全光譜LED器件的光色調(diào)制及性能

劉自轉(zhuǎn)， 王宜菲， 楊波波， 石明明， 鄒 軍

(上海應用技術(shù)大學 理學院，上海 201418)

作為現(xiàn)代照明的一大主體，LED以其低能耗、高亮度、環(huán)保耐用、壽命長等優(yōu)點得到廣泛應用。自然光是人類分辨周邊環(huán)境的最基本保障，為了使現(xiàn)代照明的光譜結(jié)構(gòu)將更加趨于自然光的發(fā)光光譜，從而有利于人的視覺健康，易于為人類提供更高的光色品質(zhì)、更舒適健康的照明環(huán)境[1-3]，可包含整個可見光380～780 nm波段和非可見光(紫外≤380 nm和紅外≥780 nm)范圍的全光譜LED，相比普通LED，其光譜譜線連續(xù)，光源各波段譜線比例均勻、完整[4]。

普通LED光源的色空間分布不均勻，顯色指數(shù)數(shù)值較低，甚至使藍光危害越來越嚴重，其最主要的根源在于器件光的輸出方式。光譜接近正午自然光的全光譜LED，可以有效減弱普通光源對人體的藍光危害等級，為保持LED光譜的完整均勻，在普通LED的基礎(chǔ)上對光譜進行補充，保持光譜中青光、綠光、紅光部分的連續(xù)性和完整性，使整個光譜內(nèi)光源發(fā)射的能量均勻分配，降低光譜青藍色波段內(nèi)的藍光比例[5-8]。目前實現(xiàn)全光譜LED的方法主要有藍光芯片封裝復合熒光粉、紫光藍光芯片封裝復合熒光粉以及多基色的LED進行混光3種方法。引入青色熒光粉以調(diào)整青色波段的光輻射能量，或引入紅色熒光粉為提高紅色區(qū)域的光譜高度，可以有效提升白光LED在連續(xù)光譜范圍內(nèi)的光強度輻射。使用多色LED 混光的方法，在熒光粉的轉(zhuǎn)化過程中幾乎可以做到無能量的損失，以提高白光LED的顯色指數(shù)等各光電性能，使器件更具有實用性，且更有利于市場推廣[9-13]。不同色溫的LED在家裝、氣氛烘托等方面有不同的用途，可在封裝時通過控制復合熒光粉濃度來調(diào)節(jié)色溫，根據(jù)需求選擇合適色溫的燈光可以使生活更有品質(zhì)[14-15]。

本文在普通白光LED制備的基礎(chǔ)上引入青色熒光粉，通過3種熒光粉按不同配比進行混合與3014器件封裝，制作出不同比例的全光譜LED芯片。通過對所獲得樣品進行測試，研究其光譜數(shù)據(jù)、顯色指數(shù)、發(fā)光效率、色溫等各種性能參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品增加了LED光譜的連續(xù)性，減小了光源中的藍光危害，為全光譜LED 的研究提供更多的參考數(shù)據(jù)，并結(jié)合LED在生產(chǎn)中的實際需求，為企業(yè)生產(chǎn)提供更多便利和更多可選資源。

1 實 驗

本次實驗所需：威士玻爾光電(蘇州)有限公司，SOB480、GAP530、NRL650 三色熒光粉，分別為：Ba0.956(Mg0.912Al10.088)O17∶Eu, Mn2+Lu2.54Y0.4Al5O12∶0.06Ce和Sr0.65Ca0.35AlSiN3∶0.05Eu。上海回天新材料有限公司，A、B硅膠分別是5351A、5351B。

實驗過程：將三色熒光粉與A、B 膠分別按照0.7∶1 ∶1的比例混合(3種熒光粉比例為1∶x∶1)，使用玻璃棒將混合物攪拌均勻后，放入高速離心機中離心1 min進行脫泡處理，取出配比樣品蘸取后涂覆在3014芯片上，后放入80 ℃的烤箱中烘烤10 min，再放入120 ℃的烤箱中烘烤20 min。將封裝的3014器件通過STC-4000的小積分球在電流30 mA，電壓3 V條件下測試，測出3014的光譜圖、色溫、光效、顯色指數(shù)性能參數(shù)，儀器來自杭州遠方光電信息股份有限公司。

