膠粉配比對白光led發(fā)光性能的影響

膠粉配比對白光led發(fā)光性能的影響

單芯片型紫外光leds作為一種新型光源，它具有體積小、效率高、壽命長、節(jié)能、振動、反應時間快、污染等優(yōu)點。這些優(yōu)點給人們帶來了舒適。它被稱為第四代固體照明光源，廣泛應用于醫(yī)療、電子通信、科學研究、照明等領(lǐng)域。目前,在相同的照明條件下,其能耗僅為白熾燈的20%,熒光燈的50%。到2020年,即使只將50%的白熾燈和熒光燈替換為白光LED,至少可以節(jié)約一半的照明用電,減少CO2排放3億5千萬噸,節(jié)能和環(huán)保效果將十分明顯。理想的白光LED是采用紅、綠、藍三基色發(fā)光二極管來合成[如圖1(a)],三色二極管的光強度可分開控制,形成全彩的變色效果,并可通過波長和強度的選擇來得到較佳的演色性,但由于使用的三個二極管都是熱源,散熱是其他封裝形式的三倍,芯片光效更會隨溫度的上升而明顯的下降,并造成其壽命的縮短。為了解決散熱,多個小組研制出單芯片型白光LEDs,中國臺灣Chen等采用有源層中不同的量子阱,用不同的In組分來控制發(fā)光波長,他們在藍寶石襯底上依次生長InGaN/GaN藍光LEDs和InGaN/GaN綠光LEDs結(jié)構(gòu),當注入電流小于200mA時,得到了接近白光的發(fā)射光譜,但色溫卻高達9000K。北京工業(yè)大學Guo等則采用鍵合技術(shù)制作GaAs/GaN白光LEDs。然而,由于三種芯片的量子效率各不相同,衰減也不同,最終造成出光顏色不穩(wěn)定。日本日亞公司(NichiaCo.)首先提出采用460nm藍光激發(fā)YAG黃光熒光粉來得到白光LED,YAG熒光粉通過吸收一部分藍光來激發(fā)黃光,黃光與沒被吸收的藍光混合產(chǎn)生白光[如圖1(b)],這種方法因其結(jié)構(gòu)簡單,容易制作,加上YAG熒光粉制作工藝的成熟,已經(jīng)廣泛應用到白光LED的生產(chǎn)領(lǐng)域,但也存在幾個重要問題很長時間無法解決,首先是均勻度問題,由于參與白光配色的藍光芯片波長的偏移、強度的變化以及熒光粉涂料厚度的改變均會影響其出光均勻度,其次由于激發(fā)的發(fā)光光譜中缺少紅色波段成分,其白光色溫偏高(4000～7000K)、演色性偏低等問題,限制其在醫(yī)療、顯示等對色域要求高的領(lǐng)域中的應用。用紫外光配上三色(RGB)熒光粉提供了另一個研發(fā)方向[如圖1(c)],其方法主要是利用實際上不參與配出白光的紫外LEDs激發(fā)紅、綠、藍熒光粉,再由三色熒光粉發(fā)出的三色光配成白光。由于紫外二極管不參與白光的配色,因此其波長與強度的波動對出光穩(wěn)定性而言不會影響太大,通過調(diào)整各色熒光粉的配比,雖然可得到理想的色溫和演色性,但激發(fā)三色熒光粉的紫外光波長(熒光粉最佳轉(zhuǎn)換效率之激發(fā)波長)很難選擇,由于熒光粉在Stocks變換中存在能量損失,用高能量的UV光子激發(fā)低能量的紅、綠、藍光子造成光效比較低,且封裝材料在紫外光下易老化,壽命短,還存在紫外線泄露的安全隱患。采用440nm短波長InGaN/GaN藍光LED芯片激發(fā)高效紅、綠熒光粉制得低色溫高顯色性白光LED是實現(xiàn)白光LED的又一途徑,用這種方法既可避免紫外光激發(fā)帶來的一系列問題,又可得到較好的色溫和演色性。通過實驗對比,闡述了本文所制LED在色溫和色域方面的優(yōu)勢,研究了膠粉配比對LED顯色指數(shù)及光效的影響。我們同時研究了低色溫下色溫隨注入電流的變化。1芯片封裝工藝實驗所用LED采用金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD),在2英寸圖形化藍寶石襯底上外延InGaN/GaN結(jié)構(gòu),芯片通過PECVD、光刻、ICP、電子束蒸發(fā)等常規(guī)工藝制得,尺寸為14×14mil。在20mA工作電流下,芯片的工作電壓為3.19V,發(fā)光波長為440nm。芯片通過刺晶、引線、灌膠、烘烤等封裝步驟,最后被封裝成LED管座,選用的封裝材料有雙酚A/B型環(huán)氧樹脂,日本信越SCR1012/AB型彈性硅膠,2.5μm金絲引線,支架銀杯杯底尺寸?