近紫外激發(fā)熒光粉的白光led

近紫外激發(fā)熒光粉的白光led

1近紫外芯片作為激發(fā)源由于夫南氏光刻（light）具有能耗低、能耗小、亮度高、亮度響應(yīng)時(shí)間短、光色純度、結(jié)構(gòu)牢固、重量輕、體積小等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的照明光源相比，采用綠茶照明光源具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。但目前以GaN藍(lán)色芯片上涂敷黃色YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)的白光LED方法,相關(guān)色溫Tc很難做到5000K以下,顯色指數(shù)Ra一般也小于80,無法應(yīng)用于對(duì)Tc和Ra要求較高的家居場(chǎng)合?？梢允褂眉t、綠和藍(lán)色3個(gè)半導(dǎo)體芯片制作白光LED,此方法能在比較寬和比較低的色溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的Ra,但由于3個(gè)芯片光衰系數(shù)不一致,導(dǎo)致使用過程中白光LED光色參數(shù)變化范圍較大,必須加適當(dāng)?shù)目刂凭€路才能保證其光色參數(shù)穩(wěn)定。比較藍(lán)色芯片上加黃色YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)白光的方法,使用紅、綠和藍(lán)色3芯片不僅價(jià)格高,而且驅(qū)動(dòng)、控制線路復(fù)雜。為解決這些問題,采用近紫外芯片作為激發(fā)源,激發(fā)紅綠藍(lán)三基色熒光粉,類似熒光燈中實(shí)現(xiàn)白光照明的做法,已成為研究熱點(diǎn)之一。Shenv等人采用400nm近紫外芯片激發(fā)三基色熒光粉,色溫達(dá)到5900K,Ra為75。Shen等人采用380nm近紫外芯片激發(fā)藍(lán)色和橙黃色熒光粉合成白光,在色溫為5700K時(shí)Ra達(dá)到86。San等人采用單一成分熒光粉在400nm芯片激發(fā)下發(fā)出藍(lán)色和黃色光合成白光,色度坐標(biāo)xy為0.33和0.34,Ra為85。由于視覺上對(duì)近紫外的不敏感性,這類白光LED的色度指標(biāo)大多由熒光粉特性決定,可以在較大色溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高Ra和較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)色彩穩(wěn)定,被認(rèn)為是新一代白光LED照明的主導(dǎo)方向。本文采用成本低廉的、適用于近紫外激發(fā)的有機(jī)紅色熒光粉、摻銅硫化鋅綠色熒光粉和摻銀硫化鋅藍(lán)色三基色熒光粉以及YAG黃色熒光粉制作出采用395～405nm近紫外芯片作為激發(fā)源的高顯色性白光LED,并研究其光電特性。2近紫外芯片的制備近紫外芯片波長(zhǎng)范圍395～405nm,有機(jī)紅色熒光粉為鄰氨基苯甲酸吡啶稀土配合物。實(shí)驗(yàn)中,涉及的YAG熒光粉為市售弘大00901型號(hào)熒光粉。使用RF-5301PC型熒光分光光度計(jì)測(cè)量紅綠藍(lán)三基色熒光粉和YAG熒光粉樣品的激發(fā)和發(fā)射光譜。在精度為0.1mg的天平上稱取適當(dāng)質(zhì)量的紅綠藍(lán)三基色熒光粉,混合均勻后加ME-188A混粉膠,再次攪拌均勻后加ME-188B膠,A、B膠和三基色熒光粉的質(zhì)量比約為2∶2∶1-2,快速攪拌均勻后放入真空干燥箱內(nèi)排泡。近紫外芯片固晶、打線后點(diǎn)膠,120℃,1h固化,再用環(huán)氧樹脂灌封膠封裝成ue001?5白光LED樣品。使用ZWL900LED光色電測(cè)試儀測(cè)量白光和近紫外LED樣品的光電參數(shù)。單色紅綠藍(lán)LED的制法與紅綠藍(lán)三基色方法一致,僅在混粉膠中加入一種顏色型號(hào)的熒光粉。3結(jié)果與討論3.1紅色和綠色藍(lán)色藍(lán)色藍(lán)色藍(lán)色藍(lán)色藍(lán)色熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)測(cè)量得到的近紫外芯片的發(fā)射光譜以及紅綠藍(lán)三基色熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜如圖1所示。紅綠藍(lán)三基色熒光粉的發(fā)射光譜峰值波長(zhǎng)分別位于613、495和451nm處,帶寬分別近似為8、72和50nm,紅色熒光粉的帶寬明顯小于綠色和藍(lán)色熒光粉帶寬。