2 結(jié)果與討論

2.1 3種熒光粉的光譜耦合

為了確定選用的3種熒光粉是否符合實驗需求，滿足全光譜白光LED的條件，首先對參與封裝的3種熒光粉的發(fā)射光譜進行測試，如圖1所示。SOB480 熒光粉其發(fā)射光譜峰值位于511 nm，譜線半寬高為27 nm，發(fā)射波段為480～550 nm的窄發(fā)射帶。GAP530 熒光粉其發(fā)射峰值在531 nm處，發(fā)射峰半寬高為104 nm，發(fā)射波段為480～650 nm的寬發(fā)射帶。NRL650 熒光粉的發(fā)射峰峰值為638 nm，譜線半寬高為92 nm，發(fā)射波段為570～730 nm的寬發(fā)射帶。

圖1 SOB480、GAP530、NRL650的發(fā)射光譜圖

圖2 GAP530、NRL650、SOB480的激發(fā)光譜圖

圖2顯示的是SOB480、GAP530、NRL650熒光粉的激發(fā)光譜，由圖可得，SOB480、GAP530、NRL650 3種熒光粉的激發(fā)光譜在270～430 nm的波段重疊，3種熒光粉均可以被激發(fā)。在420～510 nm的波段內(nèi)GAP530、NRL650兩種粉的激發(fā)程度達到峰值，且被激發(fā)程度最大，說明用此波段的光激發(fā)器件可以獲得性能最佳的3014器件。

圖3所示為SOB480熒光粉的發(fā)射光譜與GAP530、NRL650的激發(fā)光譜圖，在495～530 nm的光譜譜段內(nèi)，GAP530的被激發(fā)光譜與熒光粉SOB480的發(fā)射光譜相互重疊，說明GAP530熒光粉可吸收SOB480熒光粉所發(fā)的光，藍光芯片激發(fā)SOB480 熒光粉發(fā)出青光，青光的發(fā)射可激發(fā)GAP530熒光粉。由于NRL650熒光粉的激發(fā)光譜與SOB480的發(fā)射光譜也有重疊，所以NRL650熒光粉能吸收SOB480發(fā)出的青色光而發(fā)射紅光。

圖3 SOB480發(fā)射光譜、GAP530、NRL650的激發(fā)光譜圖

圖4 GAP530發(fā)射光譜、SOB480、NRL650的激發(fā)光譜圖

圖4所示為GAP530熒光粉發(fā)射、SOB480、NRL650熒光粉的激發(fā)光譜圖，圖中在490～590 nm處GAP530熒光粉發(fā)射光譜與NRL650熒光粉的激發(fā)光譜重合，表明GAP530熒光粉發(fā)出的光可以激發(fā)NRL650熒光粉。圖中SOB480的激發(fā)光譜并未與GAP530熒光粉的發(fā)射光譜重疊，故SOB480熒光粉反射GAP530熒光粉所發(fā)出的光，只產(chǎn)生了光的散射效應。

NRL650發(fā)射、SOB480、GAP530熒光粉的激發(fā)光譜圖，如圖5所示。NRL650的光譜與SOB480、GAP530熒光粉的光譜無重疊部分，說明NRL650發(fā)出的光不會激發(fā)其余兩種粉，一部分藍光芯片激發(fā)NRL650熒光粉發(fā)出紅光，另一部分藍光激發(fā)GAP530熒光粉發(fā)出的綠光，綠光被NRL650熒光粉吸收所發(fā)出的光與SOB480熒光粉的青光復合，最終實現(xiàn)全光譜白光LED。由于3種熒光粉的激發(fā)波段和發(fā)射波段不同，在制備3014器件的過程中存在3種熒光粉相互激發(fā)、相互吸收、相互反射的情況，為全光譜白光LED的實現(xiàn)增加了一定的難度，使用積分球?qū)Σ煌壤姆圻M行測試，器件的光譜數(shù)據(jù)和光電性能會產(chǎn)生變化，通過控制熒光粉配比可有效減少因激發(fā)光譜譜段和發(fā)射光譜譜段不重疊而造成的反射現(xiàn)象，降低全光譜白光LED的實現(xiàn)難度。

圖5 NRL650發(fā)射光譜、SOB480、GAP530的激發(fā)光譜圖

2.2 3種熒光粉封裝的3014器件

表1為STC-4000的小積分球測試在藍光芯片激發(fā)下，各不同比例復合熒光粉配比封裝后的3014 LED 器件樣品的性能參數(shù)。由表1可以看出，器件在藍光的激發(fā)下發(fā)光效率和顯色指數(shù)較高，隨著紅色熒光粉質(zhì)量在復合熒光粉總質(zhì)量中占比的減小，3014器件所測得的色溫逐漸增大。

