CN105390596A - 短寿命量子点荧光led提高可见光通信带宽的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及使用短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法。首先选取荧光寿命短的量子点荧光粉；采用蓝光芯片激发两种颜色发光量子点或紫外芯片激发的三种颜色发光量子点结构，所述两种颜色发光量子点包括红光量子点和绿光量子点；所述三种颜色发光量子点包括红光量子点、绿光量子点和蓝光量子点；利用蓝、红、绿三原色匹配形成白光，提高可见光通信LED的带宽；二是设计短寿命量子点荧光LED器件的结构。所制备的可见光通信LED器件具有高带宽、高效率；所设计的可见光通信LED器件结构简单、制备容易、材料损耗低。

Description

短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法
技术领域
本发明涉及可见光通信领域，尤其涉及使用短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法。
背景技术
近年来，LED设备广泛使用于人们生活的各个方面。室内可见光无线通信技术是随着白光LED照明技术的发展而兴起的可见光通信技术(VisibleLightCommunicationVLC)。与传统照明光源相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保、调制性能好、响应灵敏度高等优点。因此白光LED从照明领域扩展到了通信领域，能够同时实现照明和通信双重功能，产生了无线通信技术，即可见光通信技术。目前，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但与可见光通信的实用还有一定距离，系统的各项性能有待于进一步的优化。其中，如何制备高带宽(例如，>10MHz)的白光LED，受到人们的关注。
带宽是可见光通信中的关键参数，它决定了诸如系统容量、通信速率、误码率等系统性能。由于制备成本、发光效率等因素的限制，白光LED主要是采用蓝光LED芯片(紫外LED芯片)激发红、黄、绿荧光粉发出白光，发光效率可以超过100lm/W。目前，制备白光LED的荧光粉主要采用YAG:Ce稀土荧光粉。对于这种白光LED，其带宽的限制因素主要来自两个方面：一是荧光粉的荧光寿命；二是蓝光芯片的调制带宽。受荧光辐射机制的限制，YAG:Ce稀土荧光粉的荧光寿命较长，导致这种白光LED的调制带宽受到制约，远低于蓝光LED芯片自身的调制带宽。相比而言，胶体量子点荧光粉展现出独特的优势。包括：通过尺寸调谐可以获得任意可见光波长的准单色光，使匹配的白光具有高的显色指数和色坐标连续可调；胶体量子点的荧光量子产额可以超过80％，由此产生高转换效率的白光LED；胶体量子点的荧光寿命可以达到纳秒量级，极限调制带宽可以达到100MHz。
基于上述背景，采用荧光寿命短、发光效率高的荧光材料，研制工艺简单、制备成本低、带宽高的可见光通信LED器件，有助于推动可见光通信的商业应用价值。经查找，采用短寿命的量子点荧光粉材料作为荧光层，通过结构设计获得白光LED，并以此提高带宽的方法，这个方面的研究工作未见公开报道。
发明内容
为了克服现有可见光通信LED器件中存在的材料及技术问题，本发明提供一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，通过采用蓝光(或紫外)激发芯片，激发短寿命量子点荧光粉荧光层，获得白光LED，制备高带宽的可见光通信LED器件。
本发明采用的技术方案，结合附图1说明如下：
一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，首先选取荧光寿命短的量子点荧光粉；采用蓝光芯片激发两种颜色发光量子点或紫外芯片激发的三种颜色发光量子点结构，所述两种颜色发光量子点包括红光量子点和绿光量子点；所述三种颜色发光量子点包括红光量子点、绿光量子点和蓝光量子点；利用蓝、红、绿三原色匹配形成白光，提高可见光通信LED的带宽；
二是设计短寿命量子点荧光LED器件的结构，包括：驱动电路1、散热衬底2，取光透镜3、电极4、金线5、环氧树脂胶/硅胶6、量子点混合荧光粉层7和LED芯片8，所述LED芯片8为蓝光或紫外光；
所述可见光通信量子点荧光LED器件的制作方法如下：
步骤一、选择激发LED芯片8，进行超声净洗、紫外线处理；
步骤二、制备特定种类及尺寸的量子点溶液，当选取蓝光LED芯片时，制备红光量子点、绿光量子点溶液，所选取具有蓝光光致激发特性；当选取紫外光芯片时，制备蓝光量子点、红光量子点、绿光量子点溶液，所选取具有紫外光致激发特性；
步骤三、将上述量子点溶液制备出相应的量子点荧光粉；
步骤四、所制备的量子点荧光粉通过特定溶剂进行混合，所述特定溶剂根据实际选择的量子点种类决定，如氯仿、聚乙烯吡咯烷酮等，混合后的溶液进行超声振动20分钟，然后抽真空1小时，形成量子点混合溶液；混合溶液的配比由实际需要所决定；
