近紫外激发三基色白光发光二极管的研究

近紫外激发三基色白光发光二极管的研究

0近紫外芯片的应用目前，光白电池的制造技术主要通过gan蓝基蓝芯片进行涂覆，并且对于小于5000k的灯需要一项高级色彩控制。当色温小于80且显示出高颜色时，不能应用于需要高色彩和平直数的场景。而使用红、绿和蓝色三个半导体芯片实现白光LED的方法虽然可以在比较宽和比较低的色温范围内,实现较高的显色指数,但由于红、绿、蓝三芯片光衰不一致,导致使用过程中白光LED光色参数变化范围较大,必须加适当的控制线路才能保证其光色参数稳定,器件生产成本高,且线路复杂。为解决上述问题,采用近紫外芯片作为激发源,激发红、绿、蓝三基色荧光粉,类似荧光灯中实现白光照明的做法,已成为国内外LED白光照明研究领域的研究热点。由于人眼视觉上对近紫外光线的不敏感性,此类白光LED的色度指标大多由荧光粉特性决定即可以在较大色温范围内实现高显色指数和较长时间内实现色彩稳定,这一特性被认为是新一代白光LED照明的主流方向。本文采用发射峰值波长400nm的近紫外芯片作为激发源激发红、绿、蓝三基色荧光粉的方法来制作白光LED。通过研究近紫外芯片与红、绿、蓝三基色荧光粉的光谱特性,改变红、绿、蓝三种荧光粉的比例以求制作出大范围色温内实现高显色指数、低紫外线残留和高稳定性的白光LED。1实验方法1.1环氧树脂电子灌封胶峰值波长为395～400nm的小功率近紫外芯片,发射波长为615,505和445nm的红、绿、蓝三基色荧光粉(有研稀土新材料股份有限公司,型号分别为GP-0730,GP-0751和GP-07563),东莞市固德电子材料有限公司的6000AB环氧树脂电子灌封胶,及ME-188A和ME-188B混粉胶。Sartorius-BSA124S高精度分析天平,DZF6030A干燥箱,RF-5301PC型荧光分光光度计和ZWL900LED光色电测试仪。1.2混粉胶的制备在精度为0.1mg的天平上称取适量的红、绿、蓝三基色荧光粉,混合均匀后按一定比例配以ME-188A混粉胶,搅拌均匀后加等量ME-188B胶,短时间搅拌均匀后放入真空干燥箱内排泡。经过固晶、打线和点胶等工艺,在120℃恒温条件下固化1h,使用环氧树脂灌封胶封装成Φ5白光LED样品。使用ZWL900LED光色电测试仪测量LED样品的光电参数。2ramax曲线的理论计算2.1红色蓝色光激发波长测量得到的近紫外芯片的发射光谱以及三基色荧光粉的激发和发射光谱见图1。蓝色和绿色荧光粉的激发波长(λ)峰值分别位于396和394nm处,与395nm近紫外芯片中心峰值波长基本一致。绿色荧光粉在波长大于445nm之后仍有一定的吸收,且激发幅度下降较慢,因而会对蓝色光有所吸收。红色荧光粉激发峰值波长在468nm处,会大量吸收蓝色光,而且在大于468nm之后下降幅度变化缓慢,也会造成对绿色光的吸收。这样要求配三色荧光粉时须增加蓝色和绿色荧光粉用量,减少红色荧光粉用量。红、绿、蓝三基色荧光粉的发射光谱峰值波长分别位于615,505和445nm处,带宽分别约为90,60和30nm,红色荧光粉的带宽最大,蓝色带宽最小,有助于降低色温,易制成暖白LED。2.2近紫外芯片的激发研磨led图1中红、绿、蓝三基色荧光粉在近紫外光激发下的单色发射光谱分别用pR(λ),pG(λ)和pB(λ)表示,假设混合后的光谱由三种单色光谱线性叠加,则三基色荧光粉的白光LED的相对光谱功率分布函数pW(λ)可表示为pW(λ)=kR·pR(λ)+kG·pG(λ)+kB·pB(λ)(1)式中kR,kG和kB分别表示白光LED中红、绿、蓝三基色的比例系数。计算在3000～9000K色温内,不同色温TC下存在的最高显色指数Ramax,结果见图2中线性曲线。由于荧光粉混合后,粉末间存在对另一种荧光粉的发射光谱的吸收,尤其红色荧光粉会大量吸收蓝绿荧光粉发出的蓝绿光,并且吸收幅度由红粉的激发光谱和蓝绿光的相对含量所决定,因此最终形成的白光将不再是三种单色光的线性叠加。为了更好地模拟预测实际的白光光谱,制作不同色温下的白光LED,有必要对式(1)进行修正,修正后白光相对光功率分布函数p′W(λ)表示为p′W(λ)=kR·pR(λ)+p′G(λ)+p′B(λ)(2)p′G(λ)=kG⋅pG(λ)⋅[1−XR(λ)⋅(kRkG+kR)](3)p′G(λ)=kG⋅pG(λ)⋅[1-XR(λ)⋅(kRkG+kR)](3)p′B(λ)=kB⋅pB(λ)⋅[1−XR(λ)⋅(kRkB+kR)]×[1−XG(λ)⋅(kGkB+kG)](4)p′B(λ)=kB⋅pB(λ)⋅[1-XR(λ)⋅(kRkB+kR)]×[1-XG(λ)⋅(kGkB+kG)](4)式中:XG(λ)为绿粉在蓝光波段的吸收率函数;XR(λ)为红粉吸收蓝光和绿光的吸收率函数。