近紫外激發(fā)三基色白光發(fā)光二極管的研究

近紫外激發(fā)三基色白光發(fā)光二極管的研究

0近紫外芯片的應(yīng)用目前，光白電池的制造技術(shù)主要通過(guò)gan藍(lán)基藍(lán)芯片進(jìn)行涂覆，并且對(duì)于小于5000k的燈需要一項(xiàng)高級(jí)色彩控制。當(dāng)色溫小于80且顯示出高顏色時(shí)，不能應(yīng)用于需要高色彩和平直數(shù)的場(chǎng)景。而使用紅、綠和藍(lán)色三個(gè)半導(dǎo)體芯片實(shí)現(xiàn)白光LED的方法雖然可以在比較寬和比較低的色溫范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)較高的顯色指數(shù),但由于紅、綠、藍(lán)三芯片光衰不一致,導(dǎo)致使用過(guò)程中白光LED光色參數(shù)變化范圍較大,必須加適當(dāng)?shù)目刂凭€路才能保證其光色參數(shù)穩(wěn)定,器件生產(chǎn)成本高,且線路復(fù)雜。為解決上述問(wèn)題,采用近紫外芯片作為激發(fā)源,激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉,類似熒光燈中實(shí)現(xiàn)白光照明的做法,已成為國(guó)內(nèi)外LED白光照明研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于人眼視覺(jué)上對(duì)近紫外光線的不敏感性,此類白光LED的色度指標(biāo)大多由熒光粉特性決定即可以在較大色溫范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)和較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)色彩穩(wěn)定,這一特性被認(rèn)為是新一代白光LED照明的主流方向。本文采用發(fā)射峰值波長(zhǎng)400nm的近紫外芯片作為激發(fā)源激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的方法來(lái)制作白光LED。通過(guò)研究近紫外芯片與紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的光譜特性,改變紅、綠、藍(lán)三種熒光粉的比例以求制作出大范圍色溫內(nèi)實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)、低紫外線殘留和高穩(wěn)定性的白光LED。1實(shí)驗(yàn)方法1.1環(huán)氧樹(shù)脂電子灌封膠峰值波長(zhǎng)為395～400nm的小功率近紫外芯片,發(fā)射波長(zhǎng)為615,505和445nm的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉(有研稀土新材料股份有限公司,型號(hào)分別為GP-0730,GP-0751和GP-07563),東莞市固德電子材料有限公司的6000AB環(huán)氧樹(shù)脂電子灌封膠,及ME-188A和ME-188B混粉膠。Sartorius-BSA124S高精度分析天平,DZF6030A干燥箱,RF-5301PC型熒光分光光度計(jì)和ZWL900LED光色電測(cè)試儀。1.2混粉膠的制備在精度為0.1mg的天平上稱取適量的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉,混合均勻后按一定比例配以ME-188A混粉膠,攪拌均勻后加等量ME-188B膠,短時(shí)間攪拌均勻后放入真空干燥箱內(nèi)排泡。經(jīng)過(guò)固晶、打線和點(diǎn)膠等工藝,在120℃恒溫條件下固化1h,使用環(huán)氧樹(shù)脂灌封膠封裝成Φ5白光LED樣品。使用ZWL900LED光色電測(cè)試儀測(cè)量LED樣品的光電參數(shù)。2ramax曲線的理論計(jì)算2.1紅色藍(lán)色光激發(fā)波長(zhǎng)測(cè)量得到的近紫外芯片的發(fā)射光譜以及三基色熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜見(jiàn)圖1。藍(lán)色和綠色熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)(λ)峰值分別位于396和394nm處,與395nm近紫外芯片中心峰值波長(zhǎng)基本一致。綠色熒光粉在波長(zhǎng)大于445nm之后仍有一定的吸收,且激發(fā)幅度下降較慢,因而會(huì)對(duì)藍(lán)色光有所吸收。紅色熒光粉激發(fā)峰值波長(zhǎng)在468nm處,會(huì)大量吸收藍(lán)色光,而且在大于468nm之后下降幅度變化緩慢,也會(huì)造成對(duì)綠色光的吸收。這樣要求配三色熒光粉時(shí)須增加藍(lán)色和綠色熒光粉用量,減少紅色熒光粉用量。紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉的發(fā)射光譜峰值波長(zhǎng)分別位于615,505和445nm處,帶寬分別約為90,60和30nm,紅色熒光粉的帶寬最大,藍(lán)色帶寬最小,有助于降低色溫,易制成暖白LED。