基于纳米复合材料的梯度薄膜结构白光LED封装机理与关键技术研究

以LED芯片、荧光粉、封装胶体和封装结构所构成的系统为研究对象，深入探究纳米改性技术对于LED光效和稳定性的作用机理。理论上，基于MC（Monte Carlo）算法和多尺度材料设计思想，研究荧光粉中光线的传输特性，设计出优良的纳米掺杂改性荧光粉和涂覆工艺；提出多层薄膜结构的梯度封装模型，对其进行数值仿真，建立纳米环氧复合封装胶体中纳米掺杂薄膜的极限厚度与纳米粒径及其分布的关系规律。实验上，对纳米掺杂荧光粉的光散射机制进行相关验证性研究和发光光谱分析，通过光谱曲线的反馈导入和计算机耦合设计，得出纳米掺杂荧光粉对于LED性能的现实影响；对纳米环氧复合封装胶体进行正交梯度实验系统研究，建立纳米粒径、浓度等因素和封装胶体折射率的关系模型；结合改进的正交遗传算法，优化多因素作用下白光LED的一体化封装工艺。通过理论建模、数值计算和实验三种研究手段的有机结合，以实现高效、高稳定性的白光LED技术。

针对白光LED光效和稳定性的提高，本项目研究了纳米改性荧光粉技术与梯度薄膜封装技术。首先采用第一性原理计算研究了荧光粉材料的微观结构，设计出了诸如Al1-xSixCxN1-x:Eu2+,Sr3Si8-xAlxO7+xN8-x:Eu2+等优良的荧光粉材料；其次在传统制备工艺的基础上提出了两步法、溶胶-凝胶-燃烧法等新的制备方法以及如SAM@SiO2, BAM@MgO等纳米核壳结构的表面处理方法，提高了荧光粉的发光性能、量子效率及热稳定性等特性；将SiC加入AlN:Eu2+制备的Al1-xSixCxN1-x:Eu2+蓝色荧光粉外量子效率和吸收效率分别达到61%和74.4%，且有效改善了热稳定性，与近紫外芯片封装得到的白光LED的显色指数高达95.3，特殊显色指数R9也高达72；采用气压烧结法(GPS)制备了γ-AlON:Eu2+,Mn2+荧光粉，通过离子共掺外量子效率提高了7倍；提出了二步法并成功合成了Sr0.5Ba0.5Si2O2N2:Eu2+ 荧光粉，热猝灭温度高达450℃，封装后的LED的光效达到了～120lmW-1；将ZnO-B2O3-BaO-Al2O3玻璃粉和β-Sialon荧光粉混合燃烧得到的绿色荧光玻璃的光通量密度比单纯蓝光的光通量密度仅低0.7W，且具有良好的热稳定性。其次通过MC(Monte Carlo)算法进行数值仿真，设计出了纳米TiO2复合树脂等高透射率纳米复合材料；利用乙酸等对其进行表面处理，成功将纳米TiO2颗粒稳定的分散在有机硅树脂中，提高了封装胶体的折射率与透射率；建立了纳米环氧复合封装胶体厚度与纳米粒径对其透射率的关系模型，提出了厚度调节梯度封装与对称周期性梯度封装设计。最后结合优化的纳米改性荧光粉材料、纳米TiO2环氧复合封装胶体与梯度封装设计制备白光LED，进一步提高了白光LED的发光效率和稳定性。项目最终成果成功在国内外相关权威期刊上进行了公开发表以及知识产权保护的申请，其中三大检索论文共28篇（二区及以上高质量论文5篇），中文核心3篇，申请专利共14项，其中2项发明专利已授权，8项已公开，3项实用新型已授权，1项软件著作权已授权，全面完成了预期的研究成果。研制出的一些理论成果和封装技术在白光LED领域有很好的应用前景，并获得了行业的肯定。