白光led用红色荧光粉的研究

白光led用红色荧光粉的研究

近年来，随着电动汽车的研究，电动汽车的光效率不断提高，形成白色晶体的光逐渐被接受。LED具有能耗低、寿命长、安全、环保等优点,作为新一代绿色光源备受关注,并且得到国家政策的大力支持。目前,白光LED照明正在迅速从室外照明发展到室内照明,这也对白光LED光源提出了相应的要求(在一些应用场合需要比较高的显色指数,而在另一些场合又需要相对低的色温)。白光LED的显色性是制约其进入室内照明,特别是家居照明、医疗照明的技术瓶颈。长期以来,人们采用GaN基蓝光LED芯片和YAG黄色荧光粉组合来制备冷白光LED(Tc>5000K),其显色指数最高也只能达到75左右,但制备暖白光LED(Tc<5000K)时,由于白光LED光谱的不均衡,在技术上难以同时实现低色温和高显色性。为了同时实现上述两种性能,不少研究人员采用了黄粉中掺杂红粉的技术方案,本文也将采用这种方法进行实验,来详细探讨不同种类的红色荧光粉的加入对白光LED色温和显色性的影响,并研究YAG和不同的红色荧光粉的配比对白光LED色温和显色性的影响,从而提出较佳的配比方案。1实验仪器和方法实验所用的主要材料有:YAG∶Ce3+荧光粉(常熟江南荧光材料有限公司)、Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+和Sr2Si5N8∶Eu2+荧光粉(北京中村宇极科技有限公司)、蓝光芯片(武汉迪源光电科技有限公司)、支架(东莞市驰名电子科技有限公司)、透镜(同上)、硅胶(广州市德豪电子材料有限公司)。为了确保实验数据的可靠性,分别使用每种配方封装5颗光源来求平均值进行比较。荧光粉使用远方PMS-80光谱分析系统进行测试。LED光源的光电参数使用远方HAAS-2000高精度快速光谱辐射计进行测试。2结果与讨论2.1荧光光谱测试本实验采用的各种荧光粉的光谱如图1~图3所示。氮氧化物和氮化物荧光粉具有较好的稳定性、优良的色纯度、较高的量子效率和非常宽的发射光谱,所以很适合用于白光LED发光区域,尤其是可以改善传统方法单独使用YAG制作白光LED造成的弊端。在低色温高显色性白光LED的制备过程中普遍采用通过混合红色荧光粉的方法来改善色温和显色性。图1为本实验使用的YAG黄色荧光粉光谱图。激发光谱峰值波长为465nm,在460nm处也具有非常好的激发效果,和我们选用的蓝光芯片比较匹配。YAG发射光谱峰值波长552nm。图2为硅基氮氧化物荧光粉光谱图。从紫外到蓝光区域内都有很强的激发带,最适合作为紫外芯片用的荧光粉,但是在本实验采用的蓝光芯片发光波长460nm处的激发并不是太强。另外,荧光粉的发射峰值波长为586nm,光谱同样覆盖部分红光区域。图3为氮化物红粉的光谱图。可以看到从紫外一直到黄光区域都有比较强的激发带,并且在460nm处达到峰值,可知该荧光粉非常适合于GaN基的蓝光芯片,并且光谱覆盖区域更广。发射光谱峰值波长在630nm处的红光区域。2.2不同氮化物硝粉的含量对白色室内的分辨率和显色性有影响2.2.1led光效趋势将封装好的LED在350mA恒流电源下测试,测试结果如表1和图4所示。图4中横轴数值分别对应YAG和Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+比值为:1∶0;0.9∶0.1;0.85∶0.15;0.8∶0.2。从图4中可以看到,随着Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+含量的增加,LED性能总体的变化趋势是:色温先大幅下降再小幅上升,然后又大幅下降,从最高的5868K下降到3504K,总体色温下降明显。其原因是:随着Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+的加入,Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+会吸收部分蓝光,造成色温下降。另外,白光LED显色指数先升高后降低,从最低的70.4升高到83.4。这主要是由于Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+的加入会增加白光LED光谱的色域,弥补单独使用YAG造成的红光成分相对较少等问题,从而提升显色指数。如果加入的Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+过量,会造成LED的发射光谱中红光所占比例过多,而绿光和蓝光成分过少,显色指数下降。