展陈空间智能控制用荧光玻璃制备及光学性能测试研究

任睿

摘 要：针对传统LED封装材料导热性能较差问题，提出一种用于LED封装的荧光玻璃制备方法。试验对荧光玻璃的制备条件进行优化，然后对荧光玻璃的光学性能和应用性能进行研究。结果表明：在LuAG：Ce 荧光粉质量分数为8%，CASN：Eu2+荧光粉掺杂质量分数为20%， LuAG：Ce荧光玻璃厚度为1.0 mm的条件下制备的复合荧光玻璃光学性能最佳。此时，荧光玻璃的透过率约为70%，温度从室温上升至473 K 时，荧光玻璃荧光强度降低至室温（298 K）时的 79.6%，发光光效为 90.65l m/W，色温为 3 289 K，显色指数为91.6，表现出良好的透过性、热稳定性和光电性能。将复合荧光玻璃用于大功率COB器件的封装，可封装成大功率COB器件；通过对CASN：Eu2+荧光粉掺杂浓度和荧光玻璃厚度进行调节，可调节LED色度，对白光LED光电性能进行有针对性的改善。

关键词：展陈空间；LED封装材料；封固胶封装；荧光玻璃；光学性能

中图分类号：TQ577.13；TQ171.7 文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0188-04

Preparation and application of fluorescent glass for intelligent control of lighting in exhibition space

REN Rui1，2

（1.Jiangsu Suhao Aitao Cultural Industry Co.，Ltd.，Nanjing 211106，China；2.Jiangnan University，Wuxi 214122，Jiangsu China）

Abstract：A fluorescent glass preparation method for LED packaging is proposed to address the issues of poor thermal conductivity of traditional LED packaging materials.The experiment first optimized the preparation conditions of fluorescent glass，and then studied the optical and application properties of fluorescent glass.The experimental results showed that the composite fluorescent glass prepared under the conditions of LuAG： Ce fluorescent powder concentration of 8%，CASN： Eu2+fluorescent powder doping concentration of 20%，and LuAG：Ce fluorescent glass thickness of 1.0 mm had the best optical performance.At this point，the transmittance of the fluorescent glass was about 70%.When the temperature rised from room temperature to 473 K，the fluorescence intensity of the fluorescent glass decreased to 79.6% at room temperature （298 K），with a luminous efficiency of 90.65lm/W，a color temperature of 3 289 K，and a color rendering index of 91.6.It exhibited good transmittance，thermal stability，and optoelectronic properties.The composite fluorescent glass was used for packaging high-power COB devices，and the large-sized composite fluorescent glass sheet could be packaged into high-power COB devices.By adjusting the concentration of CASN： Eu2+ phosphor doping and the thickness of the fluorescent glass，the LED chromaticity could be adjusted，and the photoelectric performance of white light LEDs could be targeted and improved，which could be applied in the field of high-power LEDs.

Key words：exhibition space;LED packaging material;sealing packaging;fluorescent glass;photoelectric properties

随着现代LED 照明的飞速发展，白光 LED 光源因其独特的优势将成为替代传统光源的新一代绿色照明光源。但传统LED封装材料自身导热性能较差，长时间使用会发生老化发黄，使得LED器件出现光效衰减和寿命缩短的问题，限制了LED器件的应用。对LED封装材料性能进行优化对LED器件的发展有重要意义。对此，部分学者也进行了很多研究，如提出将无压烧结纳米银膏作为芯片固晶材料，应用于大功率发光二极管封装。试验结果表明，纳米銀膏作为芯片固晶材料可为大功率发光二极管提供良好的散热通道，降低芯片结温并提高器件可靠性[1]。合成了一种耐热老化性能良好的线型甲基苯基含氢聚硅氧烷材料用于LED封装[2]。制备了一种综合性能良好的高折射率乙烯基苯基硅油[3]。制备了一种高透明、高折光率LED封装苯基硅树脂[4]。基于此，本试验以文献[5]的方法为参考，制备了一种用于LED的荧光玻璃，并通过封固胶对其进行封装后，分析其光电性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：二氧化碲（TeO2）（AR），盛特新材料；氧化钠（Na2O）（AR），辉腾化工；氧化锌（ZnO）（AR）， 海顺新材料；氧化硼（B2O3）（AR），兴恒业科技；LuAG：Ce荧光粉（标准品），新力光源 ；CASN：Eu2+红色荧光粉（标准品），威彩翔实业；环氧树脂胶（AR），乐燊泰新材料。

