白光LED被誉为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代照明光源，具有全固态、体积小、光效高、寿命长等诸多优点，得到了越来越广泛的应用^[1-4]。目前，商业化的白光LED光源都采用蓝光芯片表面直接涂敷荧光粉的封装方式：表面贴片(SMD)、板上芯片(COB)和LED“灯丝”等都是通过这种方式来实现的^[5-8]。这种封装方式存在一些原理性的缺陷：首先，荧光粉吸收截面的提升与出光效率存在矛盾。要增加吸收截面，必需增加荧光粉浓度，但浓度增加会导致黄光和蓝光散射增加，从而降低出光效率^[9]。其次，荧光胶紧贴芯片，温度上升会导致荧光粉的性能劣化^[10-11]。此外，封装过程很难保证荧光胶的量和形状的一致性，从而导致各个灯珠的光色一致性差，使得生产过程需要使用专门的光色分检设备。

LED面光源广泛应用于平板灯和背光显示领域。商业化的LED面光源通常有两种投光方式^[12-13]：侧面投光（侧入式）和背面投光（直下式）。侧面投光方式中，LED光源安装在导光板侧面，借助导光板内部的全反射和背面丝印网点对光的散射，将光从导光板正面均匀导出；背面投光方式中，LED光源直接安装在平板灯底面，通过扩散板出射。相比于侧面投光，背面投光出光效率高，但发光均匀性差。

目前，LED面光源的研究主要集中在两个方向：第一，提高照度均匀性；第二，提高出光效率。侧入式LED面光源照度均匀性已经达到80%以上^[14]，但其LED灯珠出射的光线会在导光板内不断散射有较大损失，通常这种面光源的实际流明效率一般不到50 lm/W (R=80)。直下式LED面光源没有导光板出光效率较高，实际流明效率可以达到100 lm/W (R=80)，但其照度均匀度通常只有60%左右。此外，直下式LED面光源的光线直接出射，看起来比较刺眼。无论是侧入式还是直下式LED面光源，它们的光源都是基于现有封装方式的灯珠，仍然避免不了上述一些原理性缺陷。因此，研发一种新型封装方式LED面光源十分有意义。

本文研究一种新型隔离封装的LED面光源。这种面光源由荧光板和蓝光LED光源组成，具有以下几个特点：首先，荧光粉受激发射的表面与出光面在同一侧，有助于减少散射，提高荧光粉的出光效率；其次，通过控制蓝光的入射角度和荧光粉的分散，可有效地控制荧光粉的吸收截面，从而实现蓝光与黄光的相对光强的连续调制；另外，荧光粉跟芯片的远离，避免了芯片的热量传导到荧光粉使其发生热猝灭；最后，通过设计，可实现光线柔和、照度均匀的面光源。本文对这种封装方式的相关参数进行了细致的研究，指出了优化这类光源参数的途径和方向。

本实验中用两种方式制作荧光板。一种是在镜面铝反光板上直接涂敷荧光胶；另一种是在商用导光板上直接涂敷荧光胶。

准备3块尺寸为120 mm×120 mm×0.4 mm的镜面铝反光板，正面反光率约为95%，背面为漫反射面，反光率小于80%。另备适量黏度均为10 000 cps左右得易兄弟牌透明环氧树脂A胶和B胶。将A胶和B胶按1:1混合，用玻璃棒朝一个方向搅拌10 min使两种胶充分混合，并真空脱泡。用线棒涂布器将混合后的环氧树脂均匀涂敷在反光板正面，获得厚度分别为25 μm和50 μm的湿膜；未待湿膜完全固化，用200目的筛子将0754H2 YAG黄粉荧光粉（有研稀土生产）均匀筛到湿膜的表面，并轻晃反光板，使荧光粉均匀分布在膜的表面；水平静置30 min后，倒掉多余的荧光粉；再在洁净的环境中室温静置48 h，使环氧树脂完全固化，获得荧光板A（25 μm厚湿膜）和B（50 μm厚湿膜）。在反光板背面涂敷厚度为25 μm的湿膜，用同样的方法制作荧光板，标记为C。

