大功率白光LED發(fā)光效率及電流特性的研究

畢長(zhǎng)棟, 張方輝, 靳寶安, 柯昀潔

(陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院, 陜西 西安 710021)

0 引 言

從白熾燈、熒光燈到目前的半導(dǎo)體照明,即發(fā)射白光的發(fā)光二極管——白光LED(light emitting diodes, LED)[1],作為新一代節(jié)能光源自其誕生之日起就受到了廣泛的關(guān)注，相比于傳統(tǒng)光源它具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[2，3].近年來(lái)大功率白光LED迅速發(fā)展,將有望取代白熾燈和熒光燈,成為下一代理想的固體照明光源.白光LED的基本思路之一是以近紫外或藍(lán)光LED為芯片,結(jié)合合適的熒光轉(zhuǎn)換發(fā)光材料來(lái)實(shí)現(xiàn)白光輸出.目前生產(chǎn)大功率白光LED通用的方式之一是藍(lán)光芯片外涂熒光粉的組合方式,但是這種LED器件的發(fā)光顏色受驅(qū)動(dòng)電流和熒光粉涂層厚度的影響較大.由于人眼對(duì)350～410 nm波段不敏感,這類(lèi)白光LED的顏色只由熒光粉決定,因此是一種很好的白光LED實(shí)現(xiàn)途徑[4].目前,大功率白光LED發(fā)光效率已經(jīng)超過(guò)了100 lm/W,大大領(lǐng)先于傳統(tǒng)照明光源[5].同時(shí)國(guó)家半導(dǎo)體照明工程的啟動(dòng),不僅拓展了LED的應(yīng)用領(lǐng)域,還使我國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的薄膜生長(zhǎng)、芯片及封裝進(jìn)入了快速發(fā)展的新階段,但相較而言，襯底材料的發(fā)展則比較緩慢[6].本文以1 W大功率白光LED為研究對(duì)象,通過(guò)改變熒光粉的點(diǎn)粉量,對(duì)大功率白光LED的發(fā)光效率進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)熒光粉點(diǎn)粉量對(duì)大功率白光LED的光效有重要影響，在一定范圍內(nèi)可使大功率白光LED光效較大，白光的純度較好.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)藍(lán)光InGaN-LED芯片加黃光熒光粉YAG使大功率白光LED發(fā)光[7-9]，因而點(diǎn)粉過(guò)程中點(diǎn)熒光粉的量將直接影響出射光的色坐標(biāo)，即白光的純度.熒光粉的選擇應(yīng)該與芯片匹配，以產(chǎn)生最高效、最純正的白光為原則.本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)LED芯片進(jìn)行光譜測(cè)試，測(cè)得其峰值波長(zhǎng)均為450 nm左右，按其波峰處波長(zhǎng)選擇相匹配的熒光粉YAG.對(duì)于大功率LED而言，為得到較好的出光效率，采用硅膠來(lái)調(diào)和熒光粉，本實(shí)驗(yàn)采用膠與熒光粉的比例為30∶1，此種比例光的出光性較好，可以得到顏色較純正的大功率白光LED.點(diǎn)粉時(shí)，為了精確控制熒光粉的點(diǎn)粉量，使用電子天平稱(chēng)其質(zhì)量來(lái)逐漸增加并記錄每次的數(shù)據(jù).通過(guò)對(duì)5個(gè)樣品所點(diǎn)熒光粉的量的不同，尋找可使本實(shí)驗(yàn)中藍(lán)光LED芯片得到較高純度的白光LED的點(diǎn)粉量，并觀察其光譜變化；同時(shí)對(duì)第六個(gè)樣品進(jìn)行3次點(diǎn)粉，觀察同一芯片，點(diǎn)粉量的改變是否對(duì)其光譜特性有較大的影響.

2 分析與討論

2.1 芯片一致性的測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中所用芯片為1 W藍(lán)光LED芯片，由于芯片本身會(huì)存在著一定程度上的差異，故選取了10個(gè)芯片進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)測(cè)試，并對(duì)其發(fā)光效率進(jìn)行比較，分析其一致性.對(duì)于大功率LED，當(dāng)通過(guò)大電流時(shí)產(chǎn)生較多熱量使LED溫度升高從而使器件損壞.采用恒流驅(qū)動(dòng)時(shí)，其正向壓降會(huì)隨著溫度的升高而下降；而若采用恒壓方式驅(qū)動(dòng)，則電流會(huì)隨著溫度的升高大幅度上升，致使LED的溫度進(jìn)一步升高，大大降低LED的發(fā)光效率，縮短了LED的壽命.實(shí)驗(yàn)中，為得到較好的實(shí)驗(yàn)效果，采用250 mA的電流進(jìn)行測(cè)試，得到其發(fā)光效率分布圖如圖1所示.通過(guò)發(fā)光效率示意圖可知，10個(gè)芯片的平均發(fā)光效率為3.891 lm/W,各芯片的發(fā)光效率間存在較大的差異，最大的光效為5.51 lm/W，而最小的光效僅為2.15 lm/W，各芯片的發(fā)光效率在其平均值附近有較大的浮動(dòng)，個(gè)體差異性較大.