步骤五、将上述制备的混合溶液滴涂在LED芯片8上，然后在60℃～80℃下固化3小时，形成量子点混合荧光层7最后将制备好的芯片固定在散热衬底2上；
步骤六、将两个电极4固定在散热衬底2上，其分别处于LED芯片8两端，并将两个电极通过金线5与LED芯片8相连接；
步骤七、填充环氧树脂胶/硅胶6，使电极4、金线5、LED芯片8覆盖在散热衬底2上，并在环氧树脂胶/硅胶6外层放置取光透镜3；
步骤八、将上述制备的LED外接驱动电路1，完成量子点荧光粉可见光通信LED器件的制备；
本发明可采用下述量子点荧光粉中的一种或几种，通过红、绿、蓝三色匹配法，实现白色发光，所选取的种类和数量由实际需求决定，包括：CdS量子点、CdSe量子点、CdTe量子点、CuInS2量子点、CuInSe2量子点、InP量子点、PbS量子点、PbSe量子点、PbTe量子点、ZnS量子点、ZnSe量子点、ZnTe量子点、聚合物量子点、碳量子点、硅量子点。
所述的量子点荧光粉可见光通信LED器件，选取荧光寿命短的量子点，由此提高量子点荧光LED的可见光通信带宽。
所述采用聚合物量子点荧光粉制作可见光通信LED器件的结构设计时，所述量子点混合荧光粉层7为红光聚合物量子点与绿光聚合物量子点混合荧光粉层，所述LED芯片8为氮化镓LED芯片，红光聚合物量子点与绿光聚合物量子点的发射光谱的峰值波长分别是640nm和520nm。
与现有技术比较，本发明的有益效果是：
本发明所述的短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，提出了一种利用短寿命量子点荧光粉提高可见光通信中器件原始调制带宽的方法；所制备的可见光通信LED器件具有高带宽、高效率；所设计的可见光通信LED器件结构简单、制备容易、材料损耗低。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图；
图2是本发明的发光原理结构示意图；
图3是本发明的两种聚合物量子点(即红光聚合物量子点、绿光聚合物量子点)的光发射光谱图；
图4是本发明的YAG:Ce稀土荧光粉、硒化镉量子点荧光粉、聚合物量子点荧光粉的荧光寿命光谱图；
图5是本发明的驱动电路结构示意图；
图6是本发明的实施例三种不同电流下氮化镓芯片及两种聚合物量子点(即红光聚合物量子点、绿光聚合物量子点)荧光发射光谱图；
图7是本发明的具体实施例的聚合物量子点荧光粉可见光通信LED器件照片；
图8是本发明的可见光检测系统示意图；
图9是本发明的YAG:Ce稀土荧光粉、氮化镓芯、聚合物量子点荧光粉的标准化相应(带宽)与荧光寿命关系的拟合曲线；
图1中：1-驱动电路，2-散热衬底，3-取光透镜，4-电极，5-金线，6-环氧树脂胶/硅胶，7-量子点混合荧光粉层，8-LED芯片(蓝光或紫外光)。
图2中：1-驱动电路，2-散热衬底，7-量子点混合荧光粉层，8-LED芯片。
具体实施方式
一、本发明中制备主要使用的化学药品
红色发光聚合物量子点-聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)共聚(1，4-苯并-1-噻重氮)]溶液(即Poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-co-(1,4-benzo-1-thiadiazole)，简称PF10BT]，绿色发光聚合物量子点-聚[(9，9二辛基芴)共聚(4，7-二-2-噻吩基-2，1，3-苯并噻重氮)]溶液(即Poly[(9,9-dioctylfluorene)-co-(4,7-di-2-thienyl-2,1,3-benzothiadiazole)]，简称PFTBT)，聚苯乙烯-马来酸酐(简称PSMA，Mw≈1700，聚苯乙烯含量为68％)，无水四氢呋喃(简称THF，99.9％)，聚乙烯吡咯烷酮(简称PVP，Mw≈40000)。
二、具体实施例
短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法的实施例，给出具体实施过程及测试结果，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明实施例选取的聚合物量子点荧光寿命短，利于说明本发明高带宽的特定，故分别选取红色发光聚合物量子点和绿色发光聚合物量子点。
短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法如下，结合图1、图2所示：
步骤一、选择氮化镓LED芯片，进行超声净洗、紫外线处理。
步骤二、利用纳米沉淀的方法，制备平均直径为23nmPF10BT量子点和33nmPFBTB量子点溶液，其峰值波长分别为640nm和520nm，参阅图3所示。将PF10BT(500ppm)(或者PFBTB(500ppm))和PSMA(10ppm)的THF溶液(5ml)进行超声处理，形成均匀的混合物溶液。将均匀的混合物溶液加入到10ml去离子水中进行水浴超声。然后在氮气环境中加热到90℃，去除混合溶液中的THF。最后使用0.22μm过滤器滤除较大的杂质，得到聚合物量子点溶液。
