熒光粉配比對大功率白光LED發(fā)光特性的影響

王金亮，華有杰

（中國計(jì)量學(xué)院材料與科學(xué)學(xué)院，杭州 310018）

1 引言

隨著白光LED行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對白光LED的發(fā)光性能提出了越來越高的要求，如更高的發(fā)光效率、更高的顯色指數(shù)以及適合于各種不同照明條件的色溫等。目前，大功率白光LED的封裝方式主要采用藍(lán)光LED芯片外加黃色熒光粉復(fù)合發(fā)射白光的方法，采用這種封裝方式得到的白光LED往往顯色指數(shù)不高，一般約為70左右，為了得到更高的顯色指數(shù)，需要同時添加黃色、紅色和黃綠色3種熒光粉。由于3種熒光粉對發(fā)光效率、顯色指數(shù)和色溫的影響規(guī)律不同，同時3種熒光粉的激發(fā)效率也存在很大的差異，且相互之間存在熒光吸收等現(xiàn)象，因此，熒光粉之間的不同配比對大功率白光LED的發(fā)光性能起著至關(guān)重要的作用。關(guān)于熒光粉、膠水以及封裝方式等因素對大功率白光LED發(fā)光性能的影響在國內(nèi)外已經(jīng)做了大量的報道，林海鳳[1]等人研究了不同膠粉比對白光LED發(fā)光性能的影響，發(fā)現(xiàn)相同點(diǎn)膠量下，熒光粉過多或者過少都會導(dǎo)致光效的降低，色溫隨著熒光粉比例的增加而降低。Riegler B[2]等人研究了硅膠的折射率對白光LED發(fā)光特性的影響，發(fā)現(xiàn)硅膠折射率越高，LED的光效也就越高。李亮[3]等人研究了熒光粉濃度和電流強(qiáng)度對白光LED特性的影響，得出高濃度熒光粉對其顯色指數(shù)與色溫的影響。范供齊[4]等人研究了黃色和紅色兩種熒光粉混合對白光LED發(fā)光特性的影響，但是僅利用黃色和紅色兩種熒光粉封裝其顯色指數(shù)提高有限，色容差較大[5]。當(dāng)然，LED的封裝工藝和LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對LED的發(fā)光特性也有不少影響[6~9]。但是關(guān)于利用黃色、紅色和黃綠色三種熒光粉混合制備大功率白光LED光源的研究少有報道，3種熒光粉對白光LED發(fā)光特性的理論分析還不夠完善，各LED封裝企業(yè)的工程師都是按照自己的經(jīng)驗(yàn)對熒光粉配比進(jìn)行控制，沒有形成一套系統(tǒng)的調(diào)配熒光粉配比的指導(dǎo)方案。文章通過利用黃色、紅色和黃綠色三種熒光粉混合的方法制備了一系列大功率平面發(fā)光LED光源，獲得了單種熒光粉對大功率白光LED發(fā)光特性的一系列影響規(guī)律，為大功率白光LED的封裝提供一些參考。

2 實(shí)驗(yàn)

文章采用平面發(fā)光的COB（Chip on board）封裝方式獲得大功率白光LED[10]，芯片采用0.5 W的三安藍(lán)光芯片，其發(fā)射波長為456 nm，每個LED光源包含6顆串聯(lián)的LED芯片，黃色、紅色和黃綠色熒光粉分別采用YAG黃色熒光粉、氮氧化物紅色熒光粉和LuAG黃綠色熒光粉。每組實(shí)驗(yàn)中只改變其中一種熒光粉的含量而固定膠水量和另外兩種熒光粉含量，并且使每個COB光源具有相同的點(diǎn)膠量。目前市場上一般采用的黃色、紅色和黃綠色3種熒光粉和膠水的配比為黃色∶紅色∶黃綠色∶膠水=0.28∶0.04∶0.048∶1，文章在此基礎(chǔ)上對熒光粉配比進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，每種熒光粉按質(zhì)量的-20%、-10%、0、10%、20%分別進(jìn)行單獨(dú)增減，測試條件為直流恒流30 mA，在相同的熒光粉配比條件下，選取5個樣品數(shù)據(jù)取其平均值進(jìn)行對比。最后通過比較不同熒光粉配比條件下樣品的發(fā)光特性，對黃色、紅色和黃綠色3種熒光粉分別對大功率白光LED發(fā)光特性的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