用相同的环氧树脂和相似的工艺制作含有质量分数为10%黄色荧光粉和总量20%的黄、绿、红3种荧光粉混合的荧光胶。所用荧光粉为有研稀土的0754H2黄粉、北京中村宇极的ZYP500N绿粉、有研稀土的0765A红粉。用线棒涂布器将荧光胶涂敷在两块尺寸为120 mm×120 mm×4 mm的导光板带散射点的表面上，荧光胶层的厚度为50 μm；再静置在水平平台上，常温下经过48 h固化获得荧光板。

采用蓝光LED芯片灯条从荧光板的四个侧面从荧光胶层的上方激发荧光胶层。单个蓝光灯条组由15颗间距为5 mm的SMD 2835型号蓝光LED芯片组成，单颗蓝光LED芯片的功率为0.2 W；整灯功耗为12 W并由300 mA恒流源驱动。

用数码相机观察荧光板的表面形貌。采用海洋光学光纤光谱仪USB2000+和微型积分球组成透射系统测试透明环氧树脂AB胶块体的透射光谱。用杭州星谱光电ssp8801-s光色热电系统测试面光源的光色参数。用特安斯TA8121数字式照度计进行面光源的照度分析。

为了了解所用环氧树脂在可见光范围内的透光性能，用海洋光学光纤光谱仪搭建的测量系统对4 mm厚的环氧树脂透明块体测试，获得其在380~1 000 nm波长范围内透射光谱。为了保证数据的可靠性，测量环氧树脂块体不同部位的透射光谱，再获得平均值透射光谱，如图 1所示。

图 1(Figure 1)

图 1 4 mm厚透明环氧树脂400~1 000 nm透射光谱 Figure 1 Transmission spectrum of 4 mm thick epoxy resin from 400~1 000 nm

从图 1可以看出，该环氧树脂AB胶在450~780 nm的平均透光率接近90%，425 nm的透光率大于80%，表明该环氧树脂AB胶具有优异的可见光透光性能，适合作为用450 nm蓝光激发的荧光体的基体材料。

通过观察发现荧光板B中的荧光粉上表面覆盖一层胶水，A和C荧光板中荧光粉上表面裸露。A、B、C荧光板表面形貌如图 2(a)所示。图 2(b)是A、B、C荧光板的截面示意图，其中B样品表面被胶水层覆盖，A、C上表面裸露荧光粉。图 2(c)为A、B、C荧光板制作成面光源后结构图，灯框为涂白色油漆铝合金制成。

图 2(Figure 2)

图 2 荧光板的表面形貌、断面结构及其制作成面光源的原理图 Figure 2 The surface profile, cross section profile of the fluorescent plate and the schematic diagram of the LED plane light source

A、B、C荧光板制作成面光源在300 mA额定电流驱动下测得的发射光谱如图 3(a)所示，图 3(b)是A荧光板制成面光源的发光照片。由于蓝光光源是朗伯型的^[15-16]，侧面激发的方式不能保证蓝光均匀照射到荧光板表面，图 3(b)的照片显示只有荧光板四周的荧光粉才被有效激发。

图 3(Figure 3)

图 3 A、B、C面光源的发射光谱和发光效果图 Figure 3 Emission spectra of A、B and C surface light source and Picture of A surface light source

由于部分蓝光直接出射，导致图 3(a)中蓝光的峰值强度相对于黄光强很多。从图 3(a)还可以看出，光谱左边400~500 nm的尖峰为蓝光LED芯片所发射的光谱，右边500~780 nm的宽峰是YAG荧光粉受蓝光激发后发射的黄光^[17-19]。相应于A、B、C荧光板制成的面光源的蓝光峰值强度顺序为B > A > C，而黄光峰值强度顺序为A > C > B。峰值强度的相对大小可以从相应面光源的结构上得到解释。首先，LED芯片发出的照射到荧光板上的蓝光一部分会被荧光粉吸收外，其他的部分会被荧光板散射或反射。A和B荧光板的荧光胶虽然均涂敷在反光板高反射率的一面，但A荧光板荧光粉裸露而B荧光板中荧光粉上覆盖了一层胶水。由于蓝光入射角较大，B荧光板表面覆盖的胶水层会增加蓝光的反射，从而增加出射蓝光的强度，同时减小荧光粉对蓝光的吸收，使得黄光出射强度降低。这就容易理解，为什么B出射的蓝光强度大于A出射的蓝光强度，而黄光则小于A。由于C荧光板中的荧光粉裸露在表面，相对于B，C中的荧光粉也有较高的有效蓝光入射，因此黄光发射强度比B高。但由于C的荧光胶层覆盖在反射率较低的表面，透入荧光胶里面的蓝光被反射板反射后的蓝光强度会比A弱，再次激发的黄光强度也相应较弱，这就是C荧光板的蓝光和黄光出射强度比A和C都要弱，但黄光出射强度比B强而比A弱的原因。