步骤三、制备两种聚合物量子点-聚乙烯吡咯酮荧光粉。将6mL聚合物量子点溶液[PF10BT(0.028mg/mL)或者PFTBT(0.06mg/mL)]溶液分别与0.7g聚乙烯吡咯酮混合并进行超声处理2小时，再在烘干箱中以80℃烘干12小时。烘干后所得到的固体在玛瑙研钵研磨后，筛选出合适的两种聚合物量子点-聚乙烯吡咯酮荧光粉(PF10BT/PVP和PFTBT/PVP)。
步骤四、制备量子点荧光粉混合溶液，PF10BT/PVP和PFTBT/PVP的配比为1:1.5。将制备的PF10BT/PVP和PFTBT/PVP加入到乙烷溶液制成混合溶液，并将混合溶液超声20分钟，随后抽真空1小时。所制备的聚合物量子点的荧光寿命参阅图4所示。
步骤五、将上述制备的混合溶液滴涂在氮化镓LED芯片上，然后在80℃下固化3小时，形成聚合物量子点混合荧光层，最后将制备好的芯片固定在散热衬底。
步骤六、将两个电极固定在散热衬底上，其分别处于芯片两端，并将两个电极通过金线与氮化镓LED芯片相连接。
步骤七、填充环氧树脂胶，使电极、金线、氮化镓LED芯片覆盖在散热衬底上，并在环氧树脂胶外层放置取光透镜。
步骤八、将上述制备的LED外接驱动电路，参阅图5所示，完成量子点荧光粉可见光通信LED器件的制备。
测试结果：
为了验证本发明的性能，进行了如下测试：
选取三组实验样本就行说明，分别施加50mA、150mA、350mA的电流，参阅图6、图7所示，具有良好的稳定性。同时结合图8所示的光通信系统测量本发明的带宽，发现本发明相较于YAG:Ce稀土荧光粉LED的带宽具有明显的提升，可高于10MHz，参阅图9所示。

Claims (5)

1.一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，其特征在于：
首先选取荧光寿命短的量子点荧光粉；采用蓝光芯片激发两种颜色发光量子点或紫外芯片激发的三种颜色发光量子点结构，所述两种颜色发光量子点包括红光量子点和绿光量子点；所述三种颜色发光量子点包括红光量子点、绿光量子点和蓝光量子点；利用蓝、红、绿三原色匹配形成白光，提高可见光通信LED的带宽；
二是设计短寿命量子点荧光LED器件的结构，包括：驱动电路(1)、散热衬底(2)，取光透镜(3)、电极(4)、金线(5)、环氧树脂胶/硅胶(6)、量子点混合荧光粉层(7)和LED芯片(8)，所述LED芯片(8)为蓝光或紫外光。
2.根据权利要求1所述的一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，其特征在于：
所述量子点荧光LED器件的制作方法如下：
步骤一、选择LED芯片(8)，进行超声净洗、紫外线处理；
步骤二、制备特定种类及尺寸的量子点溶液，当选取蓝光LED芯片时，制备红光量子点、绿光量子点溶液，所选取具有蓝光光致激发特性；当选取紫外光芯片时，制备蓝光量子点、红光量子点、绿光量子点溶液，所选取具有紫外光致激发特性；
步骤三、将上述量子点溶液制备出相应的量子点荧光粉；
步骤四、所制备的量子点荧光粉通过特定溶剂进行混合,所述其特定溶剂根据实际选择的量子点种类决定，包括氯仿、聚乙烯吡咯烷酮，混合后的溶液进行超声振动20分钟，然后抽真空1小时，形成量子点混合溶液；混合溶液的配比由实际需要所决定；
步骤五、将上述制备的混合溶液滴涂在LED芯片(8)上，然后在60℃～80℃下固化3小时，形成量子点混合荧光层(7)最后将制备好的芯片固定在散热衬底(2)上；
步骤六、将两个电极(4)固定在散热衬底(2)上，其分别处于LED芯片(8)两端，并将两个电极通过金线(5)与LED芯片(8)相连接；
步骤七、填充环氧树脂胶/硅胶(6)，使电极(4)、金线(5)、LED芯片(8)覆盖在散热衬底(2)上，并在环氧树脂胶/硅胶(6)外层放置取光透镜(3)；
步骤八、将上述制备的LED外接驱动电路(1)，完成量子点荧光粉可见光通信LED器件的制备。
3.根据权利要求1或2所述的一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，其特征在于：
本发明采用下述量子点荧光粉中的一种或几种，通过红、绿、蓝三色匹配法，实现白色发光，所选取的种类和数量由实际需求决定，包括：CdS量子点、CdSe量子点、CdTe、量子点CuInS2量子点、CuInSe2量子点、InP量子点、PbS量子点、PbSe量子点、PbTe量子点、ZnS量子点、ZnSe量子点、ZnTe量子点、聚合物量子点、碳量子点、硅量子点。
4.根据权利要求3所述的一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，其特征在于：
所述的量子点荧光粉可见光通信LED器件，选取荧光寿命短的量子点，由此提高量子点荧光LED的可见光通信带宽。
5.根据权利要求1所述的一种短寿命量子点荧光LED提高可见光通信带宽的方法，其特征在于：
所述采用聚合物量子点荧光粉制作可见光通信LED器件的结构设计时，所述量子点混合荧光粉层(7)为红光聚合物量子点与绿光聚合物量子点混合荧光粉层，所述LED芯片(8)为氮化镓LED芯片，红光聚合物量子点与绿光聚合物量子点的发射光谱的峰值波长分别是640nm和520nm。
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