導讀
對於高品質白光LED器件， 螢光材料一直是其重要的組成成分。 而隨著光效以及高功率特性需求的提升， 螢光材料將扮演更加重要的角色。 近日， 來自弗勞恩霍夫材料與系統微觀結構研究所（IMWS）的研究人員研發出了新型的發光玻璃和陶瓷材料。
圖1 紫外光照射下的Ln3+摻雜硼酸鹽玻璃（左）和玻璃陶瓷（右）：Tb3+摻雜（最上方）、Eu3+摻雜（中間）、和Tb3+/Eu3+摻雜（最下方）
現在大多數的白光LED都是由藍光LED器件與黃色的螢光膜組合而成。 但是由於自身發熱引起的螢光膜失效會導致發光效率的降低以及色溫的變化。 因此， 控制發熱和優化散熱是目前的主要問題。 螢光膜不僅應該具有一定的溫度適應性還應該具有良好的散熱性能。
研究人員發現發光玻璃或者玻璃陶瓷也許可以成為目前螢光膜的替代品， 因為其具有了良好化學穩定性和高導熱性。 其中， 玻璃陶瓷的熱擴散率要遠遠高於傳統的Ce:YAG螢光膜。
目前存在的控制發熱的方案主要是通過主/被動散熱來維持低溫。 但是這種方案只能有效的解決LED器件背部的溫度， 在LED螢光膜一側的溫度仍然較高。 研究人員發現在1000mA工作電流下的LED器件， 雖然背部溫度只有60°C， 但是螢光膜的溫度高達80°C， 這樣會嚴重影響器件壽命和發光光效。
然而Tb3+與Eu3+摻雜的硼酸鹽發光玻璃和陶瓷則具有非常高的發光量子效率（85%）以及很好的熱穩定性。
實驗內容首先， 硼酸鹽玻璃的主要成分為氧化鋰（Li2O）、氧化鋁（Al2O3）以及氧化硼（B2O3）材料， 同時摻雜氧化銪（Eu2O3）和/或者氧化鋱（Tb4O7）材料。 每種材料的成分比例如圖1所示。
表1 玻璃樣品的成分比例
材料製備步驟：材料先在鉑金坩堝(Pt/Au 95/5)中稱重然後被加熱到1000°C， 維持3個小時。
融化的材料再倒入溫度為400°C的銅制容器中， 這個溫度正好低於硼酸鹽玻璃的轉化溫度（459°C）， 同樣維持3個小時， 並慢慢降低到室溫。
玻璃被切割成尺寸為15×15 mm厚度在1.0 mm與1.8mm之間的薄片。
最後， 樣品再放入溫度為530°C的環境中10分鐘， 進行退火處理。
熱性能分析在測量環節，
圖2 無摻雜（黑色）、Tb3+摻雜（綠色）、Eu3+摻雜（橙色）、Tb3+/Eu3+摻雜（藍）樣品的DSC曲線
表2 樣品的熱性能資料（°C）：玻璃轉化起始溫度（Tg）、玻璃析晶起始溫度（Tx）、玻璃析晶峰值溫度（Tp）以及不同的玻璃熔化起始溫度（Tm）
對於熱擴散率σ， 研究人員通過計算發現（公式如下）， 熱擴散率與樣品厚度r、相位延遲φ以及鐳射頻率f存在一定的比例關係， 並可以將比例關係繪製成特性曲線（圖3）。
圖3 玻璃和陶瓷的擬合曲線
如圖3所示，通過對比不同的擬合曲線，研究人員可以直接求出不同材料的熱擴散率：
發光玻璃：(0.4-0.6)·10-6m4-0
陶瓷：(6-16)·10-6m2/s
結論通過研究對比不同的發光材料的溫度曲線和熱擴散率，研究人員發現陶瓷材料的熱擴散率遠遠高於發光玻璃，同時也高於傳統Ce:YAG材料（4·10-6m2/s）。對於溫度控制，Eu3+與Tb3+摻雜的樣品同樣具有非常寬的吸熱峰值溫度範圍（圖2）。
出自：www.led-professional.com
材料深一度 整理編輯
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如圖3所示，通過對比不同的擬合曲線，研究人員可以直接求出不同材料的熱擴散率：
發光玻璃：(0.4-0.6)·10-6m4-0
陶瓷：(6-16)·10-6m2/s
結論通過研究對比不同的發光材料的溫度曲線和熱擴散率，研究人員發現陶瓷材料的熱擴散率遠遠高於發光玻璃，同時也高於傳統Ce:YAG材料（4·10-6m2/s）。對於溫度控制，Eu3+與Tb3+摻雜的樣品同樣具有非常寬的吸熱峰值溫度範圍（圖2）。
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