(0.94±0.05)mm,選用熒光粉顆粒尺寸在7～8μm。芯片的顯色指數(shù),色溫,光功率,峰值波長系在杭州遠方PMS-50(增強型)紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)上測得。2結(jié)果與討論2.1熒光led實驗熒光粉的激發(fā)波段對白光LED起著重要的影響,通過大量的實驗,我們選取對440nm藍光波段敏感的紅、綠熒光粉,受440nm藍光激發(fā)后產(chǎn)生的紅、綠光峰值波長分別為644和535nm,獲得三基色后混光產(chǎn)生白光(如圖2-RGB曲線)。為了進行實驗比較,我們同時制作了458nm藍光LED激發(fā)YAG熒光粉獲得傳統(tǒng)白光LED(如圖2-YAG曲線),A/B硅膠同YAG熒光粉比重為1∶1∶0.2。在輸入電流為20mA情況下,用遠方PMS-50光譜分析系統(tǒng)分別測得光譜曲線如圖2所示,顯色指數(shù)分別為88.8(RGB)和70.4(YAG),色溫分別為3251K(RGB)和4820K(YAG),通過實驗對比,本實驗制得的三基色白光LED要比傳統(tǒng)藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生的白光LED顯色性高出26%,色溫更低,色域更寬,彌補了傳統(tǒng)藍光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生的白光缺少紅色成分光譜的不足,從而提高了色域和顯色指數(shù)。2.2熒光光粉比重對led光效的影響眾所周知,熒光粉的混合比例對白光的出光效果影響很大,選取合適的熒光粉比例是得到理想色溫,顯色指數(shù)和光效的關(guān)鍵。通過不同比例的熒光粉配比實驗,研究了顯色指數(shù),光效隨配比的變化,如圖3所示,同時我們在表1中給出了每個樣品的顯色指數(shù)和光效的測試結(jié)果,為了提高實驗的準確性,每種配比制作三個樣品作測試,求平均值。結(jié)果顯示,隨著紅綠熒光粉比重逐漸增大,顯色指數(shù)先是明顯得到提高,繼而下降,在膠粉配比達到0.5∶0.5∶0.2∶0.03時,顯色指數(shù)最高可達到88.8。這是因為隨著熒光粉的增加,紅光和綠光的比例在增加,藍光由于被熒光粉吸收增加,使得參與白光發(fā)光部分減小,在膠粉配比為0.5∶0.5∶0.2∶0.03時達到平衡,RGB三基色色域?qū)挾冗_到最大值,相應的顯色指數(shù)達到最大值,若進一步增加熒光粉則會降低藍光參與白光的比例,從而打破最大色域平衡值,造成顯色指數(shù)的下降。紅粉對藍光的吸收尤其明顯,若紅粉占紅綠熒光粉比重過量,也會造成顯色指數(shù)的下降,如圖4所示,這是由于部分藍光和綠光也被紅粉所吸收,轉(zhuǎn)換成紅光,造成配色不平衡所致。同時,不論色域以及顯色指數(shù)如何變化,隨著熒光粉比重的增加,光效逐漸下降。這也是容易理解的,因為熒光粉在將短波長的光轉(zhuǎn)換到長波長的過程中會產(chǎn)生Stocks能量損失,從而造成LED整體光效的下降,添加更多的熒光粉意味著更多的光損耗,造成光效更低。綜上所述,用440nm藍光激發(fā)本文所選紅綠熒光粉制得的白光LED,在膠粉配比為0.5∶0.5∶0.2∶0.03時對色溫、演色性等最佳。2.3m熒光led的染色低色溫白光對人眼更有益,感覺更佳。采用460nm藍光LED激發(fā)YAG熒光粉色溫較高,其最低色溫也高達4000K,這時其顯示指數(shù)很低。然而,利用440nm藍光LED激發(fā)紅、綠熒光粉得到的白光在顯色指數(shù)為88.8時,其色溫仍可降至3251K。同時低色溫LED的色溫變化受電流變化的影響更小,如圖5所示,當注入電流從5mA增至40mA時,高色溫LED的色溫隨電流的加大明顯上升,而低色溫LED的色溫基本保持穩(wěn)定。這是因為在低色溫情況下,InGaN所發(fā)藍光成分減少,而熒光體的發(fā)光起了主導作用,由于熒光體的發(fā)光受輸入電流IF的影響較小,InGaN芯片所發(fā)藍光受輸入電流IF的影響較大,所以在低色溫情況下,色溫受IF的影響較小。3強度膠、綠粉、紅粉質(zhì)量比對企業(yè)紫外光led顯色性的影響我們給出了一種新型白光LED的制作方法,研究