固态照明系统中光学材料的降解 - 光亚展

2024广州光亚展于2024年6月9日至6月12日在中国进出口商品交易会展馆举行，邀您关注广州国际照明展览会今日资讯：

文|小律良人

编辑|小律良人

引言

随着科技的进步，固态照明系统已经成为现代照明技术的主要趋势，然而随着使用时间的增加，光学材料在固态照明系统中逐渐降解，这可能导致光输出的衰减、颜色偏移和服务寿命的缩短。

发光二极管

固态照明技术是过去几十年中非常伟大的技术成就之一，发光二极管作为基于固态照明技术的重要代表，正在迅速在通用照明市场占据份额，特别是LED照明市场正在快速增长，预计到2020年将几乎完全覆盖市场。

根据预测数据，2014年LED封装收入达到4亿美元，而预计到2013年这一数字将增长到25.9亿美元，照明在全球电能使用中占据了相当大的比例，约为18%左右，LED不仅在室内照明应用中有着广泛的应用前景，而且在户外和工业领域也越来越受欢迎。

此外LED还在移动设备、液晶设备、电视屏幕和交通照明等领域具有吸引力的市场，与传统光源相比，LED有许多优势，它具有更高的光输出、更小的尺寸、更长的使用寿命、环保性以及更多的颜色可控性。

LED还在能源消耗方面表现非常出色，每流明的能耗最低，是所有照明光源中最节能的选择，考虑到能源问题对于全球变暖的重要性，LED照明能耗趋势以及LED市场份额的增长情况。

随着LED的普及应用，照明能耗正在逐渐下降，而LED市场份额正不断增加，固态照明技术以及基于LED的照明方案具有巨大的发展潜力和广阔的市场前景，它不仅能提供高效、环保的照明解决方案，还能够为各个领域带来更好的照明体验。

LED产生白光的方法有四种，其中最常用的是使用蓝光芯片和黄色荧光粉的组合，在这种方法中，一部分蓝光激发黄色荧光粉发出黄光，通过将发射的黄光与未被吸收的蓝光混合，产生白光。

如果荧光粉在450nm处吸收蓝光并在650nm处发射红光，那么这个方法在所有方法中具有最高的效率，能量效率为69%，其中31%的初始能量转化为热量，黄色荧光粉和蓝光芯片可以通过两种方式组合使用。

一种是在芯片表面或周围直接涂覆荧光粉层，另一种是将荧光粉颗粒加入透镜中，LED产生白光的方法就是利用蓝光激发黄色荧光粉发出黄光，并与未被吸收的蓝光混合形成白光，这是目前最常用且效率最高的方法之一。

在评估LED灯的质量时，通常会使用三个参数，其中第一个参数也可能是最重要的参数是光效率，也被称为发光效率，它用流明输出除以产生光所需的电功率来衡量，单位是流明瓦特，光效率越高，表示LED能够以更少的电能产生更多的光。

LED产品的第三个质量衡量标准是显色指数，它描述了光源与自然光源相比再现特定物体颜色的能力，CRI值越高，表示LED能够更准确地还原物体的真实颜色。

通过光效率高、寿命长和较高的显色指数，LED在照明领域具有明显的优势，并且被广泛认可为未来的照明选择，LED照明系统由不同级别的组件组成，使其成为一个相对复杂的系统，这些组件在系统中扮演着光学、电气或热功能的角色。

LED照明系统的五个级别分别是：0级是LED芯片或裸片，即发光二极管，1级是封装的LED芯片，主要用于保护芯片和将电气连接焊接到LED封装底部，在这一级别中还使用荧光粉进行颜色调整，并进行热管理。

2级定义为LED阵列封装在印刷电路板上，形成LED阵列或模块，3级是指准备用于最终应用的照明模块，LED封装在具有简单电气光学热组件的模块中，4级分配给LED灯具或灯，将照明模块与所有其他系统组件组合在一起。

最后5级被分配给一组灯具，用于形成空间中的照明系统，在SSL系统中，报告了30多种故障模式，这些故障可能发生在任何系统级别，还有超过50种其他故障模式。

这些故障模式是LED照明产品所特有的，与其他照明设备的故障模式不可比拟，相比之下荧光灯只有不到10种公认的故障模式，其中一些非常简单，例如玻璃外壳破裂，这些故障模式的详细说明可以在参考资料的第二部分书第1章中找到。

总之LED照明系统具有不同级别的组件，每个级别扮演着特定的角色，从LED芯片到最终形成照明系统的灯具，在这一过程中可能会出现多种故障模式，需要进行适当的监测和维修。

LED照明系统中LED芯片和封装的故障是最常见和最严重的问题，一些LED故障的原因还不完全清楚，需要进一步的研究来深入了解，而其他一些故障已经进行了全面的分析，下面是一些已知的故障例子。

欧姆触点的退化：这是指LED封装中金属引线接触部分的退化，可能导致电流传输不良，引线框架中的故障：这是指LED封装中金属引线或焊点出现损坏或断裂的情况，封装胶材料变色：LED封装使用的胶材料可能会因为高温或辐射而发生颜色变化，影响光学性能。

