CN109935677B - 一种白光led用荧光膜结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种白光LED用荧光膜结构及制备方法，属于LED封装技术领域。其包括LED红色荧光粉通过配胶涂覆形成LED红粉色块，LED绿色荧光粉通过配胶、涂覆成LED绿粉色块、LED蓝色荧光粉通过配胶、涂覆成LED蓝粉色块，所述LED红粉色块、LED绿粉色块、LED蓝粉色块为马赛克排列、条形排列、正方形排列、三角形排列，按比例随机排布的任一排列设置。本发明利用新型的荧光粉层的排布方式，相比于直接混合、分层涂覆，减少了三基色光线与其他荧光粉颗粒之间的相互接触，进一步减少红粉对紫外激发绿、蓝粉发出的绿、蓝光以及绿粉对紫外激发蓝粉发出的蓝光的二次吸收，从而提高LED的发光效率，获得具有高显色、色温可调、高出光效率的白光LED。
Description
技术领域
本发明涉及一种白光LED用荧光膜结构及制备方法，属于LED封装技术领域。
背景技术
白光LED作为一种新型高效固态光源，凭借其节能、高效、环保无污染、寿命长等显著优点吸引了领域专家学者的广泛关注，作为新一代绿色照明技术，是世界各国大力推行及重点研究的新型产业之一，被认为是第四代照明光源，应用前景广泛；
紫外激发三基色荧光粉的方式相对于蓝色芯片激发黄色荧光粉具有高显色指数且制作工艺简单，易于市场推广。现在多数采取将三基色荧光粉直接混合，在混光过程中，三基色荧光粉出射光与其他荧光粉颗粒相互作用，红、绿色荧光粉对蓝光的二次吸收现象严重，降低光效。红、绿色荧光粉会吸收部分紫外光LED芯片激发蓝色荧光粉所产生的蓝光，从而影响发光效率。
现有技术中，通过分层涂覆的方式可以减少荧光粉层中二次吸收的问题；中国专利数据库公开申请号为CN201120031405.3一种提高发光效率的LED封装结构的解决技术方案，其措施是运用分层涂覆的思想，将紫外激发三基色荧光粉第一层荧光粉为红色荧光粉层位于LED芯片发光区上方，绿色荧光粉涂覆与红色荧光粉上表面，蓝色荧光粉涂覆与绿色荧光法上表面作为第三层。分层涂覆降低了二次吸收的行为，提高了发光效率，但由于分层涂覆为三层排布，增加了涂覆厚度，且不同荧光粉层界面由于折射率不同存在全反射行为，降低出光效率。为此我们提出新的荧光粉的平面排布方式，在保证合适荧光膜厚度同时减少三基色出射光与其他荧光粉层的相互接触，进一步提高发光效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种白光LED用荧光膜结构，采取均匀等间距的排布方式，其荧光粉点阵排布结构由于相互独立，其相互作用降低，相比于完全混合与分层涂覆获得的荧光膜，减少其内部的二次吸收行为，提高光效。荧光膜层结构的设计可以改善封装LED的光学性能，包括出光效率、光色均匀性、色温等。
本发明的第一目的是提供一种白光LED用荧光膜结构，其包括LED红色荧光粉通过配胶涂覆形成LED红粉色块，LED绿色荧光粉通过配胶、涂覆成LED绿粉色块、LED蓝色荧光粉通过配胶、涂覆成LED蓝粉色块，所述LED红粉色块、LED绿粉色块、LED蓝粉色块为马赛克排列、条形排列、正方形排列、三角形排列，按比例随机排布的任一排列设置。
所述LED红色荧光粉为氮化物荧光粉及其衍生物；LED绿色荧光粉为硅酸盐荧光粉及其衍生物；LED蓝色荧光粉为BAM荧光粉及其衍生物。
本发明的第二目的是提供一种白光LED用荧光膜结构的制备方法，其步骤为：
1)预备步骤：备好LED红色荧光粉、LED绿色荧光粉、LED蓝色荧光粉及其他的封装材料；
2)设计不同结构的图案模板；采取均匀等间距的排布方式，包括马赛克排列、条形排列、正方形排列、三角形排列，按比例随机排布，其中不同的颜色代表不同的色块，具体为LED红粉色块、LED绿粉色块、LED蓝粉色块；
3)制备具有点阵排布结构的荧光膜，通过过筛、称量、混合、除泡、印刷、烘干，所述印刷采用的方法有丝网印刷法，掩膜法，喷涂法中的一种；
4)将LED封装成型。
