白光led的光学特性

白光led的光学特性

1低染色、高显色led产品研发的意义随着光光灯的发展，人们希望光光灯的光谱、色度、亮度和相关颜色能够满足国际cie和中国的相关标准。如果你不这样做，你会感到不舒服。我们对相关色温8000～4000K白光LED的光色特性及其与正向电流的关系进行了总结。长期以来,低色温(<4000K)、高显色性的白光LED按照当前主流方案InGaN蓝色LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石黄色荧光体组合的方案实现难度大,成为人们攻关的难题。因为黄色荧光体的发射光谱中缺少红成份。故目前大多数报告限于有关5000K以上的高色温白光LED的工作。尽管白光LED已有商品,但缺少低色温白光LED。5000K以上的高色温商品,显色性差,难以满足市场,目前,由蓝色芯片和荧光体组合的低色温白光LED的论文报告极少。因此,无论从学术上研究,还是应用需要,发展低色温(<4000K)高显色性白光LED具有重要意义。经过努力研发,我们研发出3450K、2900K及2700K低色温、高显色性白光LED。本文按照明光源标准,报告这类低色温白光LED的发射光谱、色品质、显色性、光效等特性及这些光学特性与正向电流IF的关系,揭示这些关系的变化以及相关色温差ΔTc的变化规律,并对这些结果进行分析。2红色荧光体荧光体的封装技术依据发光学光转换及色度学原理,采用InGaN蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的稀土YAG:Ce体系黄绿色和Eu2+激活的CaS体系红色荧光体有机组合成白光技术,调整各蓝芯片和荧光体的发射光谱的能量分布,实现所需要的白光。选用发射波长455～465nm的InGaNLED蓝芯片。将含有荧光体的高透过率的优质树脂,如环氧树脂、硅树脂仔细深覆在蓝片周围。蓝芯片固晶在带有支架的金属碗中。最后,用常规的封装工艺和树脂封装成子弹型或半球型白光LED。测试方法和仪器见以前文献中所述。3低光光刻光刻特性3.13片的电致发光el和荧光体-荧光led的光谱显色图图1给出在正向电流IF=20mA下的色温为3390K的白光LED的发射光谱。它属于标准色温为3450K的白色光。其发射是由InGaNLED蓝芯片的电致发光(EL)光谱和以黄色荧光体为主的发射光谱以及以红色荧光体和蓝色LED为辅的发射光谱所组成。这种白光LED中发生光转换,色温低,故其发射光谱以荧光体的发射光谱为主体。在IF=20mA下,该白光LED的色品坐标x=0.4091,y=0.3873,它们落在CIE标准色度图3450K标准色温的色容差图的最内圈中,其色容差3.0,显色指数Ra=84,很满意,完全符合照明光源的要求。它的光效可达56.4lm/w(IF=20mA)3.2预测和色容差分析光源的色温为2900K的白光通常称为暖白色,这是照明中很受欢迎的一个色温区,因此,获取符合要求的2900K色温白光LED深受重视。利用色度学原理,合理地配置出黄色荧光体和红色荧光体的配比,增加红成份,调制InGaNLED芯片蓝色EL的能量分布以及荧光体的PL光谱的能量分布是可以实现2900K白光LED。图2给出由我们制作的色温为2989K白光LED在IF=20mA工作下的发射光谱。和图1相比,红区发射为主,黄绿区减少,而光谱中由InGaNLED芯片发射的蓝光比例明显减弱。大约500nm～750nm光谱是由Ce3+的5d-2FJ(4f)能级跃迁发射(黄绿光)及Eu2+离子的4f65d-4f7能级跃迁发射(红光)光谱组成。Ce3+和Eu2+离子分别有效地吸收蓝光,转换成黄绿光和红光。在IF=20mA下,该白光LED的色品坐标x=0.4330,y=0.3946。它们分布在标准2900K的色容差的最内圈中,其色容差很小。这个2989K白光LED的显色指数为85。3.3显色指数ra90进一步增加白光LED中红色荧光体的比例,使白光LED的发射光谱中红成份大大增加,蓝成份大大减弱,可制得2700K色温的白光LED。这里给出2627K白光LED的一些特性。其色品坐标x=0.4596,y=0.4008,它们分布在标准2700K色温的色容差的外圈边上。只要调节好荧光体配比,满意的色品坐标x和y值是可以控制的。色温为2627K是属于2700K白炽灯光色,Ra=85。