紅色磷光材料R-4B對白光LED性能的影響

姜西娟， 張思璐, 張方輝

(1.中國船級社質(zhì)量認(rèn)證公司， 北京 100007； 2.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

LED具有體積小、節(jié)能、高效、壽命長、響應(yīng)速度快、驅(qū)動電壓低等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來在照明、顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛.目前，實現(xiàn)白光LED的途徑主要有三種[2,3]：一是利用紅、綠、藍(lán)三基色LED芯片組合實現(xiàn)白光；二是利用芯片發(fā)射的藍(lán)光激發(fā)黃色YAG粉實現(xiàn)白光；三是利用近紫外LED芯片發(fā)出的近紫外光激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉得到白光[4-8].第二種途徑具有工藝簡單、成本低、光效高的特點(diǎn)，已成為白光LED制備的主流技術(shù)，但是利用這種方法得到的白光光譜中缺乏紅光成分.為了彌補(bǔ)其缺失的紅光成分，一般采用在黃色YAG：Ce熒光粉中摻雜紅色熒光材料，提高LED光譜中的紅光成分，以增加白光LED的顯色指數(shù)及色溫等.梁田靜等人[9-12]研究了慘雜紅色有機(jī)熒光染料MPPV、DCJTB[13,14]對白光LED的顯色指數(shù)和發(fā)光性能的影響，使顯色指數(shù)提高到92.王治龍[15]、李沅英[16]、成建波[17]等合成了Y2O2S:Eu體系的紅色熒光粉，并慘雜到白光LED中，提高了白光LED的顯色指數(shù)，但其發(fā)光效率不甚理想.莊衛(wèi)東[18]等合成了二價銪激活硫化物和三價銪激活堿土過渡金屬復(fù)合氧化物2個系列的紅色熒光粉，提高了白光LED的發(fā)光穩(wěn)定性.康明[19]等采用溶膠-凝膠法合成了紅色熒光粉，制造出了三基色白光LED.

與熒光材料相比，理論上磷光材料受激后具有更高的轉(zhuǎn)化效率.本文利用紅色磷光材料R-4B，將其摻雜進(jìn)入黃色YAG粉中，研究R-4B的吸收光譜、發(fā)射光譜以及不同摻雜比例的R-4B對白光LED顯色指數(shù)，光譜的影響.

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)備

研究所使用的LED芯片購于臺灣晶元光電股份有限公司；封裝支架購于東莞石排寶昌電子廠；YAG：Ce熒光粉為彩虹LED YAG MLY-02D型熒光粉；磷光材料R-4B購于西安瑞聯(lián)近代電子材料有限責(zé)任公司；熒光粉膠和封裝膠分別采用廣州市杰果電子科技有限公司的8866AB硅膠和5212AB硅膠.實驗過程中所使用的擴(kuò)晶機(jī)和金絲球焊線機(jī)分別采用深圳市三合發(fā)光電設(shè)備有限公司的SH2002型和SH2012型；真空干燥箱為北京科偉永興儀器有限公司的DZF型；R-4B薄膜沉積系統(tǒng)采用沈陽高真空研究所生產(chǎn)的多功能鍍膜機(jī).磷光材料R-4B的吸收與激發(fā)特性分別采用尤尼柯4802雙光束紫外可見分光光度計及OmniFluo系列組合式熒光光譜測量系統(tǒng)進(jìn)行測量；白光LED采用杭州遠(yuǎn)方光電信息公司生產(chǎn)的WY精密數(shù)顯直流穩(wěn)流穩(wěn)壓電源恒流驅(qū)動，顯色指數(shù)等參數(shù)采用該公司生產(chǎn)的PMS-80紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)，進(jìn)行測量.

1.2 樣品制備與性能表征

R-4B薄膜制備及性能測試.利用真空蒸鍍的方法，在4×10-4Pa的高真空下，于玻璃基片上蒸鍍磷光材料R-4B薄膜，研究所制備薄膜的吸收、與激發(fā)特性.

LED樣品制備及性能測試.對芯片進(jìn)行擴(kuò)晶，刺晶，然后在LED支架上點(diǎn)銀膠，再進(jìn)行固晶，然后焊接金線.共制備了6組樣品.在340 mA電流的作用下，測量樣品的光致發(fā)光光譜.再對樣品分別進(jìn)行點(diǎn)粉，與以上6組樣品相對應(yīng)，點(diǎn)粉時，分別在YAG：Ce熒光粉中混合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%,2%,4%,6%,10%和12%的磷光材料R-4B，然后放入干燥箱中，在120 ℃固化1 h；安裝塑料透鏡及點(diǎn)密封膠，同樣放入干燥箱中120 ℃固化1 h，取出樣品后，再在340 mA電流的作用下，分別測試最終樣品的光致發(fā)光光譜.

2 結(jié)果與討論

圖1是經(jīng)固晶、金線焊接后的LED芯片在340 mA電流的作用下的電致發(fā)光相對光譜.6組樣品的光致發(fā)光光譜完全相同.從圖中可以看出，LED芯片發(fā)射藍(lán)光，峰值波長為450 nm，半高寬在25 nm左右.

