【科普帖】倒装LED灯丝灯的光学性能详解

     倒装LED灯丝因其倒装和平面涂覆工艺以及360°立体发光的特点成为市场研究的重点。长期以来，国内外的专家致力于LED的发光均匀性的研究，但其实LED是一个光、电、热相互影响的综合系统，其输出的光学性能会受到输入的电流和结点温度的影响。

    LED的PN结中注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，将电能直接转换为光能，但是在这个过程中，会产生大量的热，如果这些热量无法及时散开，就会导致PN结的温度迅速上升，从而影响到倒装LED灯丝的发光性能。

    本文研究倒装LED灯丝在不同直流电流驱动下的光通量、色温等输出光性能随输入电流和温度变化的规律，比较初态和稳态（点亮30min之后）的光通量、色温等，分析温度对于光学性能的影响。

    1.样品制备与测试

    1.1样品制备

    将倒装LED芯片通过固晶机固定于白陶瓷基板上，陶瓷基板尺寸为60mm×1.2mm×0.38mm，芯片尺寸为12mil×26mil，用两层体涂覆方式对灯丝进行点胶。取6根上述方法制备的灯丝，将6根灯丝串联在一起

    1.2测试

    采用型号为ZWL-9200的中为积分球测量光通量、色温和色坐标。被测LED采用固定夹具置于积分球中心，LED发射的光经积分球内部白色漫反射层，漫反射一部分光线通过积分球表面的通光孔径光纤传输到微型多通道光谱仪，光谱仪采集的数据通过USB接口发送到计算机进行处理和显示，光源采用恒流源供电。

    2.分析与讨论

    采用中为的积分球进行测试。将样品点亮，放进积分球，测试得到瞬态色温，光通量和色品坐标等。点亮30min后，再次进行测量得到稳态的光学性能。随后，将瞬态与稳态的数据进行分析和比较，得出结论。

    2.1光通量分析

    光通量随电流的变化无论是在初态还是稳态，光通量都随电流的增加而增加。这是因为PN结是发光二极管的核心部分，电流增加后，注入到发光区的电子和空穴数量增加，发生辐射复合的数量也会增加，从而导致LED的光通量增加。理论上，LED的光通量随电流的增大而线性增大。

    但是，如图2所示，在初态且电流为10~25mA的时候，光通量随电流的变化是1条斜率K=18左右的直线，电流与光通量几乎呈线性关系，而在25~30mA的时候，斜率K=16.1132，有了明显的下降。

    由此可以看出，在初态时，电流和光通量几乎成线性关系，在30mA点亮时，因为LED芯片趋于饱和状态，才导致斜率有了明显的下降。在稳态时，相邻两点之间的斜率依次为K1=17.5912，K2=16.5578，K3=15.1132，K4=13.6684，光通量与电流不再成线性关系，而且随着电流的增加，光通量增加的量越来越小（斜率逐渐减少），这是因为电流的上升导致结温上升，且灯丝没有及时散热，从而导致结温对光通量造成影响，产生光衰。由此可见，热量会导致芯片老化，而芯片老化是光通量下降的根本原因。

    根据图2初态和稳态的比较，可以发现点亮30min之后（即稳态），灯丝的光通量均有所下降，且下降趋势随着电流的增加也越来越明显。10mA驱动时，稳态的光通量为瞬态的99.8%，15mA驱动时，稳态的光通量为瞬态的98%，20mA驱动时，稳态的光通量为瞬态的95%，25mA驱动时，稳态的光通量为瞬态的92.7%，30mA驱动时，稳态的光通量为瞬态的91%。

    由此可见，当输入电流较小时，光通量随温度升高而减少的现象不清晰，但随着电流的逐渐加大，光衰现象非常明显。因为随着温度的升高，LED的电光转换效率下降，即输入相同的电功率所产生的可见光的量在减少，所以光通量也减少。

    2.2色温分析

    初态和稳态不同电流下的色温，落点均在bin区内，而且落点集中，符合国际标准。进入稳态之后，色坐标落点仍然十分集中，没有明显的漂移。色坐标的漂移主要因素是荧光粉性能的老化，而过高的热量又是导致荧光粉性能老化的首要因素。由此可以看出，倒装LED灯丝具有良好的散热性，从而保证倒装LED灯丝的稳定和可靠。而色坐标微小的漂移与荧光粉的颗粒，搅拌均匀度，芯片亮度等原因有关。

    在稳态情况下倒装灯丝的色温均上升，在10mA时，增长量为0.39%，在15mA时，增长量为0.48%，在20mA时，增长量为0.68%，在25mA时，增长量为0.77%，在30mA时，增长量为0.77%。

    色温的增量随着电流增大最后趋于饱和，说明荧光粉的热猝灭效应大于芯片，热辐射的温度大于芯片的温度。而色温随电流的增加而增加，是因为随着电流的增加，倒装灯丝中的芯片发出的蓝光增多，而荧光粉层的厚度是一定的，则出射的白光中蓝光成分增加，从而使灯丝的色温增加，当LED芯片发出的蓝光趋于饱和状态时，色温的增加也将变得缓慢。

    英国物理学家凯尔文（Kelvin）于1848年在一次物理实验中发现了光色与温度的关系。他把黑体（又称绝对黑体，也称完全辐射体）放在密封容器中加热，以绝对零度（-273.16℃）为计算起点，温度每升高1℃，色温相应提高1K。

    温度与电流也成线性关系，因此，色温与电流也成线性关系，但是根据图5所示，无论初态还是稳态在15mA时，斜率从4.5左右瞬间下降到1.4左右，发生了一个突变，由此可见，电流的增大，温度的上升不仅能够激发LED芯片的蓝光，还会造成LED芯片的衰减，而且温度对于LED衰减的影响将远大于其所激发的蓝光。

    2.3温度分析

    运用热电偶测量点亮30min之后灯丝的平均温度。根据公式Tj=Ths+RjPheat=Ths+RjKhPd，式中Rj为LED的内部热阻，Tj为结温，Kh为发热系数，由此可以看出，灯丝的平均温度从一定程度上反映灯丝内部的结温。

    温度随着电流的增加而增加，且温度与电流几乎成一种线性关系，关系式为T=0.908I+22。由此说明，电流的增加并不会导致温度突然的上升而烧坏灯丝，但是电流的增加所产生的热量对于倒装LED灯丝的光学特性会产生一定的影响。

    3.结论

    倒装LED灯丝是一个光，电，热互相作用的混合系统，其输出光特性受输入电流的影响。通过研究和分析在不同直流电流的驱动下倒装LED灯丝的光通量、色温等输出光性能随输入电流和温度变化的规律，得到以下结论：

    在不同直流电流的驱动下，倒装LED灯丝的色温随着电流的增加而增加，色坐标比较稳定，而光通量会受到较大的影响；且这种影响，在输入较小的电流时并不明显，在输入较大电流时，光通量会有明显的下降；电流的增加会导致温度的上升，过多的热量加速芯片和荧光粉的老化，从而使得倒装LED灯丝的光学性能下降，光衰明显。因此，倒装LED灯丝具有良好的散热是一个关键。