所述2)中每个色块区域尺寸相当于一个像素点，通过调整其像素点单位尺寸，获得均匀的白光出射；荧光粉色块像素点单位尺寸大小根据工艺要求进行设定，如0.1～2mm的相同面积比例的均匀小色块，厚度根据实际情况确定；考虑到出射的白光光谱中蓝光成分一般较强，且混光过程中蓝光容易被吸收，因此设计五种排布结构中三基色荧光粉的空间占比为1：1：2；所述像素点设置有四种尺寸，分别为0.1mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm。
作为一种实施例：所述过筛：用150目的筛网进行过筛处理；
称量：用分析天平(0.1mg,BSA 124S,Sartorius AG,Germany)称量RGB荧光粉和有机载体；
混合：有机载体在荧光胶中的含量为25wt％；
搅拌除泡：用电磁搅拌器对混合后的荧光胶进行搅拌混合，温度设置为60℃，搅拌时间为30分钟；搅拌过后将混合均匀的荧光胶放在密封箱中抽真空至10-1Pa，静置60分钟，除去荧光胶中的残留气泡；
丝网印刷：将PMMA薄板放置在操作台上，操作台下方连接真空泵，通过抽真空的方式使PMMA薄板固定在操作台表面；网板下方距离PMMA上表面为1mm；然后将混合后的荧光胶涂在网板的上方，利用刷子均匀刷涂，在模板b上涂覆蓝色荧光粉，便于后续荧光粉刷涂位置的确定，刷涂完成后烘干固化；然后用同样的方法依次在模板c和d刷涂绿粉和红粉；
烘干：将刷涂有荧光膜的PMMA薄板放在电热真空干燥箱(北京恒诺立兴科技有限公司)中进行30℃烘干12小时，温度过高易导致PMMA薄板的变形。
3)中LED红色荧光粉通过配胶、涂覆形成LED红粉色块，LED绿色荧光粉通过配胶、涂覆成LED绿粉色块，LED蓝色荧光粉通过配胶、涂覆形成LED蓝粉色块，涂覆先后顺序不限，每次涂覆完需烘干，涂覆顺序不限；
作为一种实施例，紫外光芯片的发射峰值范围为360nm～400nm，紫外芯片数量不限。
所述LED红色荧光粉为激发波长范围为300nm～500nm，发射出峰值波长在625nm左右的荧光粉；LED绿色荧光粉为激发波长范围为300nm～480nm，发射出峰值波长在505nm～530nm的荧光粉；LED蓝色荧光粉为激发波长范围为210nm～425nm，发射出峰值波长在455nm左右的荧光粉。
所述LED红色荧光粉在455nm左右的蓝光激发下发出红光；LED绿色荧光粉在455nm左右的蓝光激发下发出绿光，存在二次吸收现象。
所述其他的封装材料包括LED支架、绝缘胶、硅胶、消泡剂、扩散剂。
本发明的有益效果：
本发明利用的荧光粉层的排布方式，相比于直接混合、分层涂覆，减少了三基色光线与其他荧光粉颗粒之间的相互接触，进一步减少红粉对紫外激发绿、蓝粉发出的绿、蓝光以及绿粉对紫外激发蓝粉发出的蓝光的二次吸收，从而提高LED的发光效率，获得具有高显色、色温可调、高出光效率的白光LED。
附图说明
图1为本发明中荧光膜结构。
图2为本发明中不同像素点尺寸的荧光膜封装LED模型。
图3为本发明中正方形点阵荧光膜图案模板。
图4为本发明中的具体制备流程示意图。
图5为发明中马赛克点阵荧光膜图案模板。
图6为发明中三角形点阵荧光膜图案模板。
图7为本发明中发明原理图。
(黑色代表蓝色荧光粉；灰色代表红色荧光粉；白色代表绿色荧光粉)
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明。
(黑色代表蓝色荧光粉；灰色代表红色荧光粉；白色代表绿色荧光粉)
实施例1：
1)预备步骤:备好紫外光芯片，LED用三基色荧光粉及其他封装材料；本实施实例中紫外光芯片激发波长为360nm，功率为1W；LED红粉为粉为氮化物，发射峰为630nm(N630)；绿粉为硅酸盐，发射峰为525nm(S525)；蓝粉为铝酸盐，发射峰为460nm(BAM460)，均采购于深圳展望科技有限公司，其他的封装材料包括LED支架、绝缘胶、硅胶、消泡剂、扩散剂等。
