量子点白光LED的光热耦合建模及实验研究

As a new generation of light sources, quantum dots (QDs) converted white light-emitting diodes (QD-LEDs) have many prominent advantages in optical performance and are expected to be widely applied in the near future. Packaging structure parameters affect the optical radiative transfer processes and finally determine the optical and thermal performances of QD-LEDs. Since the physical essence of radiative transfer is a process coupled with phototransformation and heat transfer, if we can build an optical-thermal coupled model, we can instruct and design packaging structure theoretically. Based on this idea, in this proposal, firstly, we set up a double integrating sphere system to measure and calculate the optical properties of QDs colloid by Inverse Adding-doubling Method. Then, we build the optical-thermal coupled model by combining Monte Carlo ray-tracing with Finite Element Method and taking the optical-thermal transfer process in QDs colloid into consideration. Finally, we set up the optical-thermal test platforms to measure the optical and thermal performances of QD-LEDs. Experiments are performed to compare, confirm and modify the proposed model. This proposal covers a typical fundamental problem abstracting from the QD-LEDs packaging, and it is expected to instruct the design of QD-LEDs packaging and to promote the QD-LEDs to penetrate various lighting applications.

量子点白光发光二极管（LED）作为新一代照明光源在光学性能方面具有突出的优点，未来将具有广阔的应用前景。LED封装结构参数通过影响光的辐射传输过程，最终决定了LED的光热性能。由于量子点白光LED中光辐射传输的物理本质是光转换与热传导的光热耦合过程，如果能建立其光热耦合模型，以表征封装结构与光热性能之间的关系，那么就可以从理论上指导封装结构设计。本项目基于这一思想，首先，通过构建双积分球测试系统，以反向倍加法建立量子点胶体材料基本光学参数的测试与计算方法；然后，通过蒙特卡罗光线追迹和有限元热模拟相结合的方法建立光热耦合模型，同时考虑光在量子点胶体内的光热转化过程；最后，构建光热测试实验平台，通过实验研究来比较、验证并修正模型。本课题是一个典型的从封装结构设计应用需求中提出的基础问题，预期结果将可以根据LED的光热性能需求指导封装结构优化设计，促进量子点白光LED迈向各种照明领域。

量子点白光发光二极管（LED）作为新一代照明光源在光学性能方面具有突出的优点，未来将具有广阔的应用前景。LED封装结构参数通过影响光的辐射传输过程，最终决定了LED的光热性能。由于量子点白光LED中光辐射传输的物理本质是光转换与热传导的光热耦合过程，如果能建立其光热耦合模型，以表征封装结构与光热性能之间的关系，那么就可以从理论上指导封装结构设计。基于上述背景，本项目研究以下三部分内容：（1）量子点胶体材料基本光学参数的测试与计算方法。通过双积分球系统测试量子点薄膜样品的透反射率，利用反向倍加法计算基本光学参数，模拟和实验结果的最大相对误差为1.16%。（2）建立光热耦合模型。利用蒙特卡洛光线追迹和有限元分析的方法实现光热耦合建模。研究表明LED封装结构对光效具有明显的影响，模拟温度场与实测结果最高温度的相对误差不超过2%。（3）面向高光色性能需求的光谱与封装优化设计。研究量子点白光LED的光谱特性，比较了量子点白光LED和荧光粉白光LED在蓝光危害性能上的表现，研究发现在相同显色指数与光视效能约束条件下，量子点封装结构LED的色温覆盖范围宽于荧光粉封装结构LED，若想制造具有更宽色温可调范围、低蓝光危害、高显色性、高光视效能的光源，建议采用黄光荧光粉混合量子点方式。该规律可用于指导不同色温目标、具有最低蓝光危害效能的荧光粉激发型LED混合量子点。以宽司辰节律因子调节范围为目标，建立了量子点白光LED光谱优化设计方法，并通过封装结构设计，实现宽司辰节律调节范围的量子点白光LED。本项目对量子点白光LED光热耦合建模的一些基础问题进行了系统的研究，有助于指导不同光热性能需求的量子点LED封装结构优化设计，促进量子点白光LED迈向各种照明领域。