基于计算机模拟TiO2改性转光膜及pc-WLED研究*

薛 辉,常 睿

(1.江苏联合职业技术学校 常州旅游商贸分院，江苏 南京 210000；2.常州工学院 教务处，江苏 常州 213032)

0 引 言

荧光转换型白光二极管(phosphor-converted white LED,pc-WLED)作为一种新型光源，基于其所具有的节能环保、安全可靠、光谱可调等性能获得了广泛应用[1,2]，如室内家居、商场、学校等场所，室外景观、路灯等领域。目前实现白光的主流方式是InGaN蓝光LED芯片激发YAG︰Ce黄色稀土荧光粉材料，通过两种光谱复合实现白光。目前，随着节能环保要求的提高，高效发光、光色均匀的pc-WLED器件逐渐成为了研究的焦点。

转光膜作为一种新型光致发光荧光材料[3,4]在制备的pc-WLED器件中，由于发光中心远离LED芯片热源，其受热影响较小，可靠性获得提高[5,6]。根据应用场所环境条件要求的不同，基体材料可以是有机硅树脂[7]、聚碳酸酯[8]、聚甲基丙烯酸甲酯[9]、无机玻璃粉[10,11]等。目前，很多学者通过结构设计、新材料引入等方法，进一步优化和提高转光膜及其制备的pc-WLED的光色性能。Hong Q等人[12]研究了一种用于高色域LCD照明背光源的量子点转光膜，通过设置微棱镜膜引起较少的量子点材料吸收更多的蓝光，并重新发射出更高功率的绿光和红光。Kim J S等人[13]通过玻璃基板表面粗化和丝网印刷技术制备出(Ba,Sr,Ca)2SiO4︰Eu2+转光膜，由于粗化的表面降低了光子在界面处的全反射现象，对应的pc-WLED器件效率可以提高16 %(在表面粗糙度为151 nm条件下)。Kwon O H等人[14]针对平面转光膜基于ZnO波导纳米结构与等离子体Au纳米颗粒相结合来增强发光性能，将转光膜层通过简单印刷将其涂覆到分散有Au纳米颗粒的ZnO纳米棒阵列上；由于纳米棒结构的波导效应和金纳米颗粒的等离激元效应的结合，将pc-WLED器件发光效率显著提高了约18 %。Lai C F等人[15]通过准非晶/微图案(QA/MP)复合树脂膜辅助转光膜可增强大功率pc-WLED的机械强度、发光效率、显色指数(CRI)和特殊R9，转光膜厚度低至25 μm，调节色温从5 565 K变化至3 178 K，发光效率达到102 lm/W。Tang T等人[16]通过静电纺丝工艺制备出均匀色度的转光膜，在可见光区漫透射率高达78.48 %，雾度达到91.58 %，制备的pc-WLED器件在相近色温5 000 K条件下，色温偏差降低了62.26 %，光通量损耗仅为2.12 %。

有别于上述研究的方式，本文通过计算机模拟的方法，快速研究了无机TiO2粒子的引入对转光膜和对应pc-WLED的光色指标进行改性效果。TiO2粒子折射率2.7，对光子有明显的散射效应，基于该效应提高蓝光LED激发光子对荧光粉粒子的轰击和转换[17]；同时TiO2粒子对于激发光子和荧光发射粒子的散射效应还有利于提高出光的光色均匀性。文中所用的基体材料为有机硅树脂(A/B双组份)，黄色YAG︰Ce荧光粉作为光致发光中心。通过蒙特—卡洛光线追迹计算和Mie散射理论复合，研究了TiO2粒子浓度与发射光强度的变化关系以及其中的机理[18]，对pc-WLED器件进行了光谱分布曲线、光通量、色坐标计算，获得了TiO2粒子最佳掺杂质量分数为2.0 %。此时对应的pc-WLED器件在光通量度有14.83 %的提升，说明了TiO2粒子在改性转光膜和pc-WLED光色性能上的可行性。

1 计算机模拟

1.1 材料类别及特性

YAG︰Ce荧光粉(λ=558 nm)，有机硅树脂(折射率=1.54)，蓝光LED(λ=455 nm),TiO2粒子掺杂质量分数分别为0.0 %，0.5 %，1.0 %，2.0 %，4.0 %，8.0 %共8组。

1.2 计算机模拟流程

1)在蓝光LED芯片内部的各层界面处，蓝光子基于材料的折射率，透射率等参数的不同，自动计算获得反射或者透射的结果；2)在蓝光光子到达了由有机硅树脂和黄色YAG︰Ce荧光粉构成的转光膜内部，同时由于TiO2粒子的存在，根据Mie散射理论，判断发生散射、吸收或者转换的光学现象；3)当光子穿过转光膜后，在与空气的界面处，还会存在基于转光膜和空气折射率不同而产生的反射或透射现象，此现象会基于Mie散射和几何光学理论，在计算机后台计算的条件进行；4)通过在pc-WLED外设置接收器，统计所获得的不同波长的光子数目和能量，即可计算出光谱分布曲线、光通量、色坐标等光色参数，至此完成全部的计算机模拟过程。

2 结果与分析

2.1 激发与发射光谱

图1是转光膜特征激发与发射光谱曲线和TiO2粒子不同掺杂浓度对应的转光膜发射光谱强度计算获得的变化曲线。光谱曲线中对应的激发和发射峰值分别为455 nm和558 nm，对应稀土Ce3+的2F7/2→5d跃迁吸收和5d→4f跃迁发射。