圖1 LED藍(lán)光芯片相對光譜圖

圖2是R-4B的吸收光譜圖，從圖中可以看出R-4B對紫外光的吸收作用十分強(qiáng)烈，隨著波長的增加，吸收率明顯減??；對450 nm的光的吸收率大約在30%左右；對550 nm之后光的吸收率下降至20%以下，也就是說R-4B能夠部分吸收450 nm的藍(lán)光能量.

圖2 R-4B吸收光譜

圖3是R-4B在450 nm藍(lán)光作用下的發(fā)射光譜.從圖中可以看出在560 nm左右有一較小的發(fā)射峰；在700 nm處有一個明顯的且強(qiáng)度很高的發(fā)射峰，說明R-4B吸收450 nm的藍(lán)光能量后，主要發(fā)射出紅光，其次還可以發(fā)射560 nm的黃光.

圖3 R-4B在450 nm藍(lán)光激勵下的發(fā)射光譜

圖4是在340 mA電流的作用下，YAG：Ce熒光粉中摻雜不同比例R-4B時白光LED樣品的相對光譜.從圖中可以看出以下幾點(diǎn)：

第一、未摻雜R-4B時，光譜中有兩處波峰，一處是450 nm處的藍(lán)光波峰以及560 nm處的黃光波峰.對比圖1可以發(fā)現(xiàn)，450 nm處的藍(lán)光波峰主要來源于LED芯片的發(fā)光；560 nm處的黃光波峰來源于YAG：Ce粉，該熒光粉可以吸收450 nm的藍(lán)光能量，發(fā)射560 nm的黃光.

圖4 R-4B不同摻雜濃度對LED光譜的影響

第二、摻雜R-4B后，白光LED樣品的光譜中出現(xiàn)了700 nm的紅光.當(dāng)R-4B的摻雜比例由2%增加到4%時，560 nm黃光峰值呈現(xiàn)下降狀態(tài)，700 nm的紅光波峰則一直增加.主要原因為，對比圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)R-4B對于560 nm的黃光既具有吸收作用又具有發(fā)射作用.當(dāng)吸收作用大于發(fā)射作用時，總體表現(xiàn)為吸收作用，所以560 nm黃光波峰呈現(xiàn)下降狀態(tài)；而對于700 nm的紅光，由圖3可以發(fā)現(xiàn)R-4B吸收450 nm的藍(lán)光能量后，在700 nm處具有強(qiáng)烈的輻射作用，所以隨著R-4B摻雜量的增加，700 nm的紅光波峰則一直呈現(xiàn)增加的趨勢.

第三、隨著R-4B的摻雜濃度由6%的增加到12%，不僅560 nm黃光與700 nm紅光波峰的強(qiáng)度一直增加，而且出現(xiàn)560～680 nm之間出現(xiàn)了光譜展寬效應(yīng)，在摻雜濃度為12%時最為明顯.

關(guān)于700 nm紅光強(qiáng)度增加的原因同樣來源于R-4B在700 nm處具有強(qiáng)烈的輻射作用.

對于560 nm處黃光強(qiáng)度的增加，主要來源于R-4B的濃度效應(yīng).R-4B為磷光材料，當(dāng)濃度過高時會影響其吸收與輻射作用.也就是R-4B對YAG：Ce熒光粉產(chǎn)生的560 nm的黃光總體表現(xiàn)為吸收作用，但是由于磷光材料濃度效應(yīng)的存在，這種吸收作用會隨著濃度的增加而減弱，客觀上表現(xiàn)為隨著R-4B濃度的增加，YAG：Ce熒光粉產(chǎn)生的560 nm黃光的強(qiáng)度在增加.

關(guān)于摻入R-4B后光譜，在560～680 nm之間的展寬效應(yīng)是本文的一個新發(fā)現(xiàn)，在以前的研究中尚未發(fā)現(xiàn)類似報道，其原因有待進(jìn)一步研究.

結(jié)合圖2、圖3及圖4可以發(fā)現(xiàn)：R-4B對于450 nm處的吸收率只有30%，因此有70%的藍(lán)光可以透過并發(fā)出；在560 nm時R-4B的吸收率小于20%，YAG粉所發(fā)出的黃光絕大部分也可以透過；在450 nm的藍(lán)光激發(fā)下，R-4B本身發(fā)出紅光，這也彌補(bǔ)了白光LED所缺失的紅光成分；摻雜R-4B，在560～680 nm之間出現(xiàn)了光譜展寬效應(yīng).基于以上原因，在LED中添加磷光材料R-4B可以有效展寬光譜，增加白光LED光譜中的紅光成分，本文制備的白光LED的顯色指數(shù)最高可以達(dá)到88，有效提高了器件的顯色性能.

3 結(jié)論

(1)磷光材料R-4B可以被LED管芯產(chǎn)生的450 nm藍(lán)光激發(fā)，發(fā)出波長為700 nm的紅光；

(2)在白光LED點(diǎn)粉環(huán)節(jié)的YAG熒光粉中摻雜R-4B能夠產(chǎn)生白光輻射.隨著R-4B摻雜量的提高，白光LED光譜中的紅光成分不僅得到有效提升，而且在560～680 nm之間出現(xiàn)了光譜展寬效應(yīng)，有效改善了器件的發(fā)光性能.

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