RGB白光LED器件的设计.doc

RGB白光LED器件的设计一、引言 发光二极管(LED)是一种新型的固态光源,随着技术的不断进步,尤其是大功率LED的研发,使其不仅用于景观照明、交通信号灯、电视背光源等,更是进入了普通照明领域。随着LED芯片制造工艺的发展，LED芯片制造企业正在大幅度地提升产品的发光效率。伴随着大功率发光二极管发光效率的不断突破,已经达到甚至超过普通照明光源的发光效率。白光LED以其特有的节能、环保、响应快、长寿命、可靠性高等显著优势迅速取代日光灯和白炽灯成为通用照明领域的主流产品。除此之外，白光LED也被认为是彩色显示器的理想背光源。 但是，必须注意应用产品对灰度、亮度等不同的要求。本文通过三基色混合得到白光的原理、注意事项等方面进行讨论，简单构思设计一白光LED器件。二、原理1、理论基础 RGB作为一组三原色，按照一定比例可以合成其他颜色。可合成的颜色较多，包括色度图舌形曲线内的所有颜色，当然包括白色。2、设计原理 将LED的红、绿、蓝三种芯片组合在一起，通过电流让它们发出红、绿、蓝三种基色光，然后混合成全彩色的可见光。这种方法得到的白光有良好的显色性能、较宽的色温范围，所用的材料和LED芯片也能方便获取。 这种方法经常在三个LED芯片中加入一个控制电流IC（集成电路）芯片。一方面可控制供给LED的各个芯片的恒定电流，防止因LED工作电流变化引起光的主波长偏移而变色，继而使白光的色温也发生变化。另一方面，可以控制通过三个RGB-LED芯片的电流大小，从而使三个芯片的发光强度相应发生变化，实现三基色光混合比例随之发生变化，这样就可以产生多种变换的色彩。3、器件结构白光LED阴极为功函数较低的Mg、Ag合金，以10:1进行混合，同时相对于Al器件有较长的寿命。TPBi作为空穴阻挡层，其厚度为20nm。使用FlAMB-1T兼作载流子传输层和绿光发光层，控制上层厚度达到不同的发光效果。红色荧光染料使用DCDIN（0.05nm）；蓝色荧光染料使用DPVBi（3nm）。三种染料均是采用非掺杂的薄层结构。空穴传输菜了使用NPB，厚度为40nm。整体的结构图和有机物分子结构（如图1，图2所示）。图1图2通过改变FlAMB-1T的厚度，来测试不同的显示效果。采用双极性的荧光材料FlAMB-1T (它兼作载流子传输层和绿光发光层)、红色荧光染料DCDDC和蓝色荧光染料DPVBi(三种染料均是采用非掺杂的薄层结构)，制备了 CIE色坐标为(0.33，0.36)的白光质量好的白光器件。 三、注意事项对于制作RGB三基色合成的白光LED，必须注意以下几个问题：1.LED主波长的影响三种LED芯片发出的光的主波长一般是：红光为615620mm，绿光为530540mm，蓝光为460470nm。要达到最佳光效，可在这三种光的主波长范围内经过实验选择最佳的主波长配比。如果为了提高显色指数，可采用蓝光(460nm)、绿光(525nm)、黄光(580nm)、红光(635nm)组合，这种光的主波长配比可得到最佳的显色指数(达95以上)，光效可达3540lm/W，最低色温可做到2700K。为了兼顾出光效率和显色指数，三种LED芯片发出的光的主波长和发光强度需要进行优化组合。图3为不同主波长LED对显色指数CRI的影响的示例。图32.发光强度比例对于三种LED红、绿、蓝芯片的发光强度的比例，一般选择为3(红)：6(绿)：1(蓝)，但是要考虑到不同芯片光衰不一样;而且当点亮发热后，三基色光的主波长漂移也不同。同时考虑这几个因素，进行综合的实验来得到最好的效果，所以上述的只作为参考的比例，而不是固定的结论。3.单色LED排列如果将三种LED芯片简单地排列封装在一起，那么这样不能使三种LED的颜色光很好地混合成白光。图4给出了RGB三色混合的示意图，只有A区是三种颜色都有的区域，所以只有A区才是白光，其他区域都不是白光。RGB三种芯片发出的光能量主要分布在以光源光轴为中心的一定角度之内，因此不同位置上由不同芯片发出的光要传播一定距离后，才可能发生交叠进而混色。然而即使在传播一定距离后，仍然只有中心区域才出现白光，也就是说中心区域以外的区域仍然没有混合，并且发散角度比较大的光线在经过传播后远离中心，继而造成发光效率降低。