表1 5個(gè)LED實(shí)際點(diǎn)熒光粉量

圖1 芯片的發(fā)光效率分布圖

2.2 不同芯片的點(diǎn)熒光粉量對(duì)發(fā)光效率的影響

實(shí)驗(yàn)中首先挑選5個(gè)發(fā)光效率較相近的芯片進(jìn)行點(diǎn)熒光粉測(cè)試，在點(diǎn)熒光粉前用電子天平進(jìn)行稱(chēng)重，記錄下此時(shí)的質(zhì)量，點(diǎn)熒光粉后再次稱(chēng)重，并記錄，從而精確計(jì)算出每個(gè)芯片的實(shí)際點(diǎn)熒光粉量，如表1所示.

在250 mA的恒流電流驅(qū)動(dòng)下，測(cè)得各芯片的相對(duì)光譜曲線圖如圖2所示.從圖中可以看出，LED3、LED4樣品的黃光峰值已超過(guò)歸一化的藍(lán)光峰值，且LED3較LED4超出更多.對(duì)比表1可知，LED3、LED4的點(diǎn)粉量相比其它3個(gè)LED均偏大，其余3個(gè)LED的相對(duì)光譜圖的黃光峰值均低于藍(lán)光峰值，且黃光峰值由高到低依次為L(zhǎng)ED5、LED2、LED1.此外，點(diǎn)粉量相近的3個(gè)LED依次為L(zhǎng)ED2、LED5、LED1，與光譜圖中黃光峰值的高低排序略有差異，其原因可能是由于LED芯片自身的藍(lán)光發(fā)光效率不同，因而對(duì)熒光粉的激發(fā)效率也存在一定差異.點(diǎn)粉量越大，其對(duì)應(yīng)的黃光峰值越高，且點(diǎn)粉量在某一范圍內(nèi)時(shí)，黃光峰值雖然隨點(diǎn)粉量增大而增高，但依然位于藍(lán)光峰值之下；若點(diǎn)粉量超過(guò)某一范圍時(shí)，會(huì)出現(xiàn)黃光峰值高于藍(lán)光峰值，使出射光偏離白光區(qū)域，到達(dá)黃光區(qū)域.若想混合出較純正的白光，熒光粉的點(diǎn)粉量應(yīng)該適當(dāng)，使藍(lán)光峰值一定范圍內(nèi)高于黃光峰值.

表2 3次點(diǎn)粉對(duì)LED發(fā)光效率的影響

2.3 同一芯片多次點(diǎn)熒光粉對(duì)發(fā)光效率的影響

為準(zhǔn)確考查點(diǎn)粉前后對(duì)于LED發(fā)光效率的影響,對(duì)LED6實(shí)行逐次點(diǎn)粉，逐次測(cè)試，檢驗(yàn)點(diǎn)熒光粉量的改變對(duì)同一LED芯片發(fā)光效率的影響.實(shí)驗(yàn)中共先后對(duì)其進(jìn)行3次點(diǎn)熒光粉，每次質(zhì)量及對(duì)光效等發(fā)光性能的影響如表2所示.

從表中可以看出，未點(diǎn)粉時(shí)，芯片發(fā)光為純藍(lán)色，由于芯片與空氣折射率差異較大，導(dǎo)致內(nèi)部臨界角較小，使發(fā)光層的光大部分在內(nèi)部被全反射掉，因而光通量、光效都很低；當(dāng)點(diǎn)熒光粉量的增加時(shí)，使藍(lán)光芯片與空氣間的臨界角增大，減少了發(fā)光層出光的全反射，從而使LED的光效得到顯著提高，并使出射光為藍(lán)光芯片與黃色熒光粉的混色光；隨著熒光粉的量繼續(xù)增多，芯片激發(fā)熒光粉的黃光也不斷增多，色坐標(biāo)由藍(lán)光區(qū)域逐步向白光區(qū)域移動(dòng)，發(fā)光效率逐漸提高.但由于第三次加入熒光粉量偏多，雖然LED的發(fā)光效率得到了明顯的提高，但經(jīng)藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生的出射光的色坐標(biāo)已接近黃光區(qū)域.

