薛 輝,常 睿

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)校 常州旅游商貿(mào)分院，江蘇 南京 210000；2.常州工學(xué)院 教務(wù)處，江蘇 常州 213032)

0 引 言

熒光轉(zhuǎn)換型白光二極管(phosphor-converted white LED,pc-WLED)作為一種新型光源，基于其所具有的節(jié)能環(huán)保、安全可靠、光譜可調(diào)等性能獲得了廣泛應(yīng)用[1,2]，如室內(nèi)家居、商場(chǎng)、學(xué)校等場(chǎng)所，室外景觀、路燈等領(lǐng)域。目前實(shí)現(xiàn)白光的主流方式是InGaN藍(lán)光LED芯片激發(fā)YAG︰Ce黃色稀土熒光粉材料，通過(guò)兩種光譜復(fù)合實(shí)現(xiàn)白光。目前，隨著節(jié)能環(huán)保要求的提高，高效發(fā)光、光色均勻的pc-WLED器件逐漸成為了研究的焦點(diǎn)。

轉(zhuǎn)光膜作為一種新型光致發(fā)光熒光材料[3,4]在制備的pc-WLED器件中，由于發(fā)光中心遠(yuǎn)離LED芯片熱源，其受熱影響較小，可靠性獲得提高[5,6]。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所環(huán)境條件要求的不同，基體材料可以是有機(jī)硅樹(shù)脂[7]、聚碳酸酯[8]、聚甲基丙烯酸甲酯[9]、無(wú)機(jī)玻璃粉[10,11]等。目前，很多學(xué)者通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新材料引入等方法，進(jìn)一步優(yōu)化和提高轉(zhuǎn)光膜及其制備的pc-WLED的光色性能。Hong Q等人[12]研究了一種用于高色域LCD照明背光源的量子點(diǎn)轉(zhuǎn)光膜，通過(guò)設(shè)置微棱鏡膜引起較少的量子點(diǎn)材料吸收更多的藍(lán)光，并重新發(fā)射出更高功率的綠光和紅光。Kim J S等人[13]通過(guò)玻璃基板表面粗化和絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備出(Ba,Sr,Ca)2SiO4︰Eu2+轉(zhuǎn)光膜，由于粗化的表面降低了光子在界面處的全反射現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)的pc-WLED器件效率可以提高16 %(在表面粗糙度為151 nm條件下)。Kwon O H等人[14]針對(duì)平面轉(zhuǎn)光膜基于ZnO波導(dǎo)納米結(jié)構(gòu)與等離子體Au納米顆粒相結(jié)合來(lái)增強(qiáng)發(fā)光性能，將轉(zhuǎn)光膜層通過(guò)簡(jiǎn)單印刷將其涂覆到分散有Au納米顆粒的ZnO納米棒陣列上；由于納米棒結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)效應(yīng)和金納米顆粒的等離激元效應(yīng)的結(jié)合，將pc-WLED器件發(fā)光效率顯著提高了約18 %。Lai C F等人[15]通過(guò)準(zhǔn)非晶/微圖案(QA/MP)復(fù)合樹(shù)脂膜輔助轉(zhuǎn)光膜可增強(qiáng)大功率pc-WLED的機(jī)械強(qiáng)度、發(fā)光效率、顯色指數(shù)(CRI)和特殊R9，轉(zhuǎn)光膜厚度低至25 μm，調(diào)節(jié)色溫從5 565 K變化至3 178 K，發(fā)光效率達(dá)到102 lm/W。Tang T等人[16]通過(guò)靜電紡絲工藝制備出均勻色度的轉(zhuǎn)光膜，在可見(jiàn)光區(qū)漫透射率高達(dá)78.48 %，霧度達(dá)到91.58 %，制備的pc-WLED器件在相近色溫5 000 K條件下，色溫偏差降低了62.26 %，光通量損耗僅為2.12 %。

