的研究。
参考文献
[1] 张寅，趙宝洲，卓宁泽，等.远程荧光LED球泡灯热仿真分析[J].半导体光电，2013（4）：576-587.
[2] 肖华，吕毅军，徐云鑫，等.传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较[J].发光学报，2014，35（1）：66-72.
[3] 关沃欢.LED远程荧光膜片照明系统研究[D].广州：华南理工大学，2015.
[4] 周青超，柏泽龙，鲁路，等.白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望[J].中国光学，2015，8（3）：313-328.
一、LED半导体照明光源通常制作方法
LED半导体照明通常是以贴片式白光LED器件作为光源，主要结构为灯体结构件、含A线路板和多颗白光LED器件等元器件的LED光源组件、驱动电源系统、光学构件。以LED筒灯为例，产品结构为图1所示。
图1中片式白光LED器件通过在LED蓝光芯片表面涂覆黄色荧光粉胶制备而成，通过蓝光LED芯片激发黄色熒光粉合成白光。这种方式制备的白光LED器件的显色指数一般低于75，为了增加其显色指数需添加其他颜色荧光粉，如红色或红色和绿色，因其他颜色荧光粉转换效率很低，所以添加后造成白光LED器件光效大幅下降；且荧光粉直接分布在LED芯片表面，LED芯片工作时产生的高温会导致荧光粉产生热猝灭；加之各类荧光粉的热衰减性能不一致，导致白光LED器件工作时间长后会发生色漂移。
为有效改善上述LED半导体照明光源制备技术中存在的显色指数低、色温漂移、芯片发热导致荧光粉性能衰减等缺点，近几年，业界众多厂家致力于开展基于远程荧光体激发技术的LED半导体照明光源技术研究。
二、远程荧光体LED半导体照明光源
基于远程激发技术制备LED半导体照明光源的方法是采用蓝色LED器件或蓝色LED器件与红色LED器件的混合光源作为半导体照明光源的激发光源，通过混光室将多颗LED发出的光混合后，经远程荧光体转换成白光，获得具有高显色指数、高光效、符合舒适照明要求的白光光源。其中混光室有2种结构：一种是由装配了激发光源的PCB线路板、曲面远程荧光体直接形成；另一种由装配了激发光源的PCB、灯体、曲面或平面远程荧光体构成。混光室结构示意见图2所示，常规LED白光照明光源与远程荧光LED半导体照明光源结构对比见图3、图4所示。
三、远程荧光体制备方式
目前，远程荧光体制备主要有以下3种方式：
第1种远程荧光体制备方式：通过喷涂或涂覆的方式，直接在LED灯具出光面罩或出光基板上形成一层薄薄的荧光粉薄膜，从而形成曲面或平面远程荧光体（如图5所示）。此种方式制备的远程荧光体因面罩或基板与和荧光粉薄膜形成了明显光学界面，导致光从不同材质传导形成光损。
第2种远程荧光体制备方式：先将亚克力粉末或硅胶与荧光粉进行混合配制，采用高温注塑或高温固化成型的方式制备远程荧光体，由此亚克力或硅胶与荧光粉混为一体，并将此一体化远程荧光体直接作为LED半导体照明光源的出光面罩（如图6所示），解决了上述多层介质造成的光损问题。但因在制备工艺中，亚克力颗粒的熔点为230～250℃，硅胶固化温度也需达到150℃以上，温度过高对荧光粉造成损害，导致LED半导体照明光源初始光效不高，且LED照明光源的出光面为黄色，影响灯具的美观度。
第3种远程荧光体制备方式：选用透光率高、玻璃化温度约为85℃的亚克力材料作为远程荧光体的载体，首先将亚克力材料制备成透明基板，同时将亚克力粉末与荧光粉进行混合，再将混合物均匀喷涂在透明亚克力基板上，然后亚克力基板和含荧光粉的亚克力粉末加热至亚克力玻璃态，使亚克力基板和含荧光粉的亚克力粉末相互融合形成远程荧光体。因亚克力玻璃化转化温度约为85℃，故整个远程荧光体的制备温度不高于85℃，远低于其他远程白光激发技术，大大降低了远程荧光体制备过程中对荧光粉的热破坏，提高了LED半导体照明光源的光效；并消除了第1种远程荧光体制备方法中多层介质导致的光损问题（如图7所示），同时不影响LED照明光源的美观。
四、远程荧光提用荧光粉选用