图3表示2627K白光LED的发射光谱,它的性质和图2相同,只是光谱中红成份多,蓝成份很弱。这个光谱类似白炽灯的发射光谱,但没有白炽灯的近红外辐射发射。依我们的工作,白光LED的显色指数Ra≥90是可以实现的,但光效下降。因此,在应用时,应依据要求,既要考虑Ra,又要考虑光效,综合平衡。4光学结构与if的关系4.1线性光明度对led光通和光效的影响白光LED的光通和光效是实现照明光源的关键,人们需要认识光通和光效的变化,以便指导确定工作条件。所制作的3390K、2989K及2627K三种低色温白光LED的光通(ϕ)和光效(η)在不同正向电流IF下的变化曲线分别表示在图4中。三种色温的ϕ和η变化规律相同,即光通呈亚线性增加,趋向饱和,而光效随IF增加逐渐下降。低色温白光LED的光通和光效这种变化规律是与其它色温的变化规律是一致的。本工作中,几种半球ϕ5白光LED在IF=20mA下所获得的结果列在表1中。考虑多种因素,小尺寸芯片(～0.35×0.35mm2)封装的ϕ5LED一般选在IF=20mA下工作,既可获得高光通(强),又可获得较高的光效。4.2色书中多转色容差的变化实验发现,3390K,2989K和2627K三种低色温白光LED随正向电流IF增加,色品坐标x和y均逐渐减小。这种变化规律选用2627K白光LED为代表,在图5中,用实心方点表示这种变化规律,方点变化轨迹绘在2700K色温的色容差图中。很明显,随IF的增加,色品坐标x和y值逐渐减小,越来越偏移2700K色容差的范围。因此,器件在使用时应注意。4.3led的染色上述色品坐标x和y值随IF增加而减小,必然导致相关色温增加。图6表示3390K、2989K和2627K三种低色温白光LED在不同IF工作下的相关色温变化规律。它们的变化是一致的,即随IF的增加,Tc逐渐增加。实验还揭示一个规律,当某一色温为Tc的白光LED在IF(b)与在IF(a)工作下的相对色温差为ΔTc,即ΔTc=Tc[IF(b)]-Tc[IF(a)],b>a;低色温白光LED的ΔT变化比高色温白光LED小。色温越低的白光LED的ΔT变化越小,否则反之。即:ΔTc(2700K)<ΔTc(3450K)<ΔTc(4000K)<ΔTc(6400K)<ΔTc(8000K)⋯⋯ΔΤc(2700Κ)<ΔΤc(3450Κ)<ΔΤc(4000Κ)<ΔΤc(6400Κ)<ΔΤc(8000Κ)⋯⋯例如本报告中2627K白光,IF(a)=5mA时的色温Tc为2589K,当IF(b)增加到60mA时,色温变化为2737K。其相关色温差ΔTc,反应色温变化的幅度,ΔTc(2700K)=Tc(60mA)-Tc(5mA)=148K;对2900K来说,ΔTc(2900K)=162K;对3450K来说,ΔTc(3450K)=259K。对更高色温如6400K,8000K白光LED来说,ΔTc的变化更为突出。图6中三个色温变化的幅度(趋势),就反映这种变化规律。白光LED的发射光谱是由InGaNLED芯片的蓝光电致发光(EL)光谱和荧光体(这里是由黄绿色和红色两种荧光体)的光致发光(PL)光谱所组成。随着白光LED的色温降低,光谱中InGaN芯片发射的蓝成份逐渐减少,而荧光体的发光却占主导地位,如图1到图3中所示的变化。荧光体的发光象PL发光,与正向电流无关,而蓝光是InGaN芯片在IF驱动下发射的,它的性质与IF的大小密切相关,在文献中有详细报告。在不同IF工作时,蓝芯片的发射光谱、发射峰、光谱的半高宽(FWHM)和色品坐标均发生变化。在低色温白光LED中,如2700K,由于光谱中蓝成份所占比例很小,故IF增加所带来的色温变化幅度ΔTc小;而在高色温白光LED中情况就不同了,带来的ΔTc变化很大。5线性相关、标准曲线、分光和光栅荧光等特征结合的特征综上所述,采用蓝光LED芯片和黄(绿)色及红色荧光体有机结合,可以成功地制作出4000K以下的不同低色温段,显色指数高,色品质优良的白光LED,其光学性能符合照明光源CIE的严格标准要求。所开发的3450K、2900K和2700K白光LED的发射光谱、色品坐标、色温等特性与工作条件有关。随着正向电流IF增加,色品坐标x和y值逐渐减小,而相关色温逐渐增大,发生色漂移。发现其表征色温变化的幅度—相关色温差ΔTc,在低色温白光LED中比高色温白光LED中小,按顺序递减。这是因为在由高色温到低色温的白光LED的发射光谱中,与IF密切相关的蓝光谱成分逐渐减少的缘故。和蓝光及高色