圖2 5個(gè)LED點(diǎn)粉后的相對(duì)光譜 圖3 同一芯片3次點(diǎn)粉的發(fā)光效率圖

圖3為芯片未點(diǎn)粉及3次點(diǎn)熒光粉后的發(fā)光效率圖，從圖中可以看出，未點(diǎn)黃色熒光粉時(shí)，芯片光譜圖為單峰，純藍(lán)光出射；第一次加入熒光粉后，在藍(lán)光峰后出現(xiàn)一個(gè)黃光峰，但由于加入的熒光粉量較少，故黃光峰很低，相對(duì)于藍(lán)光峰而言低于藍(lán)光峰的1/5高度；第二次加入熒光粉后，黃光峰較第一次有所提高，但相比藍(lán)光峰而言仍然較低；第三次加入熒光粉后，黃光峰大幅度提高，已接近藍(lán)光峰，致使色坐標(biāo)偏離白光區(qū)域，接近黃光區(qū)域，使出射光偏黃光.因此，熒光粉的加入量應(yīng)全面考慮發(fā)光效率、色坐標(biāo)等特性，適量加入，以便在提高光發(fā)光效率的同時(shí)得到純度較高的白光.

2.4 不同驅(qū)動(dòng)電流對(duì)LED發(fā)光強(qiáng)度的影響

本實(shí)驗(yàn)中選取LED5作為測(cè)試對(duì)象，改變驅(qū)動(dòng)電流觀察其光譜、色坐標(biāo)、光通量及發(fā)光強(qiáng)度等性能參數(shù)的變化.驅(qū)動(dòng)電流變化范圍為20～350 mA,得到的相對(duì)光譜如圖4所示.

圖4 不同驅(qū)動(dòng)電流下的光譜圖

表3 驅(qū)動(dòng)電流對(duì)色坐標(biāo)的影響

從圖4中可以看到，不同驅(qū)動(dòng)電流對(duì)LED的相對(duì)光譜幾乎不產(chǎn)生影響.選取50～350 mA間每間隔50 mA進(jìn)行LED光通量及光效測(cè)試，可得圖5.隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，光通量增大，其變化曲線呈現(xiàn)線性關(guān)系.當(dāng)電流繼續(xù)增大，雖然發(fā)出的光子增多，但芯片產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)釋放，從而對(duì)芯片造成影響，使光通量下降；同時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，LED的發(fā)光效率在逐漸下降.

驅(qū)動(dòng)電流對(duì)于其色坐標(biāo)的影響如表3所示.從表3可以看出，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增大，其色坐標(biāo)x,y值均減小，但變化幅度不大，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)電流對(duì)大功率LED的色度影響較小.

圖5 驅(qū)動(dòng)電流對(duì)光通量、光效的影響 圖6 驅(qū)動(dòng)電流與電壓、發(fā)光強(qiáng)度的關(guān)系

在電流驅(qū)動(dòng)測(cè)試LED光強(qiáng)時(shí)，作出電壓、光強(qiáng)與電流的變化關(guān)系如圖6所示.從圖中可以看出，隨著電流的增大，發(fā)光強(qiáng)度與電壓均在逐漸增大，當(dāng)電流達(dá)到250 mA左右時(shí)，繼續(xù)增大電流，發(fā)光強(qiáng)度較緩增加，電壓開(kāi)始迅速下降.因此在一定范圍內(nèi)的驅(qū)動(dòng)電流能較好的增大發(fā)光強(qiáng)度，當(dāng)超出這一范圍時(shí)則會(huì)對(duì)LED芯片造成損傷，影響性能.

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)實(shí)驗(yàn)中所使用的1 W藍(lán)光LED芯片進(jìn)行了一致性測(cè)試，通過(guò)比較光效可以看到藍(lán)光芯片存在較大的個(gè)體差異，一致性較差，故本次實(shí)驗(yàn)選擇光效較接近450 nm藍(lán)光峰值的芯片.

通過(guò)對(duì)5個(gè)不同芯片的熒光粉相近點(diǎn)粉量和同一芯片的3次不同熒光粉點(diǎn)粉量的比較可以得出：熒光粉的點(diǎn)粉量應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，本實(shí)驗(yàn)為0.001 6～0.002 0 g，使得激發(fā)出的黃綠光與芯片自身的藍(lán)光比例適當(dāng)，混合得出發(fā)光效率較高、純度較好的白光.超過(guò)這一范圍后，熒光粉量過(guò)多會(huì)使黃光光峰高于藍(lán)光光峰，此時(shí)出射光會(huì)為偏向黃光；熒光粉量過(guò)少，黃光光峰過(guò)低，激發(fā)出的黃綠光較少，出射光會(huì)呈現(xiàn)偏藍(lán)色.

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)同一個(gè)樣品加不同驅(qū)動(dòng)電流，發(fā)現(xiàn)在不同驅(qū)動(dòng)電流下對(duì)光譜、色坐標(biāo)的影響不明顯，但對(duì)發(fā)光強(qiáng)度等參數(shù)影響較大.隨著電流的增大，發(fā)光強(qiáng)度、光通量增大，光效下降，電壓出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).

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