低色溫高顯色性白光LED的研究

　隨著發(fā)光二極管（LED）芯片和封裝技術的提升，白光LED作為普通照明光源逐步受到人們的青睞。它具有低壓、低功耗、高可靠性、長壽命等一系列優(yōu)點，已廣泛應用于LED路燈、LED燈具等領域，是一種符合國家“節(jié)能減排”政策的綠色新光源，有望取代目前在照明領域占統(tǒng)治地位的熒光燈和白熾燈。熒光燈在發(fā)光過程中需利用汞蒸氣作為放電介質(zhì)，對人體產(chǎn)生危害，2006年開始已在歐盟地區(qū)禁售。白熾燈由于電光轉(zhuǎn)換效率低，2009年9月，歐盟率先出臺白熾燈禁售的政策，各國也紛紛發(fā)布禁售的進程，使得白光LED向普通照明尤其是室內(nèi)照明又前進了一大步。

　　然而，白光LED的顯色性是制約其進入室內(nèi)照明，特別是閱讀照明、醫(yī)療照明的技術瓶頸。長期以來，人們采用InGaN基藍光LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石（YAG:Ce3+）黃色熒光粉組合來制備冷白光LED（Tc>5,000K），可實現(xiàn)顯色指數(shù)高于80,但制備暖白光LED（Tc<5,000K）時，由于白光LED光譜的不均衡使得人們在技術上難以同時實現(xiàn)低色溫和高顯色性[1-3].

　　本文通過探討制備低色溫、高顯色性大功率白光LED的方法，分析其優(yōu)缺點，并從中總結實現(xiàn)低色溫、高顯色大功率白光LED的最佳方案。

　　1 制備低色溫高顯色性白光LED的方法

　　1.1RGB三基色芯片混合成白光

　　將紅、綠、藍三色LED功率型芯片集成封裝在單個器件之內(nèi)，調(diào)節(jié)三基色的配比，理論上可以獲得各種顏色的光。通過調(diào)整三色LED芯片的工作電流可產(chǎn)生寬譜帶白光[4].

　　吳海彬等人[5]自行設計的集成功率型1W白光LED色溫可以覆蓋2,700~13,000K,顯色指數(shù)均可做到80以上。Yoshi Ohno等人[6]通過模擬仿真三基色芯片和四基色芯片LED模型獲得了色溫Tc為3,000~4,000K、顯色指數(shù)Ra分別為80~89和90以上的白光，也就是說通過多芯片集成的方法能獲得低色溫高顯色性的白光LED.這種方法的缺點是封裝結構比較復雜，電路實現(xiàn)較困難，白光穩(wěn)定性較差，成本比較高。由于紅、綠、藍三種顏色LED芯片的量子效率不同，各自隨溫度和驅(qū)動電流的變化不一樣，且隨時間的衰減也不同，所以輸出白光的色度不穩(wěn)定。為了使其穩(wěn)定，需要對三種顏色分別加反饋電路進行補償，所以封裝結構及電路比較復雜。這種方法的優(yōu)點是效率高、使用靈活，由于發(fā)光全部來自紅、綠、藍三種LED,不需要進行光譜轉(zhuǎn)換，因此其能量損失最小，效率最高。同時由于RGB三色LED可以單獨發(fā)光，且其發(fā)光強度可以單獨調(diào)節(jié)，故具有較高的靈活性[7].

　　選擇RGB三基色合成白光技術實現(xiàn)功率型白光LED,主要應用于顯示行業(yè)，如動態(tài)廣告牌、商業(yè)等大型和超大型全色顯示屏的信息顯示。2009年5月份歐司朗光電半導體公司新開發(fā)出體積最小的RGB Multi-Chip LED,特別適合應用于大尺寸高分辨率的全彩屏幕，確保畫面在近距離觀看時依然清晰。

　　1.2近紫外LED芯片激發(fā)熒光粉

　　采用高亮度的近紫外LED（~400nm）激發(fā)RGB三基色熒光粉，產(chǎn)生紅、綠、藍三基色，并通過調(diào)整三色熒光粉的配比可以形成白光[4].

　　Katsuya Kobashi等人[8]采用405nm近紫外LED芯片激發(fā)混合的三基色（紅色、綠色和藍色）熒光粉，獲得了白光LED的Tc和Ra分別為3,900K和96.