图4 因此，如何在较短传播距离内高效地混光，是封装高质量三基色白光LED的关键所在。只有通过特殊的封装设计，才能解决这个问题。采用这种结构后，三种光基本集中在一个区域进行混光，所以在制作三基色合成白光LED时，应该在热沉上和模粒上实现一些特殊的结构设计，从而使三种基色光能在集中的区域混合产生有效的白光。4.多芯片散热问题多芯片集中封装在一个器件中，热量的散发会更加困难。因此要在制作RGB三基色光混合成白光时，要特别注意散热的问题。这三种芯片问题特性不一样，温度变化会引起色温偏差。四、器件设计1.LED的色坐标设所要配出的白光色坐标为W(xw,yw),使用的三原色R,G,B色坐标分别为R(xr,yr),G(xg,yg),B(xb,yb),相应的三刺激值分别为(Xw,Yw,Zw),(Xr,Yr,Zr),(Xg,Yg,Zg),(Xb,Yb,Zb),光通量分别为lw,lr,lg,lb。 根据格拉斯曼颜色混合定律及 1931国际发光照明委员会(CIE)标准:（1） Xw=Xr+Xg+Xb Yw=Yr+Yg+Yb Zw=Zr+Zg+Zb （2） xw = Xw / (Xw + Yw + Zw) yw = Yw / (Xw + Yw + Zw) zw = 1 - xw - yw1931 CIE 标准规定, X , Z 两色只代表色度, 没有亮度,光度量只与三刺激值 Y 成比例, 则三刺激值用亮度和色度表示为:（3） Xr= xr*lr/yr, Yr = lr, Zr= zr*lr/yr Xg= xg*lr/yg,Yg =lg,Zg= zg*lg/yg Xb= xb*lb/yb,Yb =lb,Zb= zb*lb/yb Xw= xw*lw/yw,Yw=lw,Zw= zw*lw/yw lw=lr+lg+lb 实验中采用的RGB三基色 LED 芯片,其主波长分别为:DR=640.6nm,DG= 537.1nm,DB=462.9nm,通过光色电设备可以直接测得三种芯片的色坐标,如下表所示。颜色X坐标Y坐标主波长/nmR0.71840.2807641G0.22650.7069537B0.14410.0422463表1 实验中 RGB 三基色 LED 芯片色坐标由此得到的三角图为下图所示：2.LED光通量计算计算中取暖色、正白、冷色三种色调, T = 2300 K(暖色) , T = 3000 K(暖色),T= 5000 K(正色),T=6500 K(冷色),T= 7000 K(冷色)5-个色温点。将表1, 表2 数据同时代入, 通过计算得到5 种色温下RGB三基色LED 配比不同色温的白光时光通量的比例,如表3 所示。色温X坐标Y坐标1/x1/y2300K0.4950.4151.19282.40963000K0.4360.403751.07992.47685000K0.34510.35160.98152.84416500K0.31350.32370.96853.08937000K0.3060.3160.96843.1646表 2 选取的色温在黑体线上对应的色坐标光通与色温2300K3000K5000K6500K7000Klr0.3780.3150.2380.2140.209lg0.6130.6670.7200.7310.733lb0.0080.0170.0410.0550.058表3 理论计算得到的不同色温下RGB的光通量比例由分析可知, 改变RGB 三种颜色LED 的比例,可以得到固定亮度档次色度坐标上符合要求的白光。随着白光LED技术不断完善、光效的提高、价格的降低,作为一种典型的绿色光源,颜色稳定的三基色白光LED在实际中应用的前景是十分看好的。五、课程设计总结 三基色合成白光RGB虽然仍旧面临着许多问题，但并不影响它成为照明市场中最重要的组成部分。实施照明光源暴露出许多关键问题是共同性的，特别是光效尤为重要。过对白光LED的研究和课设的进行，对其有了一个初步的认知与理解，目前影响我国白光LED的发展主要是高亮度蓝光和紫外光芯片的制约，这些也是有待研究的角度以及问题，相信随着不屑的发展和努力，光效高、价格低、颜色稳定的白光LED将有着大好的发展前景。参考文献：1.黄焕安.LED驱动设计模拟太阳光谱R. 桂林电子科技大学,2011.2.RGB三基色合成白光. 百度百科3崔元日, 潘苏予