B荧光板的黄光最弱，除了有效的入射蓝光强度较弱外，出光表面的胶层的反射也会减少黄光的出光效率。根据折射定律，当光线从胶体进入空气时，有下式

式中，n_glue、n_air分别是胶体和空气的折射率，θ_glue、θ_air是光线在胶体中的入射角和在空气中的折射角。胶体的折射率比空气的大。因此，折射角是大于入射角的。当光线在空气中的折射角为90°时，光线在胶体中的入射角称为全反射角θ₀。超过这个角度的入射光线会被全部反射。以荧光粉发射的黄光为例

将环氧树脂中黄光折射率n_glue=1.5代入上式得θ₀=41.8°。这意味着大于θ₀入射到界面的黄光将产生全发射。以荧光粉发光点为顶点，2θ₀为顶角形成的圆锥即为荧光粉的逸出光锥(Light Escape Cone)^[20]，如图 4所示。容易理解，如果忽略光在胶层中的传输吸收，且覆盖在荧光粉表面的胶层厚度远大于荧光粉的粒径，则覆盖荧光粉的胶层越厚越不会影响荧光粉的出光效率。当然，要减少全反射对出光效率的影响，覆盖在荧光粉表面的胶层厚度应尽量小。

图 4(Figure 4)

图 4 荧光胶层YAG荧光粉逸出光锥示意图 Figure 4 Schematic of the light escape cone of the phosphors covered by glue

下面讨论光源出光强度与芯片驱动电流的关系。图 3(a)是在300 mA的芯片驱动电流下获得的。图 5给出了不同芯片驱动电流下的蓝光峰值强度、黄光峰值强度、蓝光与黄光的相对峰值强度。

图 5(Figure 5)

图 5 3个面光源在不同芯片驱动电流下的蓝光峰值强度、黄光峰值强度和黄光与蓝光的相对峰值强度 Figure 5 Dependence of the blue light peak intensites, the yellow light peak intensites, and the relative peak intensity of yellow vs blue on different chip-driving current for three plane light sources

显然，3个面光源蓝光峰强度、黄光峰值强度和黄光与蓝光的相对峰值强度随着芯片驱动电流的增加都近似线性地增强。从曲线的演变趋势看，即使在300 mA额定电流下，荧光粉的吸收并没有达到饱和，即使对荧光粉裸露在表面的A和C也是如此。这意味着，如果要减少蓝光强度，同时提高黄光强度，可以通过光学设计让更多的蓝光直接入射到荧光粉表面，而不必担心荧光粉吸收会饱和的问题。

综合上述分析，A和C的蓝光转化为黄光的效率比B最高。而从平面光源的出射能量与蓝光芯片发出的能量之比来说，B最高，A次之，C最低。从获得白光照明的角度，A的结构是最理想的。

如前所述，采用如图 2(c)的方式投射蓝光，出射光谱中蓝光峰较强，且光源发光不均匀，只有荧光板四周的荧光粉才被有效激发（如图 3(b)所示）。用数字式照度计基于九点测量法^[21]，在测试距离为5 mm下测量A的照度均匀度，仅为0.50（用最小照度除以平均照度）。然而，用同样的方法测得相同规格商用平板灯的照度均匀度为0.82。为了提高样品的照度均匀度，可以有两种解决方案：一是通过光学设计改变蓝光LED光斑形状^[22-23]，用矩形光斑斜入射到荧光胶层上；二是通过加装导光板使蓝光均匀入射。如今导光板的制作工艺成熟，方案二实现起来相对容易些。

在导光板带散射点的表面上涂敷荧光胶制作的面光源的结构如图 6所示。由于出光面是导光板的相对面，因此荧光胶层表面加反光纸，以提高出光率。图 7(a)为使用包含10%的黄光YAG荧光粉的荧光胶时的出射光谱图。图 7(b)是使用包含3种荧光粉的荧光胶的出射光谱图，其中绿粉:黄粉:红粉=29%:60.6%:11.3%，荧光粉占胶水质量的15%。3种荧光粉的参数如表 1所示.