3 結(jié)果與討論

3.1 3種熒光粉的熒光特性分析

圖1所示為在波長456 nm的藍(lán)光激發(fā)下，YAG黃色熒光粉、氮氧化物紅色熒光粉和LuAG黃綠色熒光粉的發(fā)射光譜圖，其色坐標(biāo)分別為(x=0.439，y=0.524)、(x=0.656，y=0.342)、(x=0.355，y=0.570)。根據(jù)色坐標(biāo)計(jì)算色溫公式[11]：

其中，A=(x-0.329)/(y-0.1897)，各系數(shù)分別為a1=160.55，a2=-796.56，a3=3999.88，a4=-7903.56，a5=5705。由式（1）可得YAG黃色熒光粉的色溫值約為3511 K，氮氧化物紅色熒光粉的色溫值約為2702 K，LuAG黃綠色熒光粉的色溫值約為5183 K。由圖1可知，在波長為456 nm的藍(lán)光激發(fā)下，LuAG黃綠色熒光粉的激發(fā)效率最高，YAG黃色熒光粉次之，氮氧化物紅色熒光粉最弱，其發(fā)射峰值波長分別為521 nm、538 nm和630 nm。光通量（luminous flux）是指人眼所能感覺到的輻射功率，它等于單位時間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積，在明視覺與暗視覺下，人眼對不同波長光的相對視見率不同，明視覺下的視覺函數(shù)如圖1中所示。由圖可知，在明視覺下，人眼對YAG黃色熒光粉發(fā)射的黃光最敏感，相對視見率達(dá)0.94，LuAG黃綠色熒光粉激發(fā)的黃綠光則相對較弱（為0.67），而氮氧化物紅色熒光粉激發(fā)的紅光最弱，僅0.34。在波長為456 nm的藍(lán)光激發(fā)下，盡管LuAG黃綠色熒光粉比YAG黃色熒光粉具有更高的激發(fā)效率，但是由于相對視見率低于YAG黃色熒光粉，所以人眼所感覺到的輻射功率反而不如YAG黃色熒光粉。即YAG黃色熒光粉激發(fā)的黃光比LuAG黃綠色熒光粉激發(fā)的黃綠光具有更高的光通量和發(fā)光效率；由于氮氧化物紅色熒光粉激發(fā)的紅光的激發(fā)效率與相對視見率都是最低的，所以氮氧化物紅色熒光粉激發(fā)的紅光的光通量和發(fā)光效率也最低。

