基于梯度折射率与多层结构改善LED光引擎光提取效率与色温均匀性的光学组件封装

摘要

随着LED应用越来越广泛，市场对LED的发光性能要求也随之提高。而LED是一种单色光源，需要将其转换为白光才能满足日常生活中的各种需求。目前市场上最流行的方式是通过GaInN/GaN蓝光芯片封装Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce)黄色荧光粉来实现白光。但这种方式实现的白光LED器件由于各种因素导致光线被困在LED芯片及LED器件内无法提取出来，使LED光提取效率较低，以及荧光粉分布不均匀导致LED色温分布不均匀等问题。针对以上问题，我们采用以下几种方法来进行改进。　　首先，通过向封装层中添加高折射率的纳米散射剂来构筑具有梯度折射率的多层封装结构。在硅胶内均匀混入含有YAG荧光粉与不同比例的纳米散射剂，纳米SiO2、纳米TiO2和纳米Si3N4，然后在LED芯片上进行一层或多层的封装。研究了纳米散射剂种类、纳米散射剂浓度及封装层数对提高LED光提取效率的影响。结果表明，添加纳米散射剂之后LED器件的发光强度均有所提升，且电流越大增强效果越显著。此外，采用具有梯度折射率的多层封装结构也可以显著提高LED的光提取效率。尤其是当白光LED器件采用纳米SiO2作为散射剂和双层封装结构时，发光强度在50mA的电流下最高要比传统单层LED提高至50％。　　其次，通过采用具有梯度折射率的双透镜结构来改善LED器件色温的均匀性。首先，通过在烘干过程中改变LED器件方向来研究荧光粉的分布对LED性能的影响。结果表明LED发光性能受荧光粉的分布影响较大。其次利用重力作用使硅胶在芯片上方形成凹透镜结构，并在上方涂覆荧光粉层使其形成凸透镜，最终形成双透镜组合的LED封装结构。观察可知这种双透镜结构改变了荧光粉在LED器件中的位置及分布，而且梯度折射率有助于提高LED器件的光提取率。　　最后，通过粗化LED器件封装硅胶层的上表面来提高LED器件的光提取效率。这种粗糙化表面通过用图案化的蓝宝石对封装硅胶进行压制来获得。论文利用这种简单易操作的方法制作出了具有高的光提取效率的LED器件。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 基本概念介绍

1．2．1 LED与交流LED

1．2．2 光引擎与光学模组

1．2．3 光提取效率

1．2．4 光通量

1．2．5 色温与显色指数

1．3 白光LED实现方式

1．3．1 红、绿、蓝三基色LED组合

1．3．2 蓝光LED激发不同色荧光粉

1．3．3 紫外LED激发三基色荧光粉

1．4 LED封装形式

1．4．1 LED封装意义

1．4．2 LED封装基本工艺流程

1．4．3 LED封装分类

1．4．4 LED封装趋势

1．5 LED封装技术发展趋势

1．5．1 LED封装提高光提取效率研究进展

1．5．2 LED封装提高色温均匀性研究进展

1．6 研究的目的及意义

第二章 利用梯度折射率多层封装结构提高白光LED器件发光的提取效率

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验药品与仪器

2．2．2 实验设计理论

2．2．3 实验步骤

2．3 结果与讨论

2．3．1 单层结构白光LED器件封装与发光性能研究

2．3．2 双层结构白光LED器件封装与发光性能研究

2．3．3 三层及四层结构白光LED器件封装发光性能研究

2．4 小结

第三章 通过控制表面张力形成双透镜结构改善LED器件在空间立体角发光色温的均匀性

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验仪器

3．2．2 实验设计

3．2．3 实验步骤

3．3 结果与讨论

3．3．1 荧光粉沉降作用对LED光学性能的影响研究

3．3．2 利用重力作用在LED封装中实现双层透镜结构

3．4 小结

第四章 利用图案化蓝宝石粗糙化LED表面提高LED发光性能研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验选材

4．2．2 实验步骤

4．3 结果与讨论

4．3．1 粗糙化LED硅胶表面对提高LED光强的研究

4．3．2 粗糙化LED封装层表面对提高LED光通量和光效的研究

4．4 小结

第五章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果