2)设计不同结构的图案模板：采取均匀等间距的排布方式，如图3所示，三基色荧光粉交替分布，其中不同的颜色代表不同的色块。本实施实例采取正方形排布方式，三基色荧光粉交替分布，采取丝网印刷的方式制备正方排布模型，制备的网板如图3所示：网板目数为150目，厚度为0.1mm，像素点1.0×1.0mm，总共20×20个色块区域。图三(b)为蓝色像素点模板，(c)为绿色像素点网板图案，(d)红色色像素点网板图案。
3)制备具有点阵排布结构的荧光膜：过筛、称量、混合、除泡、丝网印刷、烘干。
过筛：由于市面上的荧光粉粒径处十几微米到几十微米之间，粒径尺寸过大的荧光粉颗粒容易堵塞网孔，因此先用150目的筛网进行过筛处理；
称量：用分析天平(0.1mg,BSA 124S,Sartorius AG,Germany)称量RGB荧光粉和有机载体；
混合：有机载体在荧光胶中的含量为25wt％；
搅拌除泡：用电磁搅拌器对混合后的荧光胶进行搅拌混合，温度设置为60℃，搅拌时间为30分钟；搅拌过后将混合均匀的荧光胶放在密封箱中抽真空至10-1Pa，静置60分钟，除去荧光胶中的残留气泡。
丝网印刷：图4(c)所示为丝网印刷机示意图，将PMMA薄板放置在操作台上，操作台下方连接真空泵，通过抽真空的方式使PMMA薄板固定在操作台表面，保证刷涂的精度。网板下方距离PMMA上表面约1mm，便于刷涂成型；然后将混合后的荧光胶涂在网板的上方，利用刷子均匀刷涂。刷涂顺序如图3，在模板b上涂覆蓝色荧光粉，便于后续荧光粉刷涂位置的确定，刷涂完成后烘干固化；然后用同样的方法依次在模板c和d刷涂绿粉和红粉；刷图过程如图4(b)所示。
烘干：将刷涂有荧光膜的PMMA薄板放在电热真空干燥箱(北京恒诺立兴科技有限公司)中进行30℃烘干12小时，温度过高易导致PMMA薄板的变形。
分层涂覆工艺制备的样品采用相同的荧光粉和有机载体含量，经过过筛、称量后将RGB荧光粉与有机载体混合搅拌，然后利用旋涂法均匀涂覆在PMMA薄板的表面，顺序为红粉在下：红、绿、蓝以及蓝粉在下：蓝、绿、红；最后进行固化；封装成型。
利用量子产率积分球对光学参数测试。利用360nm发射波长的紫外光源，激发荧光膜，三种颜色的光在出射过程中相互混合产生白光。
按照以上步骤测得的白光LED的光学性能如下。(模拟数据)
数据分析：
分层涂覆底层荧光粉会阻碍上层的光转换，当红粉在下时，蓝光吸收的紫外含量很少，出光中多数为红光，蓝粉在下时，出射的蓝光被上层的绿粉和红粉吸收，降低光效；而正方形排列即解决了二次吸收问题，降低红绿分对蓝光的吸收；也不存在上层荧光粉对下层的阻挡问题。
实施例2：
与实例一相比，区别在于荧光点阵模板图案不同；为马赛克模板；模型为20×20个色块区域模型中荧光胶层的尺寸为20×20×0.1mm。图5(b)为蓝色像素点网板图案，(c)绿色像素点网板图案，(d)红色色像素点网板图案。
按照以上步骤测得的白光LED的光学性能如下。(模拟数据)
数据分析：
分层涂覆底层荧光粉会阻碍上层的光转换，当红粉在下时，蓝光吸收的紫外含量很少，出光中多数为红光，蓝粉在下时，出射的蓝光被上层的绿粉和红粉吸收，降低光效；而马赛克排列即解决了二次吸收问题，降低红绿分对蓝光的吸收；也不存在上层荧光粉对下层的阻挡问题。
实施例3：
与实例一相比，区别在于荧光点阵模板图案不同；为三角形模板；模型为20×20个色块区域模型中荧光胶层的尺寸为20×20×0.1mm。图6(b)为蓝色像素点模板，(c)绿色像素点网板图案，(d)红色色像素点网板图案。
按照以上步骤测得的白光LED的光学性能如下。
数据分析：
分层涂覆底层荧光粉会阻碍上层的光转换，当红粉在下时，蓝光吸收的紫外含量很少，出光中多数为红光，蓝粉在下时，出射的蓝光被上层的绿粉和红粉吸收，降低光效；而三角形排列即解决了二次吸收问题，降低红绿分对蓝光的吸收；也不存在上层荧光粉对下层的阻挡问题。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (7)
