低變色高顯色性白光led的研究進展

低變色高顯色性白光led的研究進展

led照明技術現狀隨著亮度芯片（light）和密封技術的改進，作為一種普通的照明光源，白色矩陣逐漸受到人們的喜愛。它具有低壓、低功耗、高可靠性、長壽命等一系列優(yōu)點,已廣泛應用于LED路燈、LED燈具等領域,是一種符合國家“節(jié)能減排”政策的綠色新光源,有望取代目前在照明領域占統(tǒng)治地位的熒光燈和白熾燈。熒光燈在發(fā)光過程中需利用汞蒸氣作為放電介質,對人體產生危害,2006年開始已在歐盟地區(qū)禁售。白熾燈由于電光轉換效率低,2009年9月,歐盟率先出臺白熾燈禁售的政策,各國也紛紛發(fā)布禁售的進程,使得白光LED向普通照明尤其是室內照明又前進了一大步。然而,白光LED的顯色性是制約其進入室內照明,特別是閱讀照明、醫(yī)療照明的技術瓶頸。長期以來,人們采用InGaN基藍光LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石(YAG:Ce3+)黃色熒光粉組合來制備冷白光LED(Tc>5,000K),可實現顯色指數高于80,但制備暖白光LED(Tc<5,000K)時,由于白光LED光譜的不均衡使得人們在技術上難以同時實現低色溫和高顯色性。本文通過探討制備低色溫、高顯色性大功率白光LED的方法,分析其優(yōu)缺點,并從中總結實現低色溫、高顯色大功率白光LED的最佳方案。1制備低色溫高顯色性白光LED的方法1.1多芯片led芯片將紅、綠、藍三色LED功率型芯片集成封裝在單個器件之內,調節(jié)三基色的配比,理論上可以獲得各種顏色的光。通過調整三色LED芯片的工作電流可產生寬譜帶白光。吳海彬等人自行設計的集成功率型1W白光LED色溫可以覆蓋2,700~13,000K,顯色指數均可做到80以上。YoshiOhno等人通過模擬仿真三基色芯片和四基色芯片LED模型獲得了色溫Tc為3,000~4,000K、顯色指數Ra分別為80~89和90以上的白光,也就是說通過多芯片集成的方法能獲得低色溫高顯色性的白光LED。這種方法的缺點是封裝結構比較復雜,電路實現較困難,白光穩(wěn)定性較差,成本比較高。由于紅、綠、藍三種顏色LED芯片的量子效率不同,各自隨溫度和驅動電流的變化不一樣,且隨時間的衰減也不同,所以輸出白光的色度不穩(wěn)定。為了使其穩(wěn)定,需要對三種顏色分別加反饋電路進行補償,所以封裝結構及電路比較復雜。這種方法的優(yōu)點是效率高、使用靈活,由于發(fā)光全部來自紅、綠、藍三種LED,不需要進行光譜轉換,因此其能量損失最小,效率最高。同時由于RGB三色LED可以單獨發(fā)光,且其發(fā)光強度可以單獨調節(jié),故具有較高的靈活性。選擇RGB三基色合成白光技術實現功率型白光LED,主要應用于顯示行業(yè),如動態(tài)廣告牌、商業(yè)等大型和超大型全色顯示屏的信息顯示。2009年5月份歐司朗光電半導體公司新開發(fā)出體積最小的RGBMulti-ChipLED,特別適合應用于大尺寸高分辨率的全彩屏幕,確保畫面在近距離觀看時依然清晰。1.2近紫外led激發(fā)單光粉采用高亮度的近紫外LED(~400nm)激發(fā)RGB三基色熒光粉,產生紅、綠、藍三基色,并通過調整三色熒光粉的配比可以形成白光。KatsuyaKobashi等人采用405nm近紫外LED芯片激發(fā)混合的三基色(紅色、綠色和藍色)熒光粉,獲得了白光LED的Tc和Ra分別為3,900K和96。采用類似方法,TakeshiFUKUI等人的研究表明,近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉(ML-R/G/B)產生的白光LED效果比激發(fā)混合的三基色熒光粉所產生的白光要好。