倒裝LED燈絲燈的光學性能詳解

倒裝LED燈絲因其倒裝和平面塗覆工藝以及360°立體發光的特點成為市場研究的重點。長期以來,國內外的專家致力於LED的發光均勻性的研究,但其實LED是一個光、電、熱相互影響的綜合系統,其輸出的光學性能會受到輸入的電流和結點溫度的影響。

LED的PN結中注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多餘的能量以光的形式釋放出來,將電能直接轉換為光能,但是在這個過程中,會產生大量的熱,如果這些熱量無法及時散開,就會導致PN結的溫度迅速上升,從而影響到倒裝LED燈絲的發光性能。

本文研究倒裝LED燈絲在不同直流電流驅動下的光通量、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規律,比較初態和穩態(點亮30min之後)的光通量、色溫等,分析溫度對於光學性能的影響。

1.樣品製備與測試

1.1 樣品製備

將倒裝LED晶片通過固晶機固定於白陶瓷基板上,陶瓷基板尺寸為60 mm×1.2 mm×0.38 mm,晶片尺寸為12 mil×26 mil,用兩層體塗覆方式對燈絲進行點膠。取6根上述方法製備的燈絲,將6根燈絲串聯在一起,樣品如圖1所示。

1.2 測試

採用型號為ZWL-9200的中為積分球測量光通量、色溫和色坐標。被測LED採用固定夾具置於積分球中心,LED發射的光經積分球內部白色漫反射層,漫反射一部分光線通過積分球表面的通光孔徑光纖傳輸到微型多通道光譜儀,光譜儀採集的數據通過USB接口發送到計算機進行處理和顯示,光源採用恆流源供電。

2.分析與討論

採用中為的積分球進行測試。將樣品點亮,放進積分球,測試得到瞬態色溫,光通量和色品坐標等。點亮30 min後,再次進行測量得到穩態的光學性能。隨後,將瞬態與穩態的數據進行分析和比較,得出結論。

2.1 光通量分析

光通量隨電流的變化如圖2所示,無論是在初態還是穩態,光通量都隨電流的增加而增加。這是因為PN結是發光二極管的核心部分,電流增加後,注入到發光區的電子和空穴數量增加,發生輻射復合的數量也會增加,從而導致LED的光通量增加。理論上,LED 的光通量隨電流的增大而線性增大。

但是,如圖2所示,在初態且電流為10~25 mA的時候,光通量隨電流的變化是1條斜率K=18左右的直線,電流與光通量幾乎呈線性關係,而在25~30 mA的時候,斜率K=16.113 2,有了明顯的下降。

由此可以看出,在初態時,電流和光通量幾乎成線性關係,在30 mA點亮時,因為LED晶片趨於飽和狀態,才導致斜率有了明顯的下降。在穩態時,相鄰兩點之間的斜率依次為K1=17.591 2,K2=16.557 8,K3=15.113 2,K4=13.668 4, 光通量與電流不再成線性關係,而且隨著電流的增加,光通量增加的量越來越小(斜率逐漸減少),這是因為電流的上升導致結溫上升,且燈絲沒有及時散熱,從而導致結溫對光通量造成影響,產生光衰。由此可見,熱量會導致晶片老化,而晶片老化是光通量下降的根本原因。

根據圖2初態和穩態的比較,可以發現點亮30min之後(即穩態),燈絲的光通量均有所下降,且下降趨勢隨著電流的增加也越來越明顯。10 mA驅動時,穩態的光通量為瞬態的99.8%,15 mA驅動時,穩態的光通量為瞬態的98%,20 mA驅動時,穩態的光通量為瞬態的95%,25 mA驅動時,穩態的光通量為瞬態的92.7%, 30 mA驅動時,穩態的光通量為瞬態的91%。

由此可見,當輸入電流較小時,光通量隨溫度升高而減少的現象不清晰,但隨著電流的逐漸加大,光衰現象非常明顯。因為隨著溫度的升高,LED 的電光轉換效率下降,即輸入相同的電功率所產生的可見光的量在減少,所以光通量也減少。

2.2 色溫分析

根據圖3和圖4所示,初態和穩態不同電流下的色溫,落點均在bin區內,而且落點集中,符合國際標準。進入穩態之後,色坐標落點仍然十分集中,沒有明顯的漂移。色坐標的漂移主要因素是螢光粉性能的老化,而過高的熱量又是導致螢光粉性能老化的首要因素。由此可以看出,倒裝LED燈絲具有良好的散熱性,從而保證倒裝LED燈絲的穩定和可靠。而色坐標微小的漂移與螢光粉的顆粒,攪拌均勻度,晶片亮度等原因有關。

根據圖5所示,在穩態情況下倒裝燈絲的色溫均上升,在10 mA時,增長量為0.39%,在15 mA時,增長量為0.48%,在20 mA時,增長量為0.68%,在25 mA時,增長量為0.77%,在30 mA時,增長量為0.77%。

色溫的增量隨著電流增大最後趨於飽和,說明螢光粉的熱猝滅效應大於晶片,熱輻射的溫度大於晶片的溫度。而色溫隨電流的增加而增加,是因為隨著電流的增加,倒裝燈絲中的晶片發出的藍光增多,而螢光粉層的厚度是一定的,則出射的白光中藍光成分增加,從而使燈絲的色溫增加,當LED晶片發出的藍光趨於飽和狀態時,色溫的增加也將變得緩慢。

英國物理學家凱爾文(Kelvin)於1848年在一次物理實驗中發現了光色與溫度的關係。他把黑體(又稱絕對黑體,也稱完全輻射體)放在密封容器中加熱,以絕對零度(-273.16℃)為計算起點,溫度每升高1℃,色溫相應提高1K。

溫度與電流也成線性關係,因此,色溫與電流也成線性關係,但是根據圖5所示,無論初態還是穩態在15 mA時,斜率從4.5左右瞬間下降到1.4左右,發生了一個突變,由此可見,電流的增大,溫度的上升不僅能夠激發LED晶片的藍光,還會造成LED晶片的衰減,而且溫度對於LED衰減的影響將遠大於其所激發的藍光。

2.3 溫度分析

運用熱電偶測量點亮30 min之後燈絲的平均溫度。根據公式Tj=Ths+RjPheat=Ths+RjKhPd,式中Rj為LED的內部熱阻,Tj為結溫,Kh為發熱係數, 由此可以看出,燈絲的平均溫度從一定程度上反映燈絲內部的結溫。

從圖6中可以看出,溫度隨著電流的增加而增加,且溫度與電流幾乎成一種線性關係,關係式為T=0.908I+22。由此說明,電流的增加並不會導致溫度突然的上升而燒壞燈絲,但是電流的增加所產生的熱量對於倒裝LED燈絲的光學特性會產生一定的影響。

3.結論

倒裝LED燈絲是一個光,電,熱互相作用的混合系統,其輸出光特性受輸入電流的影響。通過研究和分析在不同直流電流的驅動下倒裝LED燈絲的光通量、色溫等輸出光性能隨輸入電流和溫度變化的規律,得到以下結論:

在不同直流電流的驅動下,倒裝LED燈絲的色溫隨著電流的增加而增加,色坐標比較穩定,而光通量會受到較大的影響;且這種影響,在輸入較小的電流時並不明顯,在輸入較大電流時,光通量會有明顯的下降;電流的增加會導致溫度的上升,過多的熱量加速晶片和螢光粉的老化,從而使得倒裝LED燈絲的光學性能下降,光衰明顯。因此,倒裝LED燈絲具有良好的散熱是一個關鍵。

 

來源:中國照明電器協會

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