熒光粉在高顯色性白光LED中的應(yīng)用研究*

夏天 何華強 劉元紅 莊衛(wèi)東

(北京有色金屬研究總院稀土材料國家工程研究中心，有研稀土新材料股份有限公司，北京 100088)

1 前言

目前，具有高效、低碳、節(jié)能及超長壽命等眾多優(yōu)點的LED被廣泛關(guān)注，已在世界各國掀起一場巨大的科技革命。在日常生活中，LED主要應(yīng)用在照明和顯示兩個領(lǐng)域，其中未來白光LED作為普通照明的應(yīng)用，將具有很深遠的意義。目前，從技術(shù)成熟度和制造成本總和考慮，實現(xiàn)白光LED的主流是采用藍光芯片 +黃色熒光粉［1－3］，一般來說，這樣搭配得到的顯色指數(shù) (CRI)較低，不能達到現(xiàn)在普遍使用節(jié)能燈國標(biāo)中顯色指數(shù)達到80或以上的要求，故很難進入室內(nèi)照明，特別是閱讀照明、櫥窗照明及醫(yī)療照明等。因此，提升現(xiàn)有白光LED的顯色指數(shù)，是白光LED研究和應(yīng)用的一個重要任務(wù)。

本文研究了三個GaN基藍光芯片與不同顏色熒光粉組成白光LED的系統(tǒng)，重點就其顯色指數(shù)進行了詳細的研究，旨在提供比較實用提升目前白光LED顯色指數(shù)的解決方案。

2 試驗

本文試驗，藍光芯片:晶元光電，參數(shù)是10*23mil，波長455－457.5nm;熒光粉:有研稀土鋁酸鹽黃粉 Y和 Y1，主峰波長分別在556nm和567nm，四款氮化物紅粉R1－R4，主峰波長分別在612nm、627nm、640nm和650nm，以及主峰波長在513nm的綠粉G;硅膠:道康寧OE－6550 A/B。封裝的白光LED工作電壓IF=3.0－3.4V，工作電流IF=20mA，光參數(shù)測試儀器為杭州遠方PMS－50光譜測試系統(tǒng)。

3 試驗結(jié)果與討論

顯色指數(shù)是衡量光源顯現(xiàn)被照物體真實色彩的能力參數(shù)，分布包含0－100的光源顏色。一般來講，顯色指數(shù)都是通過測量和計算出R1－R8試驗色的色差值而得出的;然而如果要實現(xiàn)高顯色指數(shù)，如CRI在80以上，就要用到 R9－R15這7個特殊顯色指數(shù)。以下列出了R1－R15具體代表的顏色。

R1:淺灰紅色;R2:暗灰黃色;R3:飽和黃綠色;R4:中等黃綠色

R5:淺藍綠色;R6:淺藍色;R7:淺紫色;R8:淺紅紫色;

R9:飽和紅色;R10:飽和黃色;R11:飽和綠色;R12:飽和藍色

R13:西方婦女膚色;R14:中等程度的橄欖綠色;R15:中國婦女膚色

3.1 藍光LED芯片+黃粉系統(tǒng)

表1展示出不同粉膠比濃度制備白光LED的光參數(shù)，隨著粉膠比 (黃粉:硅膠)濃度的減小，顯色指數(shù)逐漸增大，而色坐標(biāo)x則呈現(xiàn)與顯色指數(shù)完全不同的變化趨勢。當(dāng)粉膠比為9%時，顯色指數(shù)最低僅為62.3，對應(yīng)色溫是3749K;從表1可看出，在一定范圍內(nèi)，色溫越高，對應(yīng)顯色指數(shù)越高，這說明如果考慮做冷白光LED，通過調(diào)優(yōu)化黃粉的使用比例以及適當(dāng)增加藍光的出光量，顯色指數(shù)可以達到80。然而，如表1如果白光LED的色溫要求在5500K左右，此時藍光芯片和黃粉的光譜平衡將被打破，顯色指數(shù)將很難達到80，這與文獻［4］的研究結(jié)果基本一致。

表1 不同粉膠比濃度制備白光LED的光參數(shù)

另外，從表1中還可以了解到，白光LED的亮度隨著粉膠比濃度的增大而增強，當(dāng)粉膠比達到6%時，熒光粉轉(zhuǎn)化為黃光的亮度較強，并與芯片的藍光亮度達到一種平衡，此時白光亮度最高為125%，之后由于熒光粉的用量過多，導(dǎo)致藍光出光率迅速變低，這樣與黃光空間組合的強度分布變?nèi)?，亮度也就出現(xiàn)降低的現(xiàn)象。

3.2 藍光LED芯片+黃粉、紅粉系統(tǒng)

如表2、表3所示，在前面使用黃粉基礎(chǔ)上，分別添加有研稀土不同主峰波長 R1－R4的紅粉，并優(yōu)化黃粉和紅粉之間的比例，封裝成色溫基本相近 (3250±200K)白光LED的光參數(shù)和具體的R1－R15值。從兩表中可以看出，當(dāng)使用紅粉的主峰波長越長，得到暖白光LED的顯色指數(shù)越高，光效持續(xù)降低;當(dāng)使用主峰波長640nm的R3紅粉時，對應(yīng)色溫為3302K，其顯色指數(shù)可以達到81.3，這與目前節(jié)能燈顯色指數(shù)國標(biāo)要求的80相當(dāng)，此時光效為87lm/W。當(dāng)使用主峰波長650nm的紅粉R4時，顯色指數(shù)盡管可以高達86.6，但制備白光LED的顏色明顯偏紅，這就需要有綠粉的參與來進行顏色調(diào)整，3.3節(jié)將會提及。