随着Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+的加入,LED光效也出现较大程度的下降,从最高的92.564lm/W下降到最低的70.124lm/W。这主要是由于Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+在460nm处蓝光激发强度比较弱,吸收部分蓝光,并且Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+发光效率比YAG低。2.2.2sr2si5n8eu2+对led色域的影响将封装好的LED在350mA恒流电源下测试,测试结果如表2和图5所示。图5中横轴数值分别对应YAG和Sr2Si5N8∶Eu2+比值为:1∶0;0.97∶0.03;0.95∶0.05;0.9∶0.1)。从图5中可以看到,随着Sr2Si5N8∶Eu2+含量的增加,LED总体的变化趋势是:色温先大幅下降再小幅上升,然后又大幅下降,从最高的5868K下降到3504K,总体色温下降明显。可见随着Sr2Si5N8∶Eu2+的加入,Sr2Si5N8∶Eu2+会吸收部分蓝光,造成色温下降。另外,白光LED显色指数先升高后降低,从最低的70.4升高到88.2。这主要是由于Sr2Si5N8∶Eu2+的加入会增加白光LED光谱的色域,弥补单独使用YAG造成的红光成分相对较少等问题,从而提升显色指数。但是,随着Sr2Si5N8∶Eu2+的加入,LED光效也出现较大程度的下降,从最高的92.564lm/W下降到最低的51.274lm/W。这主要是由于Sr2Si5N8∶Eu2+吸收部分蓝光,蓝光强度减弱,并且加入的YAG相对减少,黄光成分相应减弱,而且Sr2Si5N8∶Eu2+的发光效率比YAG低。2.3led最佳加入波长及用量将质量比为7∶0.85∶0.15的硅胶、YAG和Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+充分混合,排除气泡后与蓝光芯片封装成白光LED,并将其与单独用YAG荧光粉封装成的白光LED的发射光谱进行比较。图6是两种白光LED在驱动电流为350mA时的发射光谱。通过比较图中的两条曲线可以看出,加入Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+后白光LED的发射光谱色域更宽,从550nm一直到650nm范围内都具有比较高的发射强度。由于Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+的加入,吸收更多蓝光芯片发出的在460nm处的蓝光,从而在460nm处发射强度相对较弱,但光谱在蓝光区域峰值不变,这对我们制备低色温白光LED是有利的;同时还可以看出,由于红粉的加入,造成YAG相对减少,从而在550nm左右黄光区域的发射强度相应下降,光谱随着往长波长方向发展。由于红粉的加入,光谱右移,发光区域更广,强度相比加红粉之前有很大的提高,这对我们制备高显色性白光LED是有利的。将质量比为7:0.95∶0.05的硅胶、YAG和Sr2Si5N8∶Eu2+充分混合,排除气泡后与蓝光芯片封装成白光LED,并将其与单独用YAG荧光粉封装成的白光LED的发射光谱进行比较。图7是两种白光LED在驱动电流为350mA时的发射光谱。通过比较图中的两条曲线可以看出,与加入峰值波长为586nm的Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+相似,加入峰值波长为630nm的Sr2Si5N8∶Eu2+后,白光LED的发射光谱色域更宽,从550nm一直到680nm范围内都具有比较高的发射强度。由于红粉的加入,吸收更多蓝光芯片发出的在460nm处的蓝光,从而在460nm处发射强度相对较弱,但光谱在蓝光区域峰值不变,这对我们制备低色温白光LED是有利的;同时还可以看出,由于红粉的加入,造成YAG相对减少,从而在550nm左右黄光区域的发射强度相应下降,光谱随着往长波长方向发展。由于红粉的加入,光谱右移,相比加入Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+,加入Sr2Si5N8∶Eu2+制备的白光LED发射光谱往长波方向移动得更多、区域更广,强度相比加红粉之前有很大的提高,这对我们制备高显色性白光LED是有利的。3仪器结果比较本文研究了两种红色荧光粉对白光LED色温和显色性的影响。从测试结果可以看出:(1)硅胶、YAG和Ba2Al2Si10N14O4∶Eu2+比值为7∶0.85∶0.15时,色温、显色性和光效等参数更具有实用性,此时色温为4536K、显色指数为83.4、光效为73.202lm/W;(2)硅胶、YAG和Sr2S