主要设备：F8-9000型荧光光谱仪，海卓尔光电科技；CH600-190-XV型X射线衍射仪，文天精策仪器；AC-3型能谱仪，方圆环保科技；Cary 5000 型光度计，安捷伦科技； LD-X800型快速光谱仪，巴斯德仪器；YB-1600XA型马弗炉，彬谷科技；GD80-120型真空脱泡机，高登自动化科技；101-A型电热烘箱，华莎干燥设备。

1.2 试验方法

1.2.1 荧光玻璃的制备

（1）根据表1配制玻璃原料组分，将0.05 mol/g玻璃原料和一定质量分数的LuAG：Ce荧光粉，研磨混合后倒入马弗炉刚玉坩埚中；

（2）将刚玉坩置于马弗炉中进行恒温熔融，熔融温度和时间分别为600 ℃和30 min；

（3）将熔融后的玻璃液迅速倒入预热后的马弗炉铸铁模上进行恒温退火，退火温度和时间分别为250 ℃和2 h。退火结束后，关闭马弗炉，使温度慢慢降至室温状态，得到透明荧光玻璃，经过研磨抛光后，得到一定厚度的荧光玻璃片。

1.2.2 复合荧光玻璃制备

（1）将一定量 CASN：Eu2+红色荧光粉放入容器中，搅拌后真空脱泡5 min；

（2）在涂覆平台上固定荧光玻璃片，然后通过控制转盘转速和胶量在荧光玻璃片表面涂覆一层红色荧光薄膜，置于电热烘箱内烘干，烘干温度和时间分别为80 ℃和20 min，提升烘箱温度至150 ℃后，继续烘烤20 min，得到复合荧光玻璃；

（3）将荧光玻璃高分子材料进行LED封装，封装采用市售的环氧树脂封固胶。

1.3 性能测试

1.3.1 荧光光谱分析

通过F8-9000型荧光光谱仪对荧光体材料在不同波长处荧光强度的分布情况。

1.3.2 XRD分析

通过CH600-190-XV型X射线衍射仪分析样品的物相结构，表征材料的晶体结构变化。

1.3.3 微观结构分析

通过扫描电镜分析荧光玻璃中荧光粉晶粒的分布、大小。

1.3.4 EDS 分析

通过AC-3型能谱仪对荧光玻璃内元素的分布进行表征。

1.3.5 透过率分析

通过光度计对荧光玻璃的透过率进行分析。

透过率表达式为[6-7]：

T=δ／δ0（1）

式中：T为透过率，%；δ为透过光通量；δ0为总透过光通量。

1.3.6 白光 LED 光电参数分析

通过 LD-X800型快速光谱仪对封固胶封装的白光 LED 光电参数进行分析。

2 结果与讨论

2.1 荧光光谱分析

图1为荧光光谱分析结果。

从图1可以看出，在 455 nm 蓝光激发条件下，存在中心波长约为 520 nm 的Ce3+：5d→4f 宽发射带；在 520 nm监测波长的发射下，存在以350、455 nm为中心波长的典型Ce3+：4f→5d 的宽带跃迁[8-9]。 从图1还可以观察到，荧光玻璃中荧光粉浓度越大，其荧光强度也越大。为了使荧光玻璃具备较强的荧光强度，因此在后续试验中，选择适合的 LuAG：Ce 荧光粉质量分数为8%。值得注意的是，由于基质玻璃对短波长光存在强吸收作用，因此荧光玻璃在 350 nm 处的激发峰强度明显弱于YAG：Ce 荧光粉[10]。

2.2 XRD分析

图2为XRD分析结果。

从图2可观察到，2条XRD曲线均存在与标准 LuAG：Ce 图形相对应的晶相结构。较LuAG：Ce 荧光粉的XRD曲线，荧光玻璃存在属于基质玻璃特性的非晶态驼峰。除此之外，2种XRD曲线上并未出现其他杂相。以上变化说明了碲酸盐基质玻璃中成功掺入了 LuAG：Ce 荧光粉，且并不破坏材料原有的晶格结构[11-14]。

2.3 透过率分析

以基质玻璃为对比，对制备的荧光玻璃光透过率进行分析（2种玻璃厚度均为1.0 mm），结果如图3所示。

从图3可以看出，在600～700 nm波段内，2种玻璃样品的透过率均在70%左右，光学透过率良好。还从图3观察到，荧光玻璃的透过率曲线在455 nm左右明显下降。出现这个变化的主要原因在于，荧光玻璃内的Ce3+对该波段位置的光具备较强的吸收作用[15]。