從表3中還可以看到，使用不同的紅粉，除了R1－R8每項數(shù)值有一定差別外，通過觀察 R9－R15發(fā)現(xiàn)，R9飽和紅色最大和最小差值為36，這說明在黃粉基礎(chǔ)上，添加不同主峰波長的紅粉，有利于增加飽和紅色部分光譜覆蓋的區(qū)域，且紅粉波長越長，就越有利于飽和紅色的覆蓋。因此，對顯色指數(shù)大于80的白光LED R9值的大小非常關(guān)鍵，這就是業(yè)界常通過添加紅粉來提高白光LED顯色指數(shù)的原因。此外，R12飽和藍色最大和最小差值也達到26，這與3.1節(jié)中提到的，在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)增加藍色比，可以提高顯色指數(shù)的結(jié)論相吻合。

在該系統(tǒng)中，采用黃粉+紅粉，而不是綠粉+紅粉的搭配方式，主要考慮目前商用綠粉研發(fā)和應(yīng)用相對滯后，其發(fā)光效率和穩(wěn)定性能與黃粉尚有差距，故顯色指數(shù)在一定范圍內(nèi)，比如80左右，使用黃粉代替綠粉是可行的。

表2 采用黃粉和不同主峰波長紅粉制備白光LED的光參數(shù)

表3 采用黃粉和不同主峰波長紅粉制備白光LED的R1－R15值

3.3 藍光LED芯片+黃粉、紅粉、綠粉系統(tǒng)

采用有研稀土綠粉G，紅粉 R3或R4，黃粉 Y或Y1，通過優(yōu)化三種顏色粉之間的比例，分別封裝成色溫基本相近 (3200±200K)的白光LED，具體光參數(shù)如表4和表5?？梢钥吹?，當(dāng)紅粉從R3改變到R4時，即紅粉的主峰波長變長，有利于增加R9飽和紅色的數(shù)值，顯色指數(shù)從84.6提高到88.2;進一步改變主峰波長為556nm的黃粉Y到主峰波長為567nm的黃粉Y1，同時適當(dāng)提高綠粉的添加比例，這樣會有效增加R11飽和綠色以及R10飽和黃色數(shù)值，此時顯色指數(shù)上升到92.3，點亮后的白光LED的顏色也能滿足要求，光效下降較多至62lm/W。這與3.2節(jié)中提到當(dāng)白光LED顯色指數(shù)達到一定數(shù)值時，通過添加綠粉，改善只采用黃粉+紅粉，可能出現(xiàn)顏色偏紅的現(xiàn)象相呼應(yīng)。

本節(jié)在保證白光LED的高發(fā)光效率和顏色符合要求的情況下，通過添加綠粉，并優(yōu)化黃粉、紅粉和綠粉之間的配比，可以制備顯色指數(shù)達到或超過90的暖白光LED。

表4 采用三種顏色熒光粉制暖備白光LED的光參數(shù)

表5 采用三種顏色熒光粉制備暖白光LED的R1－R15值

以上設(shè)計了由GaN基藍光芯片和不同顏色熒光粉組成的三個白光LED系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)所制備的白光LED，除通過觀察基本的 R1－R8值大小外，還需要考查 R9－R15值，尤其是 R9－R12值的大小。當(dāng)需要得到顯色指數(shù)為80或以上的冷白光LED時，可以通過調(diào)整藍光芯片與單一黃色熒光粉之間的比例來實現(xiàn);如果要實現(xiàn)顯色指數(shù)達到80左右的正白光和暖白光時，可以通過選擇合適主峰波長的紅粉來調(diào)配。進一步為了保證暖白光LED較高的發(fā)光效能，證明可采取黃粉+紅粉+綠粉的模式實現(xiàn)其顯色指數(shù)達到90或更高的要求。另外，通過設(shè)計藍光芯片+不同顏色熒光粉的系統(tǒng)，不僅可以發(fā)揮其在器件中的比較容易均勻混色、空間色度均勻性較好的特點，同時也簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計［5］。

4 結(jié)論

1)在GaN基藍光LED芯片+黃粉系統(tǒng)中，在一定范圍內(nèi)，隨著粉膠比濃度逐漸減小，即增加藍光出光量，顯色指數(shù)會逐漸增加，光效持續(xù)降低;

2)在黃粉基礎(chǔ)上，加入不同主峰波長紅粉的系統(tǒng)中，隨著紅粉波長增加，R9飽和紅色數(shù)值逐漸增大，可以有效地增加顯色指數(shù)，比如80左右的暖白光LED;

3)在藍光LED芯片+黃粉、紅粉、綠粉系統(tǒng)中，通過優(yōu)化黃粉、紅粉和綠粉之間的配比，可以制備顯色指數(shù)達到90或以上的高光效暖白光LED，代替只用藍光LED芯片+紅粉+綠粉的系統(tǒng)。

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［4］劉康，郭震寧，林介本，等.低色溫高顯色性白光LED的研究 ［J］.現(xiàn)代顯示，2010，7:39－43.

［5］鄧代順，錢可元，羅毅.低色溫高顯色大功率白光LED的制備及其發(fā)光特性研究 ［J］.光電子 －激光，2006，17(12):1422－1426.