實驗測得近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉(R/G/B)獲得的白光的Tc和Ra分別為2,613K和94,光通量為8.22lm,而激發(fā)混合的三基色熒光粉獲得的白光的Tc和Ra分別為4,375K和83,光通量為7.82lm。這是因為在混合RGB熒光粉的LED中,紅色熒光粉會吸收周圍附近藍、綠色熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光,而在分層的R/G/B熒光粉的LED中,由于紅色熒光粉在最底層,不會吸收上層的藍、綠熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光。除了用近紫外LED激發(fā)三基色熒光粉外,JongSuKim等人采用375nm近紫外LED芯片激發(fā)Sr3MgSi2O8:Eu2+(藍和黃)或Sr3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+(藍、黃和紅)單一白光熒光粉,獲得的白光LED在Tc=5,892K下的Ra=82,在Tc=4,494K下的Ra=92。這種方法的優(yōu)點是:(1)在低色溫情況下,顯色指數高;(2)光色與色溫可調。其缺點是:(1)高發(fā)光效率的功率型近紫外LED芯片不容易制作,價格昂貴;(2)封裝材料(如硅膠等)在紫外光的照射下容易老化,壽命縮短;(3)近紫外激發(fā)的RGB熒光粉光轉換效率不高;(4)存在紫外線泄漏的安全隱患。1.3藍藍色電子芯片的勵磁粉1.3.1器件光通量和光照效率的測量目前,白光LED主流的制備方法是藍光LED芯片激發(fā)YAG:Ce3+黃色熒光粉。鄭代順等人采用藍光LED分別激發(fā)兩種單色黃色熒光粉YAG:Ce3+,得到的白光LED的Tc和Ra分別為5,000K、64.6和4,000K、69.3,但其器件的光通量Φ和發(fā)光效率η達到了27.7lm、23.98lm/W和25.5lm、22.91lm/W。該方法的優(yōu)點是可獲得光通量和發(fā)光效率較高的白光;缺點是難以得到低色溫高顯色性的白光,由于光譜中缺少紅光成份,所以色溫高而顯色性差。目前,藍光LED芯片和YAG:Ce3+黃色熒光粉混合的方案難以實現在4,000K以下的低色溫且Ra>80高顯色性的白光LED。1.3.2紅、綠藍色藍色熒光粉顯色指數鄭代順等人采用藍光LED芯片激發(fā)黃色和紅色熒光粉得到的白光LED的Tc和Ra分別為3,200K和83.2,但由于目前紅色熒光粉的轉換效率較低,在同樣的工作電流下,器件的Φ和η只有14.1lm和12.72lm/W。吳海彬等人采用紅、綠兩種熒光粉通過藍光LED激發(fā)制成1W白光LED,并通過合理匹配紅、綠熒光粉和硅膠三者之間的比例,可以實現在2,700~13,000K之間的任一色溫區(qū),顯色指數均能達到90以上,在4,000K以下的低色溫區(qū),顯色指數可以達到96。但是在4,000K以下的低色溫區(qū),其發(fā)光效率較低,且<20lm/W,這是因為紅、綠熒光粉轉換效率較低。Rong-JunXie等人采用藍光LED芯片激發(fā)Ca0.995Yb0.005Si9Al3ON15和Sr2Si5N8:Eu2+兩種氮氧化物/氮化物熒光粉獲得了色溫可調(2,700~6,700K)、顯色指數較高(82~83)的白光。同樣該方法的缺點是粉體的轉換效率不高,發(fā)光效率有待提高。1.3.3色彩染色方法NaokiKimura等人采用藍光LED芯片激發(fā)β-SiAlON:Eu綠色熒光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黃色熒光粉和CaAlSiN3:Eu紅色熒光粉,獲得了色溫從冷白到暖白可調、顯色指數為80的白光。