3.2 YAG黃色熒光粉對白光LED發(fā)光性能的影響

圖2所示為YAG黃色熒光粉對白光LED發(fā)光特性的影響。由圖2可知，當(dāng)YAG黃色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，其發(fā)光效率從129 lm/W增大到140 lm/W，可見YAG黃色熒光粉對白光LED的發(fā)光效率具有明顯的提升作用。其原因?yàn)殡m然YAG黃色熒光粉的激發(fā)效率不如LuAG黃綠色熒光粉，但是由于人眼對黃光的相對視見率大于黃綠光的相對視見率，所以YAG黃色熒光粉發(fā)射的黃光具有更高的光通量和發(fā)光效率。因此，在一定范圍內(nèi)提高YAG黃色熒光粉的含量能夠明顯提高白光LED的發(fā)光效率。而當(dāng)YAG黃色熒光粉的含量過高時，由于熒光粉濃度過高導(dǎo)致藍(lán)光在熒光粉層散射損失嚴(yán)重，藍(lán)光和黃光的出射量大大降低，最終導(dǎo)致發(fā)光效率反而下降[1]。另外，隨著YAG黃色熒光粉含量的增加，顯色指數(shù)和色溫都明顯下降，當(dāng)YAG黃色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，顯色指數(shù)從84下降到79，色溫從2 820 K下降到2 660 K。對于顯色指數(shù)而言，從色度學(xué)角度分析，由于YAG黃色熒光粉發(fā)射的黃光中缺少綠光與紅光成分，隨著黃粉比例的升高，出射光中的黃光增加，而綠光與紅光的相對比例減少，代表飽和紅色的顯色指數(shù)R9值下降明顯。而對于LED的顯色指數(shù)，由于LED出射光在綠色和紅色方面的光譜嚴(yán)重不足，成為限制LED顯色指數(shù)的主要因素。所以，隨著R9值的大幅下降，其顯色指數(shù)也隨之下降。對于色溫而言，隨著黃色熒光粉比例的升高，在保持相同點(diǎn)膠量的情況下，覆蓋在芯片表面的熒光粉顆粒增多，白光LED的出射光中黃光成分增加而藍(lán)光被進(jìn)一步吸收而減少，而芯片發(fā)出的藍(lán)光色溫（大于20 000 K）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單一YAG黃色熒光粉發(fā)射光的色溫（約為3 511 K），所以隨著YAG黃色熒光粉含量的增多，其色溫逐漸降低。

圖1 3種熒光粉在激發(fā)波長λ=456 nm下的激發(fā)光譜圖以及明視覺下的視覺函數(shù)圖

3.3 氮氧化物紅色熒光粉對白光LED發(fā)光性能的影響

如圖3所示為氮氧化物紅色熒光粉對白光LED發(fā)光特性的影響。由圖可知，當(dāng)?shù)趸锛t色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，其顯色指數(shù)從78.7增加到83.2，可見氮氧化物紅色熒光粉對白光LED的顯色指數(shù)具有明顯的提升作用。從色度學(xué)角度分析，由于氮氧化物紅色熒光粉的含量增加，LED出射的光譜中，紅光分量也隨之增多，其中代表飽和紅色的顯色指數(shù)R9值明顯上升，使其顯色指數(shù)也隨之上升。對于其發(fā)光效率，當(dāng)?shù)趸锛t色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，發(fā)光效率從144.1 lm/W降低到123.6 lm/W，原因是在456 nm的藍(lán)光激發(fā)下，紅色熒光粉的激發(fā)效率遠(yuǎn)不及YAG黃色熒光粉和LuAG黃綠色熒光粉，而且氮氧化物紅色熒光粉激發(fā)的紅光的相對視見率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于黃光及黃綠光。所以，氮氧化物紅色熒光粉激發(fā)的紅光的光通量以及發(fā)光效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及YAG黃色熒光粉與LuAG黃綠色熒光粉。同時，由于藍(lán)光芯片出射的藍(lán)光是一定的，紅色熒光粉吸收的越多，那么YAG黃色熒光粉跟LuAG黃綠色熒光粉吸收的藍(lán)光便相應(yīng)地減少。因此，隨著氮氧化物紅色熒光粉含量的增加，其發(fā)光效率反而隨之降低；對于色溫，當(dāng)?shù)趸锛t色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，色溫從2 820 K下降到2 511 K，其下降幅度非常明顯。原因是紅色熒光粉質(zhì)輕，粒徑也小，隨著紅色熒光粉同比例的升高，在保持相同點(diǎn)膠量的情況下，覆蓋在芯片表面的紅色熒光粉顆粒急劇增多，由于被激發(fā)而吸收更多的藍(lán)光，紅光成分也明顯增加，同時氮氧化物熒光粉發(fā)射的紅光的色溫（約為2 702 K）遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于藍(lán)光色溫（大于20 000 K），所以隨著氮氧化物熒光粉含量的增多，其色溫大幅降低。