有机硅封装胶的碳化：有机硅封装胶可能会在高温下发生碳化，导致封装失效，荧光粉的热淬灭：荧光粉在高温环境下可能会发生热淬灭，导致颜色失真。

为了防止这些故障发生，必须保护LED芯片和封装免受腐蚀性系统和环境压力的影响，通常会使用聚合物封装材料来覆盖芯片和其他微电子元件，以防止直接接触环境应力，因此正确选择封装材料非常重要。

所选的材料应具备足够的稳定性，能够承受LED产生的高温和光通量，主要目的是综述SSL系统中不同光学材料的降解和老化机理，为选择适合不同工作条件的材料提供参考，同时，该文也可供参与LED寿命相关研究的人员使用。

LED封装和照明设备中使用的光学材料结构对于理解LED中的不同故障机制至关重要，在典型LED系统中，LED器件中所使用的聚合物材料需要具备最佳的热、光学、电气和机械性能的组合。

为了确保LED照明的可靠性，需要应对众多的技术复杂性和挑战，本其中一些挑战与材料的选择有关，这就意味着只有通过优化材料的选择才能解决这些挑战。

光学材料应具备以下特点：高折射率、良好的耐化学性、强的附着力和粘合强度、良好的机械强度、稳定的微观结构和高抗紫外线辐射性。

简单来说材料的优化可以提高LED照明设备的性能和可靠性，通过了解LED封装和其他光学材料的结构及其性能要求，可以解释和理解LED中不同故障机制的原因，这有助于增加对LED器件的可靠性，并帮助改善LED照明系统的性能。

有机硅

有机硅是一种具有优秀光学和热性能的材料，它是传统聚合物的重要竞争对手，在有机硅中，最常见和广泛应用的是聚二甲基硅氧烷、聚二苯基硅氧烷、三甲基硅氧基和甲基苯基有机硅。

这些有机硅具有独特的结构，因为它们是半有机物质，其中的有机基团与无机主链Si-O结合，一般来说，有机硅材料在LED封装和照明设备中具有竞争优势，因为它们具备出色的光学和热性能。

这些材料在LED器件中可以发挥重要作用，提供稳定的微观结构、高抗紫外线辐射性，从而解决LED中的一些技术挑战，因此，有机硅在LED领域中是被广泛使用和重视的材料之一，最近人们将二氧化硅添加到有机硅中，以提高LED封装胶的机械和热稳定性。

这样做可以增强链的稳定性，减少有机硅降解的途径之一断链，相比较苯基硅氧烷和甲基硅氧烷，苯基硅氧烷的光输出增加了约10%，因为它的折射率更高，这对产品性能、可靠性和最终成本都有积极的影响，前提是能够保持低热应力。

有一些研究关注环境因素对有机硅结构变化的影响，在这一点上值得一提的是，研究有机硅降解需要综合考虑其化学和生产方法，以及在使用过程中所面临的环境因素，忽视以上任何一个方面都可能导致材料和所保护设备的过早损坏。

光学材料的降解

在LED中输出光的色度偏移是最常见的故障之一，它被认为是质量评估中最重要的标准之一，并经常进行研究和报告，色度偏移定义为色度坐标与其原始值之间的变化，它被称为色度偏移，坐标与CIE 1931坐标有关。

对LED光源色度偏移进行测量的一种实用方法是使用麦克亚当椭圆法，LED封装中光学元件的退化可能是导致LED器件色度偏移的重要原因之一，这是因为光学元件在LED封装中通过控制光的发射来影响器件的光学性能，扮演着核心的角色。

事实上任何流明输出的衰减都可能引起色度偏移，正如前面所提到的，LED灯是一个复杂的系统，包括辅助透镜、反射层和扩散器，它们都旨在实现所需的光发射模式，这些组件之间的相互作用可能会对LED设备在使用寿命期间的色度保持产生一定的影响。

LED灯具和光源的色度变化可能会有多种原因，考虑到色度偏移可能来自于光学材料和或子系统，色度偏移的方向可能因情况而异，LED的色彩会在使用过程中发生一定的偏移，这是因为LED的封装类型和制造方法不同所导致的。

色彩偏移的方向可以反映出LED的降解机制，举个例子，沿着蓝黄线的变化是由于黄色和蓝色辐射的相对比例发生变化所引起的，如果蓝色的比例发生变化，可能是由于荧光粉的量子效率下降、荧光粉超过饱和通量水平的使用。

或者是由于荧光粉粘合剂界面发生裂缝等机械损伤引起的，绿色的偏移通常与荧光粉有关，表示发射光的波长发生了变化，黄色的偏移大多数情况下与荧光粉效率的提高相关，可能与温度的降低或者是荧光粉化学结构发生变化有关。

结语

固态照明系统作为一种先进的照明技术，以其高效、长寿命和环保等特点受到广泛应用，未来随着技术的不断改进，相信固态照明系统将进一步提升其性能和可靠性，为人们带来更加舒适和环保的照明体验。

文章来源：网易新闻

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