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　　采用類似方法，Takeshi FUKUI等人[9]的研究表明，近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉（ML-R/G/B）產(chǎn)生的白光LED效果比激發(fā)混合的三基色熒光粉所產(chǎn)生的白光要好。實驗測得近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉（R/G/B）獲得的白光的Tc和Ra分別為2,613K和94,光通量為8.22 lm,而激發(fā)混合的三基色熒光粉獲得的白光的Tc和Ra分別為4,375K和83,光通量為7.82 lm.這是因為在混合RGB熒光粉的LED中，紅色熒光粉會吸收周圍附近藍、綠色熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光，而在分層的R/G/B熒光粉的LED中，由于紅色熒光粉在最底層，不會吸收上層的藍、綠熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光。除了用近紫外LED激發(fā)三基色熒光粉外，Jong Su Kim等人[10]采用375nm近紫外LED芯片激發(fā)Sr3MgSi2O8:Eu2+（藍和黃）或Sr3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+（藍、黃和紅）單一白光熒光粉，獲得的白光LED在 Tc=5,892K下的Ra=82,在Tc=4,494K下的Ra=92.

　　這種方法的優(yōu)點是：（1）在低色溫情況下，顯色指數(shù)高；（2）光色與色溫可調(diào)。其缺點是：（1）高發(fā)光效率的功率型近紫外LED芯片不容易制作，價格昂貴；（2）封裝材料（如硅膠等）在紫外光的照射下容易老化，壽命縮短；（3）近紫外激發(fā)的RGB熒光粉光轉(zhuǎn)換效率不高；（4）存在紫外線泄漏的安全隱患。

　　1.3藍光LED芯片激發(fā)熒光粉

　　1.3.1 藍光LED激發(fā)單色熒光粉

　　目前，白光LED主流的制備方法是藍光LED芯片激發(fā)YAG:Ce3+黃色熒光粉。鄭代順等人[11]采用藍光LED分別激發(fā)兩種單色黃色熒光粉YAG:Ce3+,得到的白光LED的Tc和Ra分別為5,000K、64.6和4,000K、69.3,但其器件的光通量Φ和發(fā)光效率η達到了27.7 lm、23.98 lm/W和25.5 lm、22.91 lm/W.該方法的優(yōu)點是可獲得光通量和發(fā)光效率較高的白光；缺點是難以得到低色溫高顯色性的白光，由于光譜中缺少紅光成份，所以色溫高而顯色性差。目前，藍光LED芯片和YAG:Ce3+黃色熒光粉混合的方案難以實現(xiàn)在4,000K以下的低色溫且Ra>80高顯色性的白光LED[12].

　　1.3.2 藍光LED激發(fā)雙色熒光粉

　　鄭代順等人[11]采用藍光LED芯片激發(fā)黃色和紅色熒光粉得到的白光LED的Tc和Ra分別為3,200 K和83.2,但由于目前紅色熒光粉的轉(zhuǎn)換效率較低，在同樣的工作電流下，器件的Φ和η只有14.1 lm和12.72 lm/W.吳海彬等人[13]采用紅、綠兩種熒光粉通過藍光LED激發(fā)制成1W白光LED,并通過合理匹配紅、綠熒光粉和硅膠三者之間的比例，可以實現(xiàn)在2,700~13,000K之間的任一色溫區(qū)，顯色指數(shù)均能達到90以上，在4,000K以下的低色溫區(qū)，顯色指數(shù)可以達到96.但是在4,000K以下的低色溫區(qū)，其發(fā)光效率較低，且<20 lm/W,這是因為紅、綠熒光粉轉(zhuǎn)換效率較低。Rong-Jun Xie等人[14]采用藍光LED芯片激發(fā)Ca0.995Yb0.005Si9Al3ON15和Sr2Si5N8:Eu2+兩種氮氧化物/氮化物熒光粉獲得了色溫可調(diào)（2,700~6,700K）、顯色指數(shù)較高（82~83）的白光。同樣該方法的缺點是粉體的轉(zhuǎn)換效率不高，發(fā)光效率有待提高。

　　1.3.3藍光LED激發(fā)三色熒光粉

　　Naoki Kimura等人[15]采用藍光LED芯片激發(fā)β-SiAlON:Eu綠色熒光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黃色熒光粉和CaAlSiN3:Eu紅色熒光粉，獲得了色溫從冷白到暖白可調(diào)、顯色指數(shù)為80的白光。該方法的優(yōu)點是可以通過調(diào)整三種熒光粉的比例來獲得一定范圍的可調(diào)色溫；缺點是熒光粉的轉(zhuǎn)換效率不高，粉體不易混合等。

　　1.3.4藍光LED激發(fā)四色熒光粉

　　Naoki Kimura等人[15]通過藍光LED激發(fā)四種混合的氮氧化物/氮化物熒光粉（β-SiAlON:Eu綠色熒光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黃色熒光粉、CaAlSiN3:Eu紅色熒光粉和BaSi2O2N2:Eu碧藍熒光粉）制備出在寬范圍波動的色溫下（2,900~7,000K）高顯色指數(shù)（95以上）的白光LED.特別是獲得了色溫Tc為2,900K和顯色指數(shù)Ra為98的白光LED,而且光效也較高，達28 lm/W.這是通過調(diào)節(jié)四種熒光粉的比例來獲得的不同色溫下不同顯色指數(shù)的白光LED.