該方法的優(yōu)點是可以通過調整三種熒光粉的比例來獲得一定范圍的可調色溫;缺點是熒光粉的轉換效率不高,粉體不易混合等。1.3.4合成紫外光ledNaokiKimura等人通過藍光LED激發(fā)四種混合的氮氧化物/氮化物熒光粉(β-SiAlON:Eu綠色熒光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黃色熒光粉、CaAlSiN3:Eu紅色熒光粉和BaSi2O2N2:Eu碧藍熒光粉)制備出在寬范圍波動的色溫下(2,900~7,000K)高顯色指數(95以上)的白光LED。特別是獲得了色溫Tc為2,900K和顯色指數Ra為98的白光LED,而且光效也較高,達28lm/W。這是通過調節(jié)四種熒光粉的比例來獲得的不同色溫下不同顯色指數的白光LED。采用藍光LED激發(fā)四種混合的氮氧化物/氮化物熒光粉,其優(yōu)點是可以在低色溫的情況下獲得較高顯色指數的白光LED,且色溫可調,缺點是該方法所采用的熒光粉制備技術不成熟,且多種粉體混合較為困難。1.3.5紫外光led器件鄭代順等人用GaN基倒裝焊大功率藍光LED激發(fā)黃色熒光粉,同時采用AlGaInP高亮度小功率紅光LED芯片進行補償來制備大功率白光LED,得到的白光的Tc和Ra分別為3,450K和93.9,器件的Φ和η為26.6lm和19.42lm/W,遠遠高于前面提到的采用藍光LED同時激發(fā)黃色和紅色兩種熒光粉得到的器件水平,這是因為避開了低效率紅色熒光粉的使用。此方法的缺點在于必須對藍光和紅光芯片的工作電流分別加以控制,以調整藍、黃和紅三色光的比例,從而得到高Ra白光,導致驅動電路相對復雜。此外,由于藍光芯片、熒光粉和紅光芯片構成的是相對獨立的發(fā)光體,就單個器件存在空間顏色不均勻的問題,這一問題可以通過適當的陣列排布方式來解決。目前,紅光LED芯片補償法在LED器件封裝中較少使用,在高檔室內燈具如筒燈設計中往往采用紅光LED(指單燈)補償法制造低色溫高顯色性的節(jié)能燈具。采用紅光LED補償法得到的筒燈,其相關色溫和顯色指數值如表1所示,從表1中可以看出,加了紅光LED后,顯色性提高,且色溫值也較低。2低暖色度高光顯色光刻的參數分析和制備2.1樣品特征特性顯色指數實驗抽驗了國內不同LED封裝廠的低色溫(3,000~3,300K)白光樣品1、樣品2,采用PMS-80紫外可見光近紅外光譜分析系統(tǒng)測試并記錄了樣品的色溫、顯色指數、色比等光色參數。如表2所示,樣品1單顆光通量高達87.406lm,但顯色指數不足50;樣品2光通量僅有22.832lm,但顯色指數將近90。如圖1所示,樣品1顯色指數較低主要是因為:R8(亮淺紅-紫色)、R9(深紅色)、R11(濃綠色)、R12(濃藍色)的值均較低,尤其是R9(深紅色)的值為0,說明光譜中缺少紅光和藍偏綠的光,可以通過加入激發(fā)光譜與所選擇的藍光LED的發(fā)射光譜相匹配的紅色熒光粉和綠色熒光粉來提高顯色性。如圖2所示,白光LED樣品的光譜圖中,樣品1的藍光能量比樣品2要小,且黃光光譜部分相對偏向黃橙波段,也就是說紅光能量相對較低,所以顯色性較差。2.2光色參數的變化實驗采用國外瓦級InGaN基藍光LED芯片制備低色溫高顯色白光LED,在已固晶焊線后的芯片上涂敷按一定比例調配好的熒光粉和硅膠的混合物,并烘烤使其固化。采用杭州遠方LED300測試樣品的光色參數,如表3所示。如表3所示,白光光譜的紅色部分在初始老化時期有較明顯的衰減現象,光譜的變化導致色坐標的漂移,使得色溫上升。而熒光粉效率的降低也導致了光通量和發(fā)光效率的下降。在500hrs后,衰減現象逐步減緩。如圖3所示,在低色溫高顯色性大功率LED老化過程中,紅色部分衰減較為明顯(600~780nm),紅色比從24.5%下降到19.3%,但從