近紫外激发荧光粉的白光led

近紫外激发荧光粉的白光led

1近紫外芯片作为激发源由于夫南氏光刻（light）具有能耗低、能耗小、亮度高、亮度响应时间短、光色纯度、结构牢固、重量轻、体积小等特点。与传统的照明光源相比，采用绿茶照明光源具有相当大的优势。但目前以GaN蓝色芯片上涂敷黄色YAG荧光粉实现的白光LED方法,相关色温Tc很难做到5000K以下,显色指数Ra一般也小于80,无法应用于对Tc和Ra要求较高的家居场合。可以使用红、绿和蓝色3个半导体芯片制作白光LED,此方法能在比较宽和比较低的色温范围内实现高的Ra,但由于3个芯片光衰系数不一致,导致使用过程中白光LED光色参数变化范围较大,必须加适当的控制线路才能保证其光色参数稳定。比较蓝色芯片上加黄色YAG荧光粉实现白光的方法,使用红、绿和蓝色3芯片不仅价格高,而且驱动、控制线路复杂。为解决这些问题,采用近紫外芯片作为激发源,激发红绿蓝三基色荧光粉,类似荧光灯中实现白光照明的做法,已成为研究热点之一。Shenv等人采用400nm近紫外芯片激发三基色荧光粉,色温达到5900K,Ra为75。Shen等人采用380nm近紫外芯片激发蓝色和橙黄色荧光粉合成白光,在色温为5700K时Ra达到86。San等人采用单一成分荧光粉在400nm芯片激发下发出蓝色和黄色光合成白光,色度坐标xy为0.33和0.34,Ra为85。由于视觉上对近紫外的不敏感性,这类白光LED的色度指标大多由荧光粉特性决定,可以在较大色温范围内实现高Ra和较长时间内实现色彩稳定,被认为是新一代白光LED照明的主导方向。本文采用成本低廉的、适用于近紫外激发的有机红色荧光粉、掺铜硫化锌绿色荧光粉和掺银硫化锌蓝色三基色荧光粉以及YAG黄色荧光粉制作出采用395～405nm近紫外芯片作为激发源的高显色性白光LED,并研究其光电特性。2近紫外芯片的制备近紫外芯片波长范围395～405nm,有机红色荧光粉为邻氨基苯甲酸吡啶稀土配合物。实验中,涉及的YAG荧光粉为市售弘大00901型号荧光粉。使用RF-5301PC型荧光分光光度计测量红绿蓝三基色荧光粉和YAG荧光粉样品的激发和发射光谱。在精度为0.1mg的天平上称取适当质量的红绿蓝三基色荧光粉,混合均匀后加ME-188A混粉胶,再次搅拌均匀后加ME-188B胶,A、B胶和三基色荧光粉的质量比约为2∶2∶1-2,快速搅拌均匀后放入真空干燥箱内排泡。近紫外芯片固晶、打线后点胶,120℃,1h固化,再用环氧树脂灌封胶封装成ue001ϕ5白光LED样品。使用ZWL900LED光色电测试仪测量白光和近紫外LED样品的光电参数。单色红绿蓝LED的制法与红绿蓝三基色方法一致,仅在混粉胶中加入一种颜色型号的荧光粉。3结果与讨论3.1红色和绿色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色蓝色荧光粉的激发波长测量得到的近紫外芯片的发射光谱以及红绿蓝三基色荧光粉的激发和发射光谱如图1所示。红绿蓝三基色荧光粉的发射光谱峰值波长分别位于613、495和451nm处,带宽分别近似为8、72和50nm,红色荧光粉的带宽明显小于绿色和蓝色荧光粉带宽。红色和绿色荧光粉的激发波长峰值分别位于393.6和395.4nm处,与395nm近紫外芯片中心峰值波长基本一致。尽管当激发波长大于激发峰值波长时,激发幅度下降斜率较大,但当芯片激发波长偏离到400nm时,红色和绿色荧光粉激发幅度仅下降到峰值幅度的0.92倍和0.93倍。蓝色荧光粉虽然激发峰值波长位于375.9nm处,但激发曲线变化较为平缓,当激发波长为395nm时激发幅度下降到峰值幅度的0.94倍,但当激发波长为400nm时,激发幅度下降到峰值幅度的0.83倍。红色荧光粉在蓝色荧光粉发射峰值波长451nm处有一定的吸收,其激发幅度为最大值的0.18倍,并且在465.3nm处有一个吸收峰,其激发幅度为最大值的0.24倍。这样要求配荧光粉时须适当增加蓝色荧光粉用量,减少红色荧光粉用量。3.2分光led显色指数ra红绿蓝三基色荧光粉在近紫外光激发下的发射光谱分别为pR(λ)、pG(λ)和pB(λ),则三基色荧光粉制作的白光LED的相对光谱功率分布函数为p(λ)为p(λ)=pR(λ)+kG·pG(λ)+kB·pB(λ)(1)这里,kG和kB分别为白光LED中的绿光和蓝光成分的比例系数。显色指数Ra取决于p(λ),其值随kG和kB变化规律的理论计算结果如图2所示。理论计算结果表明,峰值波长分别为613、495和451nm的红绿蓝荧光粉,在近紫外光的激发下的白光LED,当kG和kB分别为0.63和0.24时显色指数Ra值最大,其值为82.2,对应的白光LED相对光谱功率分布函数p(λ)见图3中的(a),此时近紫外光的激发的三基色光谱成分份额见图3中的R、G和B。