　　采用藍光LED激發(fā)四種混合的氮氧化物/氮化物熒光粉，其優(yōu)點是可以在低色溫的情況下獲得較高顯色指數(shù)的白光LED,且色溫可調(diào)，缺點是該方法所采用的熒光粉制備技術不成熟，且多種粉體混合較為困難。

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　　1.3.5 紅光LED補償法

　　鄭代順等人[11]用GaN基倒裝焊大功率藍光LED激發(fā)黃色熒光粉，同時采用AlGaInP高亮度小功率紅光LED芯片進行補償來制備大功率白光LED,得到的白光的Tc和Ra分別為3,450K和93.9,器件的Φ和η為26.6 lm和19.42 lm/W,遠遠高于前面提到的采用藍光LED同時激發(fā)黃色和紅色兩種熒光粉得到的器件水平，這是因為避開了低效率紅色熒光粉的使用。此方法的缺點在于必須對藍光和紅光芯片的工作電流分別加以控制，以調(diào)整藍、黃和紅三色光的比例，從而得到高Ra白光，導致驅(qū)動電路相對復雜。此外，由于藍光芯片、熒光粉和紅光芯片構成的是相對獨立的發(fā)光體，就單個器件存在空間顏色不均勻的問題，這一問題可以通過適當?shù)年嚵信挪挤绞絹斫鉀Q。目前，紅光LED芯片補償法在LED器件封裝中較少使用，在高檔室內(nèi)燈具如筒燈設計中往往采用紅光LED（指單燈）補償法制造低色溫高顯色性的節(jié)能燈具。采用紅光LED補償法得到的筒燈，其相關色溫和顯色指數(shù)值如表1所示，從表1中可以看出，加了紅光LED后，顯色性提高，且色溫值也較低。

　　2 低色溫高顯色性白光LED光色參數(shù)分析及其制備

　　2.1 低色溫白光LED光色參數(shù)測試與分析

　　實驗抽驗了國內(nèi)不同LED封裝廠的低色溫（3,000~3,300K）白光樣品1、樣品2,采用PMS-80紫外可見光近紅外光譜分析系統(tǒng)測試并記錄了樣品的色溫、顯色指數(shù)、色比等光色參數(shù)。如表2所示，樣品1單顆光通量高達87.406 lm,但顯色指數(shù)不足50;樣品2光通量僅有22.832 lm,但顯色指數(shù)將近90.

　　如圖1所示，樣品1顯色指數(shù)較低主要是因為：R8（亮淺紅-紫色）、R9（深紅色）、R11（濃綠色）、R12（濃藍色）的值均較低，尤其是R9（深紅色）的值為0,說明光譜中缺少紅光和藍偏綠的光，可以通過加入激發(fā)光譜與所選擇的藍光LED的發(fā)射光譜相匹配的紅色熒光粉和綠色熒光粉來提高顯色性。

　　如圖2所示，白光LED樣品的光譜圖中，樣品1的藍光能量比樣品2要小，且黃光光譜部分相對偏向黃橙波段，也就是說紅光能量相對較低，所以顯色性較差。

　　2.2低色溫高顯色性白光LED的制備

　　實驗采用國外瓦級InGaN基藍光LED芯片制備低色溫高顯色白光LED,在已固晶焊線后的芯片上涂敷按一定比例調(diào)配好的熒光粉和硅膠的混合物，并烘烤使其固化。采用杭州遠方LED300測試樣品的光色參數(shù)，如表3所示。

　　如表3所示，白光光譜的紅色部分在初始老化時期有較明顯的衰減現(xiàn)象，光譜的變化導致色坐標的漂移，使得色溫上升。而熒光粉效率的降低也導致了光通量和發(fā)光效率的下降。在500hrs后，衰減現(xiàn)象逐步減緩。

　　如圖3所示，在低色溫高顯色性大功率LED老化過程中，紅色部分衰減較為明顯（600~780nm），紅色比從24.5%下降到19.3%,但從表3中可以看出顯色指數(shù)仍保持80以上，滿足照明的需求。

　　3 結論

　　本文論述了低色溫高顯色性白光LED的制備方法，包括：（1）RGB三基色芯片混合成白光；（2）近紫外LED芯片激發(fā)RGB熒光粉；（3）藍光LED芯片激發(fā)熒光粉；（4）紅光LED芯片補償法等，重點分析了低色溫高顯色性白光LED的光色電參數(shù)，指出了低色溫高顯色性白光LED制備技術的難點，并制備了瓦級大功率白光LED,其顯色性高達93,經(jīng)過1,000小時老化后，色溫出現(xiàn)漂移，顯色指數(shù)仍高于83.