紅色和綠色熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)峰值分別位于393.6和395.4nm處,與395nm近紫外芯片中心峰值波長(zhǎng)基本一致。盡管當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)大于激發(fā)峰值波長(zhǎng)時(shí),激發(fā)幅度下降斜率較大,但當(dāng)芯片激發(fā)波長(zhǎng)偏離到400nm時(shí),紅色和綠色熒光粉激發(fā)幅度僅下降到峰值幅度的0.92倍和0.93倍。藍(lán)色熒光粉雖然激發(fā)峰值波長(zhǎng)位于375.9nm處,但激發(fā)曲線變化較為平緩,當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為395nm時(shí)激發(fā)幅度下降到峰值幅度的0.94倍,但當(dāng)激發(fā)波長(zhǎng)為400nm時(shí),激發(fā)幅度下降到峰值幅度的0.83倍。紅色熒光粉在藍(lán)色熒光粉發(fā)射峰值波長(zhǎng)451nm處有一定的吸收,其激發(fā)幅度為最大值的0.18倍,并且在465.3nm處有一個(gè)吸收峰,其激發(fā)幅度為最大值的0.24倍。這樣要求配熒光粉時(shí)須適當(dāng)增加藍(lán)色熒光粉用量,減少紅色熒光粉用量。3.2分光led顯色指數(shù)ra紅綠藍(lán)三基色熒光粉在近紫外光激發(fā)下的發(fā)射光譜分別為pR(λ)、pG(λ)和pB(λ),則三基色熒光粉制作的白光LED的相對(duì)光譜功率分布函數(shù)為p(λ)為p(λ)=pR(λ)+kG·pG(λ)+kB·pB(λ)(1)這里,kG和kB分別為白光LED中的綠光和藍(lán)光成分的比例系數(shù)。顯色指數(shù)Ra取決于p(λ),其值隨kG和kB變化規(guī)律的理論計(jì)算結(jié)果如圖2所示。理論計(jì)算結(jié)果表明,峰值波長(zhǎng)分別為613、495和451nm的紅綠藍(lán)熒光粉,在近紫外光的激發(fā)下的白光LED,當(dāng)kG和kB分別為0.63和0.24時(shí)顯色指數(shù)Ra值最大,其值為82.2,對(duì)應(yīng)的白光LED相對(duì)光譜功率分布函數(shù)p(λ)見圖3中的(a),此時(shí)近紫外光的激發(fā)的三基色光譜成分份額見圖3中的R、G和B。反復(fù)調(diào)整樹脂中紅綠藍(lán)熒光粉的質(zhì)量及其比值,當(dāng)紅綠藍(lán)熒光粉質(zhì)量比為1.00∶1.60∶1.65時(shí),制作的白光LED顯色指數(shù)Ra達(dá)到最大值82.0,實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果配合的相當(dāng)好。最大顯色指數(shù)白光LED的相對(duì)光譜功率分布函數(shù)測(cè)量結(jié)果見圖3中的(b)?？梢钥闯?除了視覺函數(shù)不敏感的近紫外激發(fā)源的光譜分布外,實(shí)際測(cè)量的白光LED相對(duì)光譜功率分布函數(shù)與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。紅色成分R由于寬度窄、強(qiáng)度大,實(shí)測(cè)值(b)與計(jì)算值(a)幾乎重疊在一起。3.3近紫外激發(fā)下藍(lán)色led的光譜特性近紫外激發(fā)紅綠藍(lán)單色LED和三基色白光LED光譜功率分布函數(shù)隨驅(qū)動(dòng)直流電流變化特性如圖4所示。光譜絕對(duì)功率分布函數(shù)P(λ)為P(λ)=p(λ)?683∫780380p(λ)V(λ)dλ≈p(λ)?683∑380780p(λ)V(λ)Δλ(2)Ρ(λ)=p(λ)?683∫380780p(λ)V(λ)dλ≈p(λ)?683∑380780p(λ)V(λ)Δλ(2)式中:p(λ)為儀器測(cè)量的相對(duì)光譜功率分布函數(shù);V(λ)是明視覺函數(shù);ue001?為光通量。從圖4(a)可以看出,在近紫外激發(fā)藍(lán)色LED的工作電流從10mA逐漸增加到50mA的過程中,近紫外芯片的中心峰值波長(zhǎng)明顯變化,峰值連線與橫坐標(biāo)不垂直,發(fā)生紅移現(xiàn)象。這是由于大電流注入時(shí)的熱效應(yīng)產(chǎn)生的帶隙變窄原因形成的。此現(xiàn)象在圖4(b)、(c)和(d)同樣出現(xiàn),只是在其圖中未畫出變化斜線。由于近紫外波長(zhǎng)對(duì)視覺的不敏感性,芯片中心峰值波長(zhǎng)的變化,對(duì)封裝成的藍(lán)、綠、紅和白光LED色度參數(shù)影響相對(duì)較小;而紅綠藍(lán)熒光粉當(dāng)工作電流大范圍變化時(shí),在近紫外線激發(fā)下的發(fā)射光譜,不僅中心峰值波長(zhǎng)變化很小,而且其包絡(luò)線形狀也未發(fā)生明顯變化。