有別于上述研究的方式，本文通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬的方法，快速研究了無(wú)機(jī)TiO2粒子的引入對(duì)轉(zhuǎn)光膜和對(duì)應(yīng)pc-WLED的光色指標(biāo)進(jìn)行改性效果。TiO2粒子折射率2.7，對(duì)光子有明顯的散射效應(yīng)，基于該效應(yīng)提高藍(lán)光LED激發(fā)光子對(duì)熒光粉粒子的轟擊和轉(zhuǎn)換[17]；同時(shí)TiO2粒子對(duì)于激發(fā)光子和熒光發(fā)射粒子的散射效應(yīng)還有利于提高出光的光色均勻性。文中所用的基體材料為有機(jī)硅樹(shù)脂(A/B雙組份)，黃色YAG︰Ce熒光粉作為光致發(fā)光中心。通過(guò)蒙特—卡洛光線追跡計(jì)算和Mie散射理論復(fù)合，研究了TiO2粒子濃度與發(fā)射光強(qiáng)度的變化關(guān)系以及其中的機(jī)理[18]，對(duì)pc-WLED器件進(jìn)行了光譜分布曲線、光通量、色坐標(biāo)計(jì)算，獲得了TiO2粒子最佳摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0 %。此時(shí)對(duì)應(yīng)的pc-WLED器件在光通量度有14.83 %的提升，說(shuō)明了TiO2粒子在改性轉(zhuǎn)光膜和pc-WLED光色性能上的可行性。

1 計(jì)算機(jī)模擬

1.1 材料類別及特性

YAG︰Ce熒光粉(λ=558 nm)，有機(jī)硅樹(shù)脂(折射率=1.54)，藍(lán)光LED(λ=455 nm),TiO2粒子摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.0 %，0.5 %，1.0 %，2.0 %，4.0 %，8.0 %共8組。

1.2 計(jì)算機(jī)模擬流程

1)在藍(lán)光LED芯片內(nèi)部的各層界面處，藍(lán)光子基于材料的折射率，透射率等參數(shù)的不同，自動(dòng)計(jì)算獲得反射或者透射的結(jié)果；2)在藍(lán)光光子到達(dá)了由有機(jī)硅樹(shù)脂和黃色YAG︰Ce熒光粉構(gòu)成的轉(zhuǎn)光膜內(nèi)部，同時(shí)由于TiO2粒子的存在，根據(jù)Mie散射理論，判斷發(fā)生散射、吸收或者轉(zhuǎn)換的光學(xué)現(xiàn)象；3)當(dāng)光子穿過(guò)轉(zhuǎn)光膜后，在與空氣的界面處，還會(huì)存在基于轉(zhuǎn)光膜和空氣折射率不同而產(chǎn)生的反射或透射現(xiàn)象，此現(xiàn)象會(huì)基于Mie散射和幾何光學(xué)理論，在計(jì)算機(jī)后臺(tái)計(jì)算的條件進(jìn)行；4)通過(guò)在pc-WLED外設(shè)置接收器，統(tǒng)計(jì)所獲得的不同波長(zhǎng)的光子數(shù)目和能量，即可計(jì)算出光譜分布曲線、光通量、色坐標(biāo)等光色參數(shù)，至此完成全部的計(jì)算機(jī)模擬過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 激發(fā)與發(fā)射光譜

圖1是轉(zhuǎn)光膜特征激發(fā)與發(fā)射光譜曲線和TiO2粒子不同摻雜濃度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)光膜發(fā)射光譜強(qiáng)度計(jì)算獲得的變化曲線。光譜曲線中對(duì)應(yīng)的激發(fā)和發(fā)射峰值分別為455 nm和558 nm，對(duì)應(yīng)稀土Ce3+的2F7/2→5d躍遷吸收和5d→4f躍遷發(fā)射。