圖6為復合熒光粉在不同質(zhì)量比例混合封裝下CIE色度圖，使用STC-4000的小積分球?qū)?014芯片進行測試，測得3種熒光粉質(zhì)量比分別為：

1∶16∶1, 1∶20∶1, 1∶24∶1, 1∶26∶1,

1∶28∶1,1∶29∶1,1∶30∶1

器件色溫分別為：

2 935，4 270，4 766，5 267，5 646，6 864，7 350 K

通過測得的數(shù)據(jù)可以看出，芯片的色溫隨GAP530熒光粉的比例增加而升高，熒光粉的紅粉占比越多，3014器件所發(fā)的光越偏暖，從1∶16∶1到1∶30∶1的過程中，器件所發(fā)光從暖白光逐漸變?yōu)槔浒坠狻?/p>

表1 復合熒光粉封裝3014芯片的各性能參數(shù)

Tab.1 Performance parameters of composite phosphor package 3014 device

m熒光粉(480530650)光效/(lm·W-1)顯色指數(shù)/Ra色溫/K色坐標(X軸,Y軸)1∶16∶1104.9292.82935(0.4220,0.3874)1∶20∶1105.8894.54270(0.3676,0.3617)1∶24∶1121.0192.94766(0.3524,0.3597)1∶26∶1118.5591.15267(0.3385,0.3563)1∶28∶1122.3692.15646(0.3291,0.3425)1∶29∶1113.1391.86864(0.3074,0.3227)1∶30∶1111.6590.67350(0.3013,0.3153)

圖6 各不同比例復合熒光粉封裝的3014芯片的CIE圖

圖7所示為藍光芯片激發(fā)質(zhì)量比不同的復合熒光粉封裝的3014器件的發(fā)光光譜圖，由圖可見，質(zhì)量比為1∶16∶1的3014器件在450 nm波長處的相對光強較弱，透過3014芯片的藍光較少，光效略低于其他比例的3014器件，僅為104.94 lm/W，由于紅粉在總質(zhì)量中所占比例較大，因此在630～670 nm這一波段相對光強高于其他波段。圖7中，質(zhì)量比為1∶20∶1～1∶30∶1的復合熒光粉，藍光透過率比較高，結(jié)合表1可以發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量比為1∶24∶1～1∶28∶1的器件由于被激發(fā)程度的不同，其光效都保持在118 lm/W以上，器件的相對光強也比較均勻而且數(shù)值偏高，落在黑體輻射線上且色坐標靠近CIE圖白光中心的器件，色溫分別為 4 766，5 267，5 646 K，與全光譜白光LED最佳色溫為 5 000 K左右的預估吻合。1∶28∶1后的比例，熒光粉藍光被激發(fā)率下降，相對光強降低，由于紅粉質(zhì)量減少，600 nm以上的波段相對光強數(shù)值很低。由表1可知，1∶29∶1和1∶30∶1的色溫分別為 6 864，7 350 K，3014器件被激發(fā)后發(fā)出的光偏冷白色，顯色指數(shù)相比其他比例偏低?？傮w而言，3種磷光體的光譜耦合形成的3014 器件的發(fā)光光譜中，質(zhì)量比在1∶24∶1～1∶28∶1這段比例中，3014器件的性能最佳。

圖7 不同比例熒光粉封裝的3014芯片的發(fā)光光譜圖

3 結(jié) 語

本文使用SOB480、GAP530、NRL650三種熒光粉作為研究對象，通過對不同質(zhì)量配比的熒光粉封裝的方法，調(diào)制出高光效，高顯指的全光譜白光LED，測試使用波長為450 nm的藍光對封裝3014芯片進行激發(fā)。通過分析3014 LED器件的發(fā)光效率、色溫、色坐標、顯色指數(shù)和發(fā)光光譜強度等光電性能參數(shù)，最終發(fā)現(xiàn)配比不同的復合熒光粉器件，在CIE色度圖上均由對應的點落在黑體輻射線上。全光譜白光LED器件的顯色指數(shù)在1∶20∶1時最高，其值為94.5，光效在1∶28∶1時最高，其值為122.36 lm/w，其色溫隨著GAP530的熒光粉質(zhì)量的增加而逐漸增大，且全光譜LED的發(fā)光光譜曲線更加連續(xù)。