大功率LED封装用梯度折射率荧光玻璃制备及其出光机理研究

Improving the light extraction efficiency and device reliability of LEDs are key technologies for high power LED packaging, and are of great importance for the solid state lighting industry. This proposal utilizes the concept of function gradient material for fabricating phosphor glass by using multilayer screen printing and low temperature sintering technology. The resulting material has a gradient refractive index and meets the requirements for high power LED packaging. The proposed works include: 1) Understanding the mechanisms of photon transportation and loss in phosphor glass using Mie scattering theory and Monte Carlo Ray Tracing method, and establishing the corresponding photon transportation models; 2) Fabricating phosphor glass materials with a gradient refractive index and matching thermal expansion coefficient by the multilayer screen printing and low temperature sintering technology. Low melting point glass powders and phosphors will be used as matrix and TiO2 nanoparticles will be added to adjust the refractive index; and 3) Establishing the optical model for gradient refractive index phosphor glass-based LED packaging using the results from experimental studies. Such phosphor glass can not only reduce the reflection loss at the interface, but also resist the high temperature and high humidity, resulting in the improvement of the light extraction efficiency and reliability of LED devices. This proposal explores new technologies for developing function gradient materials and high power LED packaging, which significantly promotes the development of solid state lighting and optical glass industry.

提高LED器件的出光效率与可靠性是大功率LED封装技术的关键，对半导体照明技术和产业发展意义重大。本项目借鉴梯度功能材料概念，通过丝网印刷与低温烧结技术，制备出具有梯度折射率的荧光玻璃，满足大功率LED封装需求。研究内容包括：1）结合米氏散射理论和蒙特卡罗光线追迹法，揭示光子在荧光玻璃中的传输与损耗机理，并建立相应的光子传输模型；2）选用低温玻璃粉与荧光粉为主料，通过掺加纳米TiO2调节折射率，采用多层丝网印刷与控制烧结技术，制备出折射率渐变、热膨胀系数匹配的荧光玻璃材料；3）应用梯度折射率荧光玻璃的LED封装实验研究，建立基于梯度折射率的LED封装光学模型。由于该荧光玻璃具有渐变的折射率结构，不仅降低了界面反射损耗，而且耐高温、抗湿气，可有效提高LED器件的出光效率与可靠性。本项目实施为大功率LED封装、梯度功能材料研发开辟了新思路，对促进半导体照明、光学玻璃技术发展具有重要推动作用。

目前，白光LED因其独有的优势，受到了学术界和产业界的广泛关注，发展意义重大。其中，提高出光效率和可靠性是大功率白光LED封装技术的关键。本项目借鉴梯度功能材料的概念，成功制备了梯度折射率荧光玻璃，满足大功率白光LED的封装需求。在研期间的研究内容如下：1）研究了多种系统的低熔点玻璃，分析了不同系统玻璃的优劣性，得到适用于制备梯度折射率荧光玻璃的低熔点玻璃系统；2）利用蒙特卡洛法和数值法设计梯度折射率结构，揭示了光子在荧光玻璃中的传输与损耗机理，建立了光子的传输模型；3）采用多层丝网印刷和低温烧结相结合的方法，制备出具有梯度折射率渐变和热膨胀系数匹配的荧光玻璃，层间折射率差值最高可达0.5，烧结温度可低至500℃；4）建立基于梯度折射率的LED封装光学模型，采用梯度折射率荧光玻璃封装白光LED，其出光效率可提高10-30%。由于该荧光玻璃具有渐变的折射率结构，不仅降低了界面反射损耗，而且耐高温、抗湿气，可有效提高白光LED器件的出光效率与可靠性；5）设计不同的荧光玻璃结构，改善白光LED的颜色均匀性和提高显色性能。项目在研期间，共发表学术论文20篇（其中，国内外期刊论文15篇，国际会议论文5篇），申请专利7项（其中，授权发明专利2项，授权实用新型专利2项）。2016.12.21项目合作方华中科技大学陈明祥教授所在课题组“多界面光-热耦合白光LED封装优化技术”获得中华人民共和国国务院发明二等奖。 在该项目研究的基础上，获批2018年度国家自然科学基金项目（玻璃基多层功能薄膜制备及其倒置量子点LED电致发光机理研究，编号: 51772224）。本项目实施为大功率白光LED封装、梯度功能材料的研发开辟了新思路，对促进半导体照明、光学玻璃技术发展具有重要推动作用。