反复调整树脂中红绿蓝荧光粉的质量及其比值,当红绿蓝荧光粉质量比为1.00∶1.60∶1.65时,制作的白光LED显色指数Ra达到最大值82.0,实验得到的数据与理论计算结果配合的相当好。最大显色指数白光LED的相对光谱功率分布函数测量结果见图3中的(b)。可以看出,除了视觉函数不敏感的近紫外激发源的光谱分布外,实际测量的白光LED相对光谱功率分布函数与理论计算结果基本一致。红色成分R由于宽度窄、强度大,实测值(b)与计算值(a)几乎重叠在一起。3.3近紫外激发下蓝色led的光谱特性近紫外激发红绿蓝单色LED和三基色白光LED光谱功率分布函数随驱动直流电流变化特性如图4所示。光谱绝对功率分布函数P(λ)为P(λ)=p(λ)ϕ683∫780380p(λ)V(λ)dλ≈p(λ)ϕ683∑380780p(λ)V(λ)Δλ(2)Ρ(λ)=p(λ)ϕ683∫380780p(λ)V(λ)dλ≈p(λ)ϕ683∑380780p(λ)V(λ)Δλ(2)式中:p(λ)为仪器测量的相对光谱功率分布函数;V(λ)是明视觉函数;ue001ϕ为光通量。从图4(a)可以看出,在近紫外激发蓝色LED的工作电流从10mA逐渐增加到50mA的过程中,近紫外芯片的中心峰值波长明显变化,峰值连线与横坐标不垂直,发生红移现象。这是由于大电流注入时的热效应产生的带隙变窄原因形成的。此现象在图4(b)、(c)和(d)同样出现,只是在其图中未画出变化斜线。由于近紫外波长对视觉的不敏感性,芯片中心峰值波长的变化,对封装成的蓝、绿、红和白光LED色度参数影响相对较小;而红绿蓝荧光粉当工作电流大范围变化时,在近紫外线激发下的发射光谱,不仅中心峰值波长变化很小,而且其包络线形状也未发生明显变化。在图4(a)中,当工作电流从10mA增加到50mA时,近紫外激发下的蓝色荧光粉发射光谱中心峰值波长连线与横坐标垂直。这样由近紫外芯片激发的单色和白光LED,其色度参数相对稳定,不易随工作电流变化而发生大的变化。3.4r-yg-b工作电流对led合成的影响在近紫外芯片激发下,用红绿蓝荧光粉制作的白光LED,最大显色指数Ra为82.2,大于目前蓝色芯片加YAG荧光粉实现的白光LED,也大于文献的Ra(Ra为75)。理论分析影响显色指数的因素和对应的提高方法发现,在蓝色和红色荧光粉不变的前提下,如果改变绿色荧光粉发射光谱的中心波长,对Ra的影响很大。计算出绿色荧光粉中心峰值波长与Ra最大值之间关系,结果如图5所示。可以看出,当绿色荧光粉中心峰值波长从495nm右移到530nm,Ra最大值从82.0增加到96.0;且当荧光粉中心峰值波长为534nm时Ra为最大值96.7,此时kG和kB分别为0.4和0.6,色度坐标x=0.27和y=0.28,Tc=13000K。YAG荧光粉根据型号的不同激发波长约为450～470nm,00901型号荧光粉的激发和发射光谱如图6所示,激发光谱峰值约为452nm,与近紫外激发的蓝色荧光粉的发射光谱峰值451nm很接近;而发射光谱峰值位于529左右,对应最大Ra可达到96.0。在近紫外芯片激发的LED中,加入红色、蓝色和YAG荧光粉制作白光LED,简称为R-YAG-B白光LED。从图6可以看出,YAG荧光粉它本身对395～400nm左右的紫光吸收很小,加入YAG荧光粉后,能吸收蓝粉的发射光产生黄绿光,实现紫外芯片下的蓝粉辐射的再吸收,发出中心峰值波长在530nm左右的黄绿光。调节红、YAG和蓝色荧光粉比例,制作的白光LED的Ra最大达到94.0,比计算值小。原因是00901YAG的发射光谱峰值位于529nm左右,与计算要求534nm有一定差异,而且色温明显偏大。反复调整的树脂中红、蓝和YAG荧光粉的比例,当红、蓝和YAG荧光粉质量比为1∶40∶20时,构成白光LED的Ra为92.1,而Tc为7300K。图7中,(a)为其在20mA工作电流时的光谱功率分布函数,(b)为红绿蓝三基色白光LED光谱功率分布函数,加入YAG发出的530nm左右黄绿光,使R-YAG-B白光LED在可见光范围内分布函数相对连续且变化幅度小。测量R-YAG-B白光LED相关色温Tcuv和一般显色指数Rauv随工作电流的变化,并与常规蓝色芯片加YAG荧光粉制作的白光LED进行比较,结果如图8所示。可以看出,当工作电流从5mA增加到60mA,R-YAG-B白光LED的Tcuv和Rauv发生一定改变,Tcuv变化率为9.7%,比较蓝色芯片加YAG荧光粉制作的白光LED,同样的电流变化范围,Tc的变化率为14.4%。而R-YAG-B白光LED的Rauv变化率仅为-1.0%,与常规蓝色芯片加YAG荧光粉制作的白光LED进行比较,Ra的变化率为4.4%,明显大于前者。4led显色指数计算使用激发波长为395～405nm的近紫外芯片,涂敷发射峰值波长分别为613、495和451nm的红绿蓝荧光粉,制作成白光LED,测量其显色指数Ra最大值为82.0,与理论计算最大值82.2相吻合,大于常规蓝色芯片加YAG荧光粉实现