图1 转光膜激发与发射光谱曲线，转光膜发射光谱强度随TiO2粒子浓度变化曲线

从图1中可以看出，两种光谱曲线都具有宽光谱分布的特征，激发光谱曲线包含了蓝光LED芯片的光谱范围，因此，蓝光LED芯片可有效地激发转光膜实现Ce3+的5d→4f跃迁发射。发射光谱的强度随着TiO2浓度的增加，表现出先升高后下降的趋势，在质量分数为2 %时具有最强发射强度。这种变化的主要原因是：在低浓度掺杂时，荧光粉粒子数目相对较低，大量蓝光LED激发光子直接透过转光膜，不能有效地激发荧光粒子；随着浓度的逐渐提高，TiO2粒子的散射特性可以有效地改变激发光子传播的方向，使得原本要透射出膜层的光子转移方向进而激发荧光粒子，从而提高了2F7/2→5d跃迁吸收的几率和5d→4f跃迁发射的强度；但是随着浓度的进一步提高，大量的TiO2粒子堆积形成粒子团，激发光子和荧光发射光子在膜层内部传播过程中则会陷入粒子团中，不能有效地出射至膜层外部，表现为发射强度的下降。

2.2 Mie散射理论计算分析

图2和图3是基于Mie散射理论计算的荧光粉粒子、TiO2粒子的散射光强分布曲线和TiO2粒子不同浓度对应的散射系数和光子传播自由程。其计算公式如下

(1)

(2)

(3)

(4)

μsca=NCsca

(5)

图2中对应的荧光粉粒子和TiO2粒子的折射率分别为1.83和2.7，粒径为17.84 μm和8.26 μm。前者的散射光强具有明显的前向传播特征，即光子传播主要为前向透射为主，这可能的原因是荧光粉粒子粒径较大，对于传播至其表面的光子具有类似于透镜汇聚的作用，因此表现出的光子强度为前部方向值较大。TiO2粒子由于粒径较小，对于光子的散射传播则表现出前向和后向强度相近特征，这也符合Mie散射分布与粒径大小的关系。

图2 基于Mie散射理论计算的荧光粉粒子、TiO2粒子的散射光强分布曲线

图3中可以看出：随着TiO2粒子浓度的提高，对应散射系数逐渐升高，平均自由程逐渐降低。这是因为随着粒子浓度的提高，单位体积转光膜中，TiO2散射粒子数目增加，因此，激发光子在传播过程中连续到达粒子表面的距离减小，即光子传播平均自由程降低；平均自由程的降低可以有效地提高光子连续与粒子作用几率，即表现在散射系数的提高，同时由于光子与粒子的连续作用，也会改善光子出射至膜层外界后发射光强度分布的方向。

图3 TiO2粒子不同浓度对应的散射系数和光子传播平均自由程

2.3 pc-WLED器件模拟与分析

表1是基于TiO2粒子不同浓度转光膜模拟的pc-WLED器件光色指标。从表中可以看出随着TiO2浓度的提高，对应器件的色温从冷色9 606 K逐渐下降至暖色4 530 K；光通量则表现出先升高后降低的规律，其中在质量分数为2.0 %，pc-WLED器件的光通量具有最高值415.8 lm，相较于未掺杂时的362.1 lm，提高了14.83 %。光通量的提高和色温的调控均得益于TiO2粒子的散射效应对激发光子和荧光发射光子传播方向的调控。

表1 TiO2粒子不同质量分数转光膜对应pc-WLED器件光色指标

图4是根据TiO2粒子不同质量分数转光膜对应pc-WLED器件光谱分布曲线，从图4中可以看出，随着质量分数的提高，对应器件光谱中蓝光激发强度逐渐降低，这是因为TiO2粒子的散射效应，提高了蓝光LED激发光子与荧光粉粒子相互作用的几率。黄色荧光发射光强度则表现出先升高后下降的趋势，其中在质量分数为2 %时发射光强度最大，表现的规律和原因与图2一致。结合光通量的计算公式，与人眼明视觉效能曲线重叠的面积越大，对应的光通量值越高，因此,光通量随着TiO2粒子的浓度表现为先增加后降低的规律特性。

图4 TiO2不同质量分数对应器件光谱分布曲线

图5是对应器件色坐标的变化趋势，表现为向右上角逐渐移动的规律，对应色温值则由表1所示，说明TiO2的掺杂及其浓度的调节，可以有效进行器件色温和光色的调控

图5 TiO2不同质量分数对应器件色坐标

(6)

式中 683(lm/W)为常数因子，S(λ)为pc-WLED器件的光谱分布曲线，V(λ)为人眼明视觉效能曲线。

3 结 论

本文通过蒙特—卡洛光线追迹的计算机模拟方法，研究了TiO2粒子不同掺杂浓度对转光膜和pc-WLED的改善研究。研究表明：荧光发射强度随着TiO2粒子浓度的提升先升高后降低，在质量分数为2.0 %时具有高值，这种规律与TiO2粒子的散射效应和高浓度粒子的陷光效应有关。Mie散射计算显示光子传播自由程随粒子质量分数升高而降低，这种降低有利于光子的散射系数的提高和蓝光激发光子激发。最后结合蓝光LED芯片实现不同pc-WLED器件的模拟，光谱分布曲线显示蓝光强度随TiO2粒子质量分数增加而降低，黄光荧光发射强度则表现升高趋势，均得益于粒子散射效应提高了蓝光LED激发光子与荧光粉粒子作用的几率。对应在质量分数为2.0 %时具有最高光通量415.8 lm，相较于未掺杂时的362.1 lm，提高了14.83 %。上述研究表明，TiO2粒子的散射效应可有效地改性转光膜和pc-WLED器件的光色性能，对于制备高效率、低成本和高均匀度的器件具有潜在的参考价值。