LED荧光粉材料主要以铝酸盐体系（如YAG：Ce3+）、硅酸盐体系（如SrSiO4：Eu2+）和硫化物体系（如CaS：Eu2+）为主。由于存在YAG材料只能制备高色温的白光LED、显色指数低于80且专利受到限制，硅酸盐材料的荧光粉品种较少且缺乏红色荧光粉，以及硫化物荧光粉易潮解化学性质不稳定等诸多问题，加之LED技术进步和应用领域的扩展，LED半导体照明光源对荧光粉性能提出了更高要求。
氮化物荧光粉由于激发和发射光谱明显红移、发射光谱涵盖范围广、发光波长可调、转换效率高、温度特性优异、化学性质稳定等优点，非常适合于白光LED的应用，特别是适合制备暖白色，高显色性LED有独特优势，但成本相对铝酸盐体系、硅酸盐体系偏高。可以选用以M-Si-N，M-SiO-N，M-Si-Al-N以及M-Si-AlO-N（M=Li，Mg，Ca，Sr，Ba）多元体系为氮化物材料的新型氮化物荧光粉为远程荧光体制备用荧光粉，提高远程荧光体转换效率；同时因氮化物荧光粉适应大规模、高效生产，可降低远程荧光体的制造成本，从而降低LED半导体照明光源的成本。
五、远程荧光体LED半导体照明光源技术优势
1.远程荧光体LED半导体照明光源衰减小、寿命长
使用白光LED器件的LED半导体照明光源，在白光LED器件中，白光转换是在LED芯片表面完成的。远程荧光体LED半导体照明光源的白光是通过蓝光LED经混光室混合后通过远离LED芯片表面的远程荧光体转换成白光的。因荧光粉的衰减是白光LED光源衰减中最重要的原因之一，而荧光粉的衰减又与荧光粉的温度有直接关系，荧光粉温度越高，衰减越快。LED光源中使用的LED芯片点亮后温度很高，尤其是大功率芯片，在25℃室温情况下点亮后P/N结温度可达到70℃以上，因此使用白光LED器件的LED半导体照明光源中荧光粉也常处在70℃以上高温环境，荧光粉的衰减较大。而远程荧光体LED半导体照明光源，荧光粉远离LED芯片，因此在25℃室温情况下点亮芯片，尽管芯片的温度达到70℃以上，但荧光粉温度≤35℃，因此荧光粉衰减很小。据笔者所在公司初步实验，远程荧光体LED半导体照明光源相对直接使用白光LED器件光源的初始光效低5%，在3 000h常温老化后，远程荧光体LED半导体照明光源的衰减相对直接使用白光LED器件光源的衰减降低18%左右。
2.对LED器件一致性要求不高、生产便捷
远程荧光体LED半导体照明光源利用基板、混光腔腔体设计及远程荧光体表面处理等方式形成混光室，使得蓝光LED器件所发出光混合均匀，因此对蓝光LED器件一致性要求降低，可降低蓝光LED器件的技术要求和生产管理难度，从而降低成本。
六、结语
远程荧光体LED半导体照明光源技术研究是白光激发技术的创新：常规LED半导体照明光源是通过直接使用白光LED器件获得白光光源，远程荧光体LED半导体照明光源是通过远离LED芯片的远程荧光体转换蓝色LED光源或蓝色和红色混合LED光源获得。
基于远程激发技术的白光LED光源突破了当前常规的白光LED光源制备方式，LED半导体照明光源的光色均匀性、显色指数均大幅提高，舒适度大大增强，光源寿命也大大提高。因此远程激发技术将成为LED照明光源制备的主流方式，为LED照明进入功能性照明起到很好的促进作用。
LED半导体照明光源远程荧光技术也可延伸使用到白光LED封装领域，新型的远程荧光封装技术能有效地改善目前封装技术中存在的出光不均匀、色温漂移、芯片发热导致荧光粉性能衰减等缺点，可广泛应用于板上芯片封装（chip on board，COB）集成封装、大功率LED和贴片型LED封装，是白光LED制造技术的又一次创新，具有广阔的市场前景。业界厂家如深圳英特美光电有限公司、佛山电器照明股份有限公司、国星光电、杭州纳晶照明技术有限公司等均在进行远程激发技术的研究。
参考文献
[1] 张寅，趙宝洲，卓宁泽，等.远程荧光LED球泡灯热仿真分析[J].半导体光电，2013（4）：576-587.
[2] 肖华，吕毅军，徐云鑫，等.传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较[J].发光学报，2014，35（1）：66-72.
[3] 关沃欢.LED远程荧光膜片照明系统研究[D].广州：华南理工大学，2015.
[4] 周青超，柏泽龙，鲁路，等.白光LED远程荧光粉技术研究进展与展望[J].中国光学，2015，8（3）：313-328.