圖2 YAG黃色熒光粉對白光LED發(fā)光性能的影響

3.4 LuAG黃綠色熒光粉對白光LED發(fā)光性能的影響

圖4所示為LuAG黃綠色熒光粉對白光LED發(fā)光特性的影響。由圖可知，隨著LuAG黃綠色熒光粉含量的增加，其發(fā)光效率、顯色指數(shù)與色溫都下降。當(dāng)LuAG黃綠色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，其發(fā)光效率從136.4 lm/W降低到131.1 lm/W，其原因是在波長為456 nm的藍(lán)光激發(fā)下，盡管LuAG黃綠色熒光粉比YAG黃色熒光粉具有更高的激發(fā)效率，但是由于相對視見率低于YAG黃色熒光粉，所以人眼所感覺到的輻射功率反而不如YAG黃色熒光粉激發(fā)的黃光。所以隨著LuAG黃綠色熒光粉含量的增加，其發(fā)光效率下降，但幅度不大。對于顯色指數(shù)，當(dāng)LuAG黃綠色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，顯色指數(shù)從81.7緩慢降低到80.7，變化幅度很小。原因是隨著LuAG黃綠色熒光粉含量的增加，由于熒光粉之間對藍(lán)光的競爭吸收關(guān)系，導(dǎo)致氮氧化物紅色熒光粉出射的紅光減少，使其顯色指數(shù)降低，但是由于LuAG黃綠色熒光粉對綠光光譜的補(bǔ)償作用，所以其顯色指數(shù)下降幅度較之YAG黃色熒光粉較?。粚τ谏珳?，當(dāng)LuAG黃綠色熒光粉含量從-20%增加到+20%時，色溫從2774 K下降到2675 K，其幅度較之YAG黃色熒光粉較小。這是由于LuAG黃綠色熒光粉發(fā)射的黃綠光色溫約為5183 K，但高于YAG黃色熒光粉發(fā)射的黃光（約3511 K），所以其色溫降低，但幅度較YAG黃色熒光粉略小。

圖3 氮氧化物紅色熒光粉增減量對LED發(fā)光特性的影響

目前，人們又對白光LED的色容差提出了要求，色容差是表征光色電檢測系統(tǒng)軟件計(jì)算的X、Y坐標(biāo)值與標(biāo)準(zhǔn)光源之間的差別，數(shù)值越小準(zhǔn)確度越高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，僅YAG黃色熒光粉與氮氧化物紅色熒光粉難以達(dá)到要求，色容差偏大，原因是其中代表綠光分量的Y坐標(biāo)值偏低。加入LuAG黃綠色熒光粉能有效增加Y坐標(biāo)值，降低色容差。同時由圖4可知，LuAG黃綠色熒光粉對白光LED發(fā)光特性的影響幅度比其余兩種熒光粉都小，更適于白光LED發(fā)光特性的微調(diào)。

4 結(jié)論

文章研究了在三色熒光粉混合封裝LED中，各類熒光粉對LED發(fā)光特性的影響。實(shí)驗(yàn)中保持相同的點(diǎn)膠量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，增加YAG黃色熒光粉能有效提高LED的發(fā)光效率，但會明顯降低其顯色指數(shù)，色溫也略有降低；增加氮氧化物紅色熒光粉能有效提高LED的顯色指數(shù)，但是會大幅降低其發(fā)光效率和色溫；增加LuAG黃綠色熒光粉，LED的發(fā)光效率、顯色指數(shù)以及色溫都略有下降，但是能補(bǔ)償白光LED綠光成分的缺失，有效提高Y坐標(biāo)值，對降低白光LED的色容差有較大的貢獻(xiàn)。

圖4 鋁酸鹽黃綠粉增減量對LED發(fā)光特性的影響

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