一种基于空封技术新颖白光数码管的研究

摘 要: 利用对不同波长蓝光芯片激发黄色荧光粉膜条件下制备的空封白光数码管与传统工艺白光数码管进行的测试实验,分析了在相同实验环境下,两种工艺制备的白光数码管光通量与光效存在差异的原因及一些必要的改进措施;通过对显色指数与色温测试值的比较,得出蓝光芯片主波长对上述2个参数的影响。从实验中得到的对光性能的测试数据,可以得出研制基于空封技术的白光数码管的市场可行性。关键词:空封; 折射系数; 增透膜; 白光LED

中图分类号:TN919-34文献标识码:A

文章编号: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

影响照明领域对白光数码管的光电性能主要体现在发光效率、发光通量、色温、显色指数等参数上[1-3]。目前以单粒LED屏幕技术来说,与国外先进水平差距不大,差距最大的是外延方面[4],主要反映在光学性能上,如InGaAIP外延片制成的芯片,国外最高达到200~300 mcd/20 mA,而国内仅100~200 mcd/20 mA。InGaN蓝光芯片的数据也相差近1倍。提高白光数码管光电性能在外延材料方面有待新技术的研发,另一方面需改进国内现有的数码管封装技术。

在此通过制备利用空封技术研制的白光数码管[5]的测试,讨论和分析该技术研制的数码管在发光效率、发光通量及显色指数等光电性能上的参数。并与传统封装技术[6-8]制备的白光数码管在发光效率、发光通量及显色指数等参数进行比较,在讨论该2种封装技术的性价比后,得出利用空封技术研制的白光数码管的市场可行性。

1 实验方法

在数码管基板上固金蓝光芯片(主波长为460~462.5 nm),然后在数码管套件上压盖黄色荧光粉膜,封装成白光数码管。同样,使用环氧树脂与黄色荧光粉混合,然后涂抹在GaN/InGaN蓝光芯片上(主波长为467.50~470.00 nm),最后用透明环氧树脂封装成白光数码管。环氧树脂与荧光粉的质量混合比例为20∶3。各取不同封装工艺的白光数码管10只,使用杭州中为光电技术有限公司设备型号为WL-628LED LED光色电综合测试系统对封装好的白光数码管的光通量、光效及显色指数等光学性能进行检测。

2 结果与讨论

2.1 外量子效率和理论分析

表1,表2为2种不同工艺下研制的白光数码管单点LED光通量与光效参数值。

结果表明,在相同条件下,新工艺的光通量基本上是旧工艺技术的一半,而光效也是旧工艺技术的2/3左右,究其原因在于,传统工艺利用环氧树脂的较大的折射系数,增大了光线输出的折射角度,如图1所示,而新工艺由于直接利用空气进行光的折射,光透过黄粉膜的折射角度相应就变小,如图2所示。

表1 加环氧树脂的白光数码管在常温下测试得到的光通量与光效值

#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 利用空封技术备制的白光数码管在常温下测试得到的光通量与光效值

#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

数码管发光效率与发光通量的高低取决于数码管光子逸出率的多少。式(1)表示数码管产生的光子逸出到空气中的比率。

Uout=(逸出到空气中的光子数/PN结产生的光子数)

×100%(1)

图1 InGaN芯片与环氧树脂材料光线输出

图2 空封表面层通过空气介质光线输出

根据光学原理,增透介质的折射系数定义为:

n=n1n2(2)

式中:n1与n2为2种不同材料的折射系数;n为2种材料折合后的折射系数。

在传统封装数码管使用的InGaN芯片其折射系数n2为2.3,环氧树脂折射系数n1为1.5。根据式(2)得出:

n=1.5×2.3=1.86(3)

由折射定律,可得:

n1sin θ1=n2sin θ2(4)

从式(4)知,当θ2=90°时的θ1称为入射临界的半角用θc表示,即:

θc=arcsin(n2/n1)(5)

式中:n1为数码管内部材料的折射系数,n2为空气的折射系数。根据式(3)和式(5)得出利用环氧树脂封装的白光数码管入射临界半角为:

θc=arcsin(1.0/1.86)(6)

从式(6)可知,θc的值为32.5°,即数码管光子入射到空气时,超过32.5°就不能发射到空气中。

根据空封技术制作的白光数码管,由于蓝光芯片发出的光直接激打在黄色荧光粉膜上,中间没有通过折射率的转换,根据式(2),式(5)可以得出,空封技术制备的白光数码管θc的值为23.1°,入射到空气中的角度低于传统工艺。所以利用空封技术备制的白光数码管在光通量及光效方面比传统工艺的白光数码管要略微欠缺,这也是课题研究的一个需要改进的方面,改进的方案是在原有贴膜基础上增加一层光增透膜,以增加光的出射率。

2.2 显色性能与理论分析

在此使用的WL-628LED LED光色电综合测试系统对2种工艺制备的白光数码管各给出的10个试验色,对10个试验色进行测试比对。表3,表4为2种不同工艺下研制的白光数码管单点LED的显色指数与色温参数值。

表3 加环氧树脂的白光数码管在常温下测试得到的显色指数与色温

#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 利用空封技术备制的白光数码管在常温下测试得到的显色指数与色温

#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

根据1965年CIE[9]制定的,1974年修订[10]的“测色法”,在参照光源下和待测光源下各试验色的色差ΔEi,特殊显色指数由下列公式确定:

Ri=100-4.6ΔEi(7)

式中ΔEi为照明光源由标准光源D换成待测光源时,试验色i在CIE1960年UCS色品图上所引起的色差值。

在照明光源的研究和应用测试中,常使用的显色指数Ra为平均显色指数:

Ra=100-Δa (8)

Δa=18∑8i=1ΔEi(9)

式中:Δa为#1~#8号试验色的Δi的平均值。

由式(8),式(9)可以得出,2种工艺制备的白光数码管在相同工作环境下的显色指数分别为78.5与76.6,结果表明,不同波长的蓝光芯片激发黄色荧光粉得到的白光显示指数与色温存在一定的影响。利用空封技术备制的白光数码管在显色指数与色温上略低于传统工艺备制的白光数码管。

3 结 语

两种类型的白光数码管在研制的工艺上存在差异。在同样工作环境下,通过对比光通量、光效、显色指数与色温等参数,分析上述参数存在差异的原因,得出利用空封技术研制的白光数码管的市场可行性。新研制的白光数码管在光性能上存在一定的不足,有改进的需要。但由于在制备过程中,少了环氧树脂封胶的环节,使新工艺研制的白光数码管符合国家节能减排的要求,所以利用空封技术研制的白光数码管在以后的数码管发展过程中有很大的潜力。

参考文献

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