图 6(Figure 6)

图 6 导光板背面涂荧光胶的封装方式截面示意图 Figure 6 Schematic cross section of the package way of light guide plate covered by fluorescent glue at the back

图 7(Figure 7)

图 7 导光板背面涂YAG荧光胶和3种荧光粉组合胶体发射光谱 Figure 7 Emission Spectrum of the light guide plate covered by YAG and three kinds phosphors' fluorescent glue at the back

表 1(Table 1)

表 1 3种荧光粉各项参数 Table 1 Various parameters of three kinds of phosphors 种类 峰值波长/nm 半峰宽/nm CIE 1931(x, y) 粒径分布D50 ZYP500N绿粉 495 60 (0.125, 0.450) 8.5 0754H2黄粉 556 113 (0.441, 0.539) 15 0765A红粉 650 88 (0.665, 0.335) 11

表 1 3种荧光粉各项参数 Table 1 Various parameters of three kinds of phosphors

使用YAG黄粉制作的平面光源的光通量为513.57 lm，显色指数R=69，色温6 755 K，色坐标为(0.31，0.32)。由于使用单一黄粉，显色指数较低。使用3种荧光粉制作的平面光源的光通量为419.91 lm，显色指数R=96，色温4 262 K，色坐标(0.37，0.37)。显然，用3种荧光粉获得了非常优异的显色性。

图 8为用导光板制作的平面光源的实际发光照片，比较图 3(b)，其发光均匀度有明显提升。用数字式照度计基于同样的方法测得其照度均匀度为0.61，比反光板样品0.50提升了22%。

图 8(Figure 8)

图 8 用导光板和3色荧光粉制作的平面光源的出光照片 Figure 8 The photo of the plane light source consisting of light guide plate and three kinds of phosphors

图 9是同种规格的铝基板和蓝光芯片制作的商业化的白光LED平板的结构和光谱图。这种平板灯的光通量为560 lm，显色指数为78，色温3 980 K，色坐标(0.39，0.29)。对比图 7(b)，虽然本文中制作的平面光源的光效还不及商用的LED平板灯，但还有很大的提升空间。而且，本文提出的隔离封装的平面光源制作方案在色温的调控和高显色指数的实现是完全可行的。从图 9(a)中可以看出，蓝光出射峰还很强，如果通过光学设计让更多的蓝光投射到荧光胶层上，还可以大大提升发光效率。对用反光板的情形更是如此。这部分工作将在后续的研究中再报导。

图 9(Figure 9)

图 9 商用LED平板灯原理图及相应的出射光谱 Figure 9 Schematic diagram of the commercial LED panel light and the emission spectrum of it

本文研究了蓝光芯片与荧光板组合的一种新型LED隔离封装方式。理论分析表明：这种封装方式中荧光粉的吸收截面可以方便地通过蓝光的相对于荧光胶层的入射角度来调节；由于荧光粉的蓝光受光面与黄光出光面在同一侧，这种封装方式相对于常规的LED平板灯有更高的出光效率。实验结果表明，荧光胶层中荧光粉的分布对光源的发光性能有较大的影响。荧光粉表面包覆的胶层会增加入射蓝光的反射而使荧光粉上的有效蓝光入射强度减少；裸露的荧光粉表面可获得最高的蓝光与黄光的转化效率；高反射率的荧光板底面有助于提高光源的出光效率。这种封装方式可方便地实现95以上的高显色指数。由于这种新型隔离封装方式制作工艺相对简单，荧光粉不存在高温受热，理论上也有高的出光效率，未来有较好的开发应用价值。