2.4 热稳定性分析

热稳定性能是评估白光 LED 器件可靠性的重要参数，直接影响白光 LED 的发光效率、色品质以及期间的使用寿命[16-17]。以LuAG 荧光硅胶为对照，通过发光强度随温度升高的变化情况衡量荧光材料的热稳定性能，结果如图4所示。

从图4可以看出，2种荧光材料的荧光发射强度均随温度升高而降低，但LuAG 荧光硅胶的降速更快。当温度上升至473 K 时，熒光玻璃荧光强度降低至室温（298 K）时的 79.6%，LuAG 荧光硅胶降低至室温时的 72.3%，这说明本试验制备的荧光玻璃表现出更优异的热稳定性[18]。出现这个变化的主要原因，荧光玻璃热导率明显高于荧光硅胶的热导率，因此可以快速将芯片产生的热量传递出来，使其具备更高的热稳定性[19-20]。

2.5 复合荧光玻璃光电参数影响因素

2.5.1 CASN：Eu2+荧光粉浓度的影响

将复合荧光玻璃片用封固胶封装成白光LED，并通过电致发光光谱进行测试，结果如图5所示。

从图5可以看出，添加了CASN：Eu2+荧光粉的复合荧光玻璃较纯荧光玻璃光谱，向着长波长的方向发生红移，且荧光粉质量分数越大，红光波段强度越高。出现这个变化的主要原因在于，蓝光光源激发条件相同时，CASN：Eu2+荧光粉质量分数越大，则体系内Eu2+的含量越高，被蓝光和绿光激发出的红光越多，红光波段的强度越高。

2.5.2 荧光玻璃厚度的影响

图6为电致发光光谱测试结果。

从图6可观察到，随荧光玻璃厚度的增加，绿光波段强度增加明显，而红色波段强度几乎不发生改变。出现该变化的主要原因，荧光玻璃厚度越大，在一定程度上会增强蓝光对绿色荧光粉的激发，但对蓝光激发红色荧光粉有削弱作用。

2.5.3 发光实物图

为了满足商业白光 LED 的照明需求，要求白光 LED 的色坐标落在黑体辐射线上。根据发光实物图进一步对光电参数影响因素进行优化，并对不同条件制备的复合荧光玻璃封装的光电参数进行测试，结果如图7所示。

从图7可以看出，最佳的 CASN：Eu2+荧光粉掺杂质量分数和 LuAG：Ce 荧光玻璃厚度分别为 20%、1.0 mm。将该条件制备的复合荧光玻璃封装成的白光LED，对其光数进行测试，其发光光效为90.65l m/W，色温为3 289 K，显色指数为91.6。结合“2.5.1、2.5.2”的结果可知，通过对CASN：Eu2+荧光粉掺杂质量分数和荧光玻璃厚度进行调节，可调节LED色度，对白光LED光电性能进行有针对性的改善。

3 结语

本试验制备的复合荧光玻璃封装的白光LED表现出良好的光电效果，可以在大功率 LED 领域进行应用。

（1）在LuAG：Ce 荧光粉质量分数为8%的条件下，荧光玻璃表现出良好的荧光效果；

（2）XRD和微观形貌分析结果表明，基质玻璃中成功掺入了 LuAG：Ce 荧光粉，且并不破坏LuAG：Ce荧光粉和基质玻璃原有的晶格结构，不会影响其光学性能；

（3）在600～700 nm波段内，荧光玻璃的透过率约为70%，表现出良好的光学透过性能；

（4）荧光玻璃荧光发射强度随温度升高而降低。当温度上升至473 K 时，荧光玻璃荧光强度降低至室温（298 K）时的 79.6%，表现出优异的热稳定性，有望替代传统硅胶封装材料提高 LED 器件的可靠性；

（5）CASN：Eu2+荧光粉掺杂质量分数和 LuAG：Ce 荧光玻璃厚度分别为20%、1.0 mm时，制备的复合荧光玻璃发光光效为 90.65l m/W，色温为 3 289 K，显色指数为 91.6；

（6）最佳条件制备的复合荧光玻璃可实现大功率 COB 器件的封装，可以在大功率 LED 领域进行应用。

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收稿日期：2023-01-29；修回日期：2023-05-28

作者简介：任 睿（1976-），男，高级工程师，研究方向：文化场馆展陈智能研究；E-mail：8332182@qq.com。

引文格式：任 睿.展陈空间智能控制用荧光玻璃高分子材料制备及应用[J].粘接，2023，50（6）：188-191.