图2中修正模型曲线为修正后不同色温TC下存在的最高显色指数Ramax关系图。从图2可以看到,模型修正后不同色温TC下的最高显色指数Ramax的变化趋势与线性模型基本一致,但是相对应的Ramax值却大幅增加了,Ramax值保持在80～90。这说明由近紫外芯片激发的这三种红、绿、蓝三基色荧光粉易实现高显色指数低色温白光LED,并且在较大的色温范围内,特别在低色温3000K到中色温段6000K左右,Ra值都能保持在80以上。而且色温越高,则最高显色指数越大。3结果3.1近紫外三基色的实验结果采用胶与粉总质量比2∶1来制作色温低于5000K的白光LED,和胶与粉总质量比为4∶1来制作色温高于5000K的白光LED。制作和测量色温分别在3500,4000,4500,5000,5500,6000,7000和8000K时,显色指数最高值Ramax的白光LED,并与理论计算的值相对照。各理论色温TC下的理论和实际Ramax值及色度坐标见表1。由表1可见,实验结果与理论值基本一致,只是实际Ramax随TC的改变而变化的幅度更小,即最大显色指数Ramax相对更集中且稳定在85左右,色温在3000～9000K范围内的显色指数平均值约为85。在低色温区,实验做到的各色温对应的最大显色指数普遍比理论计算值更高,这再次验证了近紫外三基色白光LED易实现低色温高显色指数的结论。造成理论值与实际值的偏差,主要是因为粉的配比不够准确,使各主峰峰值与理论值未对齐重合,两者色温有一定偏差。图3是3500K色温时的实际光谱曲线和理论光谱曲线对照图,从图3可以看出,因为粉的配比不够准确,使各主峰峰值并未对齐重合,从而两者色温有一定偏差。由于三个主峰的波形近似,若进一步细致调节粉的比例,使对应波形上下增减,便仍然能够使实际与理论较好地符合。3.2tio和灰黑的用量对产品色泽的影响由于近紫外激发光不可能完全被吸收干净,总会有少量剩余,对于高色温区段,由于荧光粉浓度降低,残余紫光则占据更多比例。尽管一定量以内近紫外光对Ramax和TC的影响不大,但是作为照明器件,残留的紫外线仍然会对人体造成一定影响。鉴于TiO2粉末能较强地吸收紫外线,在三基色荧光粉混合时加入少量TiO2。图4为色温3500K的白光LED加入少量TiO2前后的光谱对照图。由图4可见,对于本身已经残余少量近紫外光的低色温白光LED,加入少许TiO2后,对红绿主峰的影响不大,蓝峰有微小的变化。色温几乎无变化,显色指数从加TiO2之前的显色指数83,变化到82,改变不大,但是近紫外激发光几乎完全被TiO2吸收。3.3近紫外芯片工作电流的影响以色温4900K的白光LED为例,其光谱功率分布函数p(λ)随驱动直流电流变化特性见图5。从图5中可以看出,工作电流从10mA逐渐增加到60mA的过程中,近紫外芯片的中心峰值波长发生细微变化,峰值连线与横坐标不垂直,发生红移现象,这种红移现象归结于在高驱动电流下由于热效应导致的能带间隙收缩。由于近紫外波长对视觉的不敏感性,芯片中心峰值波长的变化,对封装白光LED色度参数影响相对较小,而红、绿、蓝荧光粉当工作电流大范围变化时,在近紫外线激发下的发射光谱,不仅中心峰值波长几乎不变,而且其波形也未发生明显变化,其色度参数相对稳定,不易随工作电流发生大的变化。表2是4900K白光LED光色参数随驱动电流变化情况。由表2可见,随着驱动电流逐渐增加,LED色温渐次小幅降低,显色指数逐步增加,向色度参数更优良暖白光方向变化,这是由于三基色均在近紫外芯片下激发,变化性状基本一致,这与目前广泛应用的蓝色芯片激发YAG黄色荧光粉构成的白光LED电流变化特性不同,后者由于芯片发出的蓝光波长的红移,导致在工作电流大幅变化时,其色度参数变化较大。也与蓝光芯片激发红绿光的三基色白光LED不同,后者由于粉的吸收饱和从而红绿峰不和蓝光主峰一致变化,色度参数变化很大,并且向着高色温,低显色指数方向衰变。因此,近紫外光激发三基色荧光粉的白光LED相比具有更优良的稳定性能。4强度染色显色指数使用激发波长为390～400nm近紫外半导体芯片,涂敷激发发射峰值波长分别在615,505和445nm左右的红、绿、蓝三基色荧光粉,制作出白光发光二极管。实验结果与理论预计一致,证明了该种方法易实现低色温高显色指数的白光LE