在圖4(a)中,當(dāng)工作電流從10mA增加到50mA時(shí),近紫外激發(fā)下的藍(lán)色熒光粉發(fā)射光譜中心峰值波長(zhǎng)連線與橫坐標(biāo)垂直。這樣由近紫外芯片激發(fā)的單色和白光LED,其色度參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,不易隨工作電流變化而發(fā)生大的變化。3.4r-yg-b工作電流對(duì)led合成的影響在近紫外芯片激發(fā)下,用紅綠藍(lán)熒光粉制作的白光LED,最大顯色指數(shù)Ra為82.2,大于目前藍(lán)色芯片加YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)的白光LED,也大于文獻(xiàn)的Ra(Ra為75)。理論分析影響顯色指數(shù)的因素和對(duì)應(yīng)的提高方法發(fā)現(xiàn),在藍(lán)色和紅色熒光粉不變的前提下,如果改變綠色熒光粉發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng),對(duì)Ra的影響很大。計(jì)算出綠色熒光粉中心峰值波長(zhǎng)與Ra最大值之間關(guān)系,結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?當(dāng)綠色熒光粉中心峰值波長(zhǎng)從495nm右移到530nm,Ra最大值從82.0增加到96.0;且當(dāng)熒光粉中心峰值波長(zhǎng)為534nm時(shí)Ra為最大值96.7,此時(shí)kG和kB分別為0.4和0.6,色度坐標(biāo)x=0.27和y=0.28,Tc=13000K。YAG熒光粉根據(jù)型號(hào)的不同激發(fā)波長(zhǎng)約為450～470nm,00901型號(hào)熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜如圖6所示,激發(fā)光譜峰值約為452nm,與近紫外激發(fā)的藍(lán)色熒光粉的發(fā)射光譜峰值451nm很接近;而發(fā)射光譜峰值位于529左右,對(duì)應(yīng)最大Ra可達(dá)到96.0。在近紫外芯片激發(fā)的LED中,加入紅色、藍(lán)色和YAG熒光粉制作白光LED,簡(jiǎn)稱為R-YAG-B白光LED。從圖6可以看出,YAG熒光粉它本身對(duì)395～400nm左右的紫光吸收很小,加入YAG熒光粉后,能吸收藍(lán)粉的發(fā)射光產(chǎn)生黃綠光,實(shí)現(xiàn)紫外芯片下的藍(lán)粉輻射的再吸收,發(fā)出中心峰值波長(zhǎng)在530nm左右的黃綠光。調(diào)節(jié)紅、YAG和藍(lán)色熒光粉比例,制作的白光LED的Ra最大達(dá)到94.0,比計(jì)算值小。原因是00901YAG的發(fā)射光譜峰值位于529nm左右,與計(jì)算要求534nm有一定差異,而且色溫明顯偏大。反復(fù)調(diào)整的樹脂中紅、藍(lán)和YAG熒光粉的比例,當(dāng)紅、藍(lán)和YAG熒光粉質(zhì)量比為1∶40∶20時(shí),構(gòu)成白光LED的Ra為92.1,而Tc為7300K。圖7中,(a)為其在20mA工作電流時(shí)的光譜功率分布函數(shù),(b)為紅綠藍(lán)三基色白光LED光譜功率分布函數(shù),加入YAG發(fā)出的530nm左右黃綠光,使R-YAG-B白光LED在可見光范圍內(nèi)分布函數(shù)相對(duì)連續(xù)且變化幅度小。測(cè)量R-YAG-B白光LED相關(guān)色溫Tcuv和一般顯色指數(shù)Rauv隨工作電流的變化,并與常規(guī)藍(lán)色芯片加YAG熒光粉制作的白光LED進(jìn)行比較,結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?當(dāng)工作電流從5mA增加到60mA,R-YAG-B白光LED的Tcuv和Rauv發(fā)生一定改變,Tcuv變化率為9.7%,比較藍(lán)色芯片加YAG熒光粉制作的白光LED,同樣的電流變化范圍,Tc的變化率為14.4%。而R-YAG-B白光LED的Rauv變化率僅為-1.0%,與常規(guī)藍(lán)色芯片加YAG熒光粉制作的白光LED進(jìn)行比較,Ra的變化率為4.4%,明顯大于前者。4led顯色指數(shù)計(jì)算使用激發(fā)波長(zhǎng)為395～405nm的近紫外芯片,涂敷發(fā)射峰值波長(zhǎng)分別為613、495和451nm的紅綠藍(lán)熒光粉,制作成白光LED,測(cè)量其顯色指數(shù)Ra最大值為82.0,與理論計(jì)算最大值82.2相吻合,大于常規(guī)藍(lán)色芯片加YAG熒光粉實(shí)現(xiàn)