1.一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：包括LED红色荧光粉通过配胶、涂覆形成LED红粉色块，LED绿色荧光粉通过配胶、涂覆成LED绿粉色块、LED蓝色荧光粉通过配胶、涂覆成LED蓝粉色块，所述LED红粉色块、LED绿粉色块、LED蓝粉色块为马赛克排列、条形排列、正方形排列、三角形排列，按比例随机排布的任一排列设置；所述白光LED用荧光膜结构是通过以下方法制备的：
(1)预备步骤：备好LED红色荧光粉、LED绿色荧光粉、LED蓝色荧光粉及其他的封装材料；
(2)设计不同结构的图案模板；采取均匀等间距的排布方式，包括马赛克排列、条形排列、正方形排列、三角形排列，按比例随机排布，其中不同的颜色代表不同的色块，具体为LED红粉色块、LED绿粉色块、LED蓝粉色块；
(3)制备具有点阵排布结构的荧光膜，通过过筛、称量、混合、除泡、印刷、烘干；所述印刷采用的方法有丝网印刷法，掩膜法，喷涂法中的一种；
(4)将LED封装成型；
五种排布结构中三基色荧光粉的空间占比为1：1：2；
所述过筛：用150目的筛网进行过筛处理；
称量：用分析天平0.1mg,BSA 124S,Sartorius AG,Germany称量RGB荧光粉和有机载体；混合：有机载体在荧光胶中的含量为25wt％；
搅拌除泡：用电磁搅拌器对混合后的荧光胶进行搅拌混合，温度设置为60℃，搅拌时间为30分钟；搅拌过后将混合均匀的荧光胶放在密封箱中抽真空至10-1Pa，静置60分钟，除去荧光胶中的残留气泡；
丝网印刷：将PMMA薄板放置在操作台上，操作台下方连接真空泵，通过抽真空的方式使PMMA薄板固定在操作台表面；网板下方距离PMMA上表面为1mm；然后将混合后的荧光胶涂在网板的上方，利用刷子均匀刷涂，在模板b上涂覆蓝色荧光粉，便于后续荧光粉刷涂位置的确定，刷涂完成后烘干固化；然后用同样的方法依次在模板c和d刷涂绿粉和红粉；
烘干：将刷涂有荧光膜的PMMA薄板放在电热真空干燥箱中进行30℃烘干12小时。
2.根据权利要求1所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述LED红色荧光粉为氮化物荧光粉及其衍生物；LED绿色荧光粉为硅酸盐荧光粉及其衍生物；LED蓝色荧光粉为BAM荧光粉及其衍生物。
3.根据权利要求1所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述(2)中每个色块区域尺寸相当于一个像素点，通过调整其像素点单位尺寸，获得均匀的白光出射；荧光粉色块像素点是单位尺寸为0.1～2mm的相同面积比例的均匀小色块，厚度根据实际情况确定。
4.根据权利要求3所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述像素点设置有四种尺寸，分别为0.1mm、0.5mm、1.0mm、2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述(3)中LED红色荧光粉通过配胶、涂覆形成LED红粉色块，LED绿色荧光粉通过配胶、涂覆成LED绿粉色块，LED蓝色荧光粉通过配胶、涂覆形成LED蓝粉色块，涂覆先后顺序不限，每次涂覆完需烘干，涂覆顺序不限。
6.根据权利要求1所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述LED红色荧光粉为激发波长范围为300nm～500nm，发射出峰值波长在625nm左右的荧光粉；LED绿色荧光粉为激发波长范围为300nm～480nm，发射出峰值波长在505nm～530nm的荧光粉；LED蓝色荧光粉为激发波长范围为210nm～425nm，发射出峰值波长在455nm左右的荧光粉。
7.根据权利要求1所述的一种白光LED用荧光膜结构，其特征在于：所述LED红色荧光粉在455nm左右的蓝光激发下发出红光；LED绿色荧光粉在455nm左右的蓝光激发下发出绿光。
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