圖1 轉(zhuǎn)光膜激發(fā)與發(fā)射光譜曲線，轉(zhuǎn)光膜發(fā)射光譜強(qiáng)度隨TiO2粒子濃度變化曲線

從圖1中可以看出，兩種光譜曲線都具有寬光譜分布的特征，激發(fā)光譜曲線包含了藍(lán)光LED芯片的光譜范圍，因此，藍(lán)光LED芯片可有效地激發(fā)轉(zhuǎn)光膜實(shí)現(xiàn)Ce3+的5d→4f躍遷發(fā)射。發(fā)射光譜的強(qiáng)度隨著TiO2濃度的增加，表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時(shí)具有最強(qiáng)發(fā)射強(qiáng)度。這種變化的主要原因是：在低濃度摻雜時(shí)，熒光粉粒子數(shù)目相對(duì)較低，大量藍(lán)光LED激發(fā)光子直接透過(guò)轉(zhuǎn)光膜，不能有效地激發(fā)熒光粒子；隨著濃度的逐漸提高，TiO2粒子的散射特性可以有效地改變激發(fā)光子傳播的方向，使得原本要透射出膜層的光子轉(zhuǎn)移方向進(jìn)而激發(fā)熒光粒子，從而提高了2F7/2→5d躍遷吸收的幾率和5d→4f躍遷發(fā)射的強(qiáng)度；但是隨著濃度的進(jìn)一步提高，大量的TiO2粒子堆積形成粒子團(tuán)，激發(fā)光子和熒光發(fā)射光子在膜層內(nèi)部傳播過(guò)程中則會(huì)陷入粒子團(tuán)中，不能有效地出射至膜層外部，表現(xiàn)為發(fā)射強(qiáng)度的下降。

2.2 Mie散射理論計(jì)算分析

圖2和圖3是基于Mie散射理論計(jì)算的熒光粉粒子、TiO2粒子的散射光強(qiáng)分布曲線和TiO2粒子不同濃度對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)和光子傳播自由程。其計(jì)算公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

μsca=NCsca

(5)

圖2中對(duì)應(yīng)的熒光粉粒子和TiO2粒子的折射率分別為1.83和2.7，粒徑為17.84 μm和8.26 μm。前者的散射光強(qiáng)具有明顯的前向傳播特征，即光子傳播主要為前向透射為主，這可能的原因是熒光粉粒子粒徑較大，對(duì)于傳播至其表面的光子具有類似于透鏡匯聚的作用，因此表現(xiàn)出的光子強(qiáng)度為前部方向值較大。TiO2粒子由于粒徑較小，對(duì)于光子的散射傳播則表現(xiàn)出前向和后向強(qiáng)度相近特征，這也符合Mie散射分布與粒徑大小的關(guān)系。

圖2 基于Mie散射理論計(jì)算的熒光粉粒子、TiO2粒子的散射光強(qiáng)分布曲線

圖3中可以看出：隨著TiO2粒子濃度的提高，對(duì)應(yīng)散射系數(shù)逐漸升高，平均自由程逐漸降低。這是因?yàn)殡S著粒子濃度的提高，單位體積轉(zhuǎn)光膜中，TiO2散射粒子數(shù)目增加，因此，激發(fā)光子在傳播過(guò)程中連續(xù)到達(dá)粒子表面的距離減小，即光子傳播平均自由程降低；平均自由程的降低可以有效地提高光子連續(xù)與粒子作用幾率，即表現(xiàn)在散射系數(shù)的提高，同時(shí)由于光子與粒子的連續(xù)作用，也會(huì)改善光子出射至膜層外界后發(fā)射光強(qiáng)度分布的方向。

