大功率白光LED中荧光粉涂覆工艺的格子Boltzmann模拟研究

摘要

大功率白光LED被认为是21世纪绿色照明光源，广泛应用于各个方面。为获得白光LED照明，需将荧光粉颗粒与硅胶混合并通过点涂等方式涂覆于蓝光LED芯片上，芯片发出的蓝光与受激荧光粉发出的黄光混合，最终得到白光。荧光粉涂覆工艺的流动和传热过程极大地影响其几何和物理特征，并最终影响LED光学和热学性能。目前对于荧光粉涂覆工艺的优化多基于经验性摸索，常依赖于大型精密设备和复杂工艺。然而，荧光粉涂覆成形的物理本质上是一个流动与传热问题，若能掌握其中的流动与传热规律，便可通过简单、低成本的荧光粉涂覆工艺实现理想的荧光粉硅胶特性。
　　本文应用格子Boltzmann方法，建立了荧光粉硅胶复合材料的传热格子Boltzmann模型和荧光粉硅胶涂覆成形的流动格子Boltzmann模型，研究荧光粉涂覆工艺中的流动与传热规律。
　　建立荧光粉硅胶复合材料有效导热系数的准确预测模型，并研究荧光粉粒径、沉淀对其热性质的影响。将模拟结果与实验结果对比可知，该模型能够准确模拟荧光粉硅胶复合材料的有效导热系数，当荧光粉体积分数在0.038到0.45之间时，LBM模拟结果与实验结果的偏差不大于7％。荧光粉颗粒粒径的增大有利于有效导热系数的增大；且不同粒径荧光粉颗粒的混合能够进一步增大其有效导热系数。而颗粒沉淀亦会使复合材料的有效导热系数增大，且在大荧光粉体积分数时增大更为显著。
　　对荧光粉自由点涂工艺中的流动过程进行模拟，分析平坦表面和方形凸起结构两种常见情况下点涂成形过程中的流动规律。分析表明，格子Boltzmann方法能够正确模拟荧光粉硅胶点涂中的流动过程；荧光粉硅胶液滴的接触线与其直径之比(dL/D)与时间(t/T)成幂函数关系(dL/D)~(t/T)m。
　　对荧光粉微压印工艺进行流动模拟，由于阶梯结构边缘的滞止作用，芯片与模具尺寸比和荧光粉硅胶体积对其流动影响均存在临界值。通过调整芯片与模具尺寸比和荧光粉硅胶体积等因素，可以实现锥形，倒锥形和方形等多种荧光粉硅胶层形貌；且方形荧光粉硅胶层的空间颜色均匀性较好，其最大相关色温差为850K。

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1 绪 论

1.1 LED照明概述

1.2白光LED照明中的关键问题

1.3相关领域研究现状

1.4课题目的、意义和论文组织结构

2 格子Boltzmann模型建立

2.1格子Boltzmann方法概述

2.2荧光粉硅胶复合材料传热格子Boltzmann模型

2.3荧光粉涂覆成形过程流动格子Boltzmann模型

2.4小结

3 荧光粉硅胶复合材料热学性质的格子Boltzmann研究

3.1荧光粉硅胶复合材料有效导热系数

3.2粒径大小对荧光粉硅胶层的影响

3.3颗粒沉淀对荧光粉硅胶层的影响

3.4小结

4 荧光粉涂覆工艺流动成形过程的格子Boltzmann研究

4.1荧光粉自由点涂工艺流动的格子Boltzmann模拟

4.2荧光粉微压印工艺流动的格子Boltzmann模拟

4.3小结

5 总结与展望

5.1全文总结

5.2展望

致谢

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文

附录2 攻读硕士学位期间申请的专利

附录3 个人简历