圖3 TiO2粒子不同濃度對(duì)應(yīng)的散射系數(shù)和光子傳播平均自由程

2.3 pc-WLED器件模擬與分析

表1是基于TiO2粒子不同濃度轉(zhuǎn)光膜模擬的pc-WLED器件光色指標(biāo)。從表中可以看出隨著TiO2濃度的提高，對(duì)應(yīng)器件的色溫從冷色9 606 K逐漸下降至暖色4 530 K；光通量則表現(xiàn)出先升高后降低的規(guī)律，其中在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0 %，pc-WLED器件的光通量具有最高值415.8 lm，相較于未摻雜時(shí)的362.1 lm，提高了14.83 %。光通量的提高和色溫的調(diào)控均得益于TiO2粒子的散射效應(yīng)對(duì)激發(fā)光子和熒光發(fā)射光子傳播方向的調(diào)控。

表1 TiO2粒子不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)光膜對(duì)應(yīng)pc-WLED器件光色指標(biāo)

圖4是根據(jù)TiO2粒子不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)光膜對(duì)應(yīng)pc-WLED器件光譜分布曲線，從圖4中可以看出，隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，對(duì)應(yīng)器件光譜中藍(lán)光激發(fā)強(qiáng)度逐漸降低，這是因?yàn)門iO2粒子的散射效應(yīng)，提高了藍(lán)光LED激發(fā)光子與熒光粉粒子相互作用的幾率。黃色熒光發(fā)射光強(qiáng)度則表現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)，其中在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 %時(shí)發(fā)射光強(qiáng)度最大，表現(xiàn)的規(guī)律和原因與圖2一致。結(jié)合光通量的計(jì)算公式，與人眼明視覺(jué)效能曲線重疊的面積越大，對(duì)應(yīng)的光通量值越高，因此,光通量隨著TiO2粒子的濃度表現(xiàn)為先增加后降低的規(guī)律特性。

圖4 TiO2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)器件光譜分布曲線

圖5是對(duì)應(yīng)器件色坐標(biāo)的變化趨勢(shì)，表現(xiàn)為向右上角逐漸移動(dòng)的規(guī)律，對(duì)應(yīng)色溫值則由表1所示，說(shuō)明TiO2的摻雜及其濃度的調(diào)節(jié)，可以有效進(jìn)行器件色溫和光色的調(diào)控

圖5 TiO2不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)應(yīng)器件色坐標(biāo)

(6)

式中 683(lm/W)為常數(shù)因子，S(λ)為pc-WLED器件的光譜分布曲線，V(λ)為人眼明視覺(jué)效能曲線。

3 結(jié) 論

本文通過(guò)蒙特—卡洛光線追跡的計(jì)算機(jī)模擬方法，研究了TiO2粒子不同摻雜濃度對(duì)轉(zhuǎn)光膜和pc-WLED的改善研究。研究表明：熒光發(fā)射強(qiáng)度隨著TiO2粒子濃度的提升先升高后降低，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0 %時(shí)具有高值，這種規(guī)律與TiO2粒子的散射效應(yīng)和高濃度粒子的陷光效應(yīng)有關(guān)。Mie散射計(jì)算顯示光子傳播自由程隨粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高而降低，這種降低有利于光子的散射系數(shù)的提高和藍(lán)光激發(fā)光子激發(fā)。最后結(jié)合藍(lán)光LED芯片實(shí)現(xiàn)不同pc-WLED器件的模擬，光譜分布曲線顯示藍(lán)光強(qiáng)度隨TiO2粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加而降低，黃光熒光發(fā)射強(qiáng)度則表現(xiàn)升高趨勢(shì)，均得益于粒子散射效應(yīng)提高了藍(lán)光LED激發(fā)光子與熒光粉粒子作用的幾率。對(duì)應(yīng)在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0 %時(shí)具有最高光通量415.8 lm，相較于未摻雜時(shí)的362.1 lm，提高了14.83 %。上述研究表明，TiO2粒子的散射效應(yīng)可有效地改性轉(zhuǎn)光膜和pc-WLED器件的光色性能，對(duì)于制備高效率、低成本和高均勻度的器件具有潛在的參考價(jià)值。