2.2近紫外芯片的激發(fā)研磨led圖1中紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉在近紫外光激發(fā)下的單色發(fā)射光譜分別用pR(λ),pG(λ)和pB(λ)表示,假設(shè)混合后的光譜由三種單色光譜線性疊加,則三基色熒光粉的白光LED的相對(duì)光譜功率分布函數(shù)pW(λ)可表示為pW(λ)=kR·pR(λ)+kG·pG(λ)+kB·pB(λ)(1)式中kR,kG和kB分別表示白光LED中紅、綠、藍(lán)三基色的比例系數(shù)。計(jì)算在3000～9000K色溫內(nèi),不同色溫TC下存在的最高顯色指數(shù)Ramax,結(jié)果見(jiàn)圖2中線性曲線。由于熒光粉混合后,粉末間存在對(duì)另一種熒光粉的發(fā)射光譜的吸收,尤其紅色熒光粉會(huì)大量吸收藍(lán)綠熒光粉發(fā)出的藍(lán)綠光,并且吸收幅度由紅粉的激發(fā)光譜和藍(lán)綠光的相對(duì)含量所決定,因此最終形成的白光將不再是三種單色光的線性疊加。為了更好地模擬預(yù)測(cè)實(shí)際的白光光譜,制作不同色溫下的白光LED,有必要對(duì)式(1)進(jìn)行修正,修正后白光相對(duì)光功率分布函數(shù)p′W(λ)表示為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)為綠粉在藍(lán)光波段的吸收率函數(shù);XR(λ)為紅粉吸收藍(lán)光和綠光的吸收率函數(shù)。圖2中修正模型曲線為修正后不同色溫TC下存在的最高顯色指數(shù)Ramax關(guān)系圖。從圖2可以看到,模型修正后不同色溫TC下的最高顯色指數(shù)Ramax的變化趨勢(shì)與線性模型基本一致,但是相對(duì)應(yīng)的Ramax值卻大幅增加了,Ramax值保持在80～90。這說(shuō)明由近紫外芯片激發(fā)的這三種紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉易實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)低色溫白光LED,并且在較大的色溫范圍內(nèi),特別在低色溫3000K到中色溫段6000K左右,Ra值都能保持在80以上。而且色溫越高,則最高顯色指數(shù)越大。3結(jié)果3.1近紫外三基色的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用膠與粉總質(zhì)量比2∶1來(lái)制作色溫低于5000K的白光LED,和膠與粉總質(zhì)量比為4∶1來(lái)制作色溫高于5000K的白光LED。制作和測(cè)量色溫分別在3500,4000,4500,5000,5500,6000,7000和8000K時(shí),顯色指數(shù)最高值Ramax的白光LED,并與理論計(jì)算的值相對(duì)照。各理論色溫TC下的理論和實(shí)際Ramax值及色度坐標(biāo)見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論值基本一致,只是實(shí)際Ramax隨TC的改變而變化的幅度更小,即最大顯色指數(shù)Ramax相對(duì)更集中且穩(wěn)定在85左右,色溫在3000～9000K范圍內(nèi)的顯色指數(shù)平均值約為85。在低色溫區(qū),實(shí)驗(yàn)做到的各色溫對(duì)應(yīng)的最大顯色指數(shù)普遍比理論計(jì)算值更高,這再次驗(yàn)證了近紫外三基色白光LED易實(shí)現(xiàn)低色溫高顯色指數(shù)的結(jié)論。造成理論值與實(shí)際值的偏差,主要是因?yàn)榉鄣呐浔炔粔驕?zhǔn)確,使各主峰峰值與理論值未對(duì)齊重合,兩者色溫有一定偏差。圖3是3500K色溫時(shí)的實(shí)際光譜曲線和理論光譜曲線對(duì)照?qǐng)D,從圖3可以看出,因?yàn)榉鄣呐浔炔粔驕?zhǔn)確,使各主峰峰值并未對(duì)齊重合,從而兩者色溫有一定偏差。由于三個(gè)主峰的波形近似,若進(jìn)一步細(xì)致調(diào)節(jié)粉的比例,使對(duì)應(yīng)波形上下增減,便仍然能夠使實(shí)際與理論較好地符合。3.2tio和灰黑的用量對(duì)產(chǎn)品色澤的影響由于近紫外激發(fā)光不可能完全被吸收干凈,總會(huì)有少量剩余,對(duì)于高色溫區(qū)段,由于熒光粉濃度降低,殘余紫光則占據(jù)更多比例。盡管一定量以內(nèi)近紫外光對(duì)Ramax和TC的影響不大,但是作為照明器件,殘留的紫外線仍然會(huì)對(duì)人體造成一定影響。鑒于TiO2粉末能較強(qiáng)地吸收紫外線,在三基色熒光粉混合時(shí)加入少量TiO2。圖4為色溫3500K的白光LED加入少量TiO2前后的光譜對(duì)照?qǐng)D。由圖4可見(jiàn),對(duì)于本身已經(jīng)殘余少量近紫外光的低色溫白光LED,加入少許TiO2后,對(duì)紅綠主峰的影響不大,藍(lán)峰有微小的變化。色溫幾乎無(wú)變化,顯色指數(shù)從加TiO2之前的顯色指數(shù)83,變化到82,改變不大,但是近紫外激發(fā)光幾乎完全被TiO2吸收。3.3近紫外芯片工作電流的影響以色溫4900K的白光LED為例,其光譜功率分布函數(shù)p(λ)隨驅(qū)動(dòng)直流電流變化特性見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出,工作電流從10mA逐漸增加到60mA的過(guò)程中,近紫外芯片的中心峰值波長(zhǎng)發(fā)生細(xì)微變化,峰值連線與橫坐標(biāo)不垂直,發(fā)生紅移現(xiàn)象,這種紅移現(xiàn)象歸結(jié)于在高驅(qū)動(dòng)電流下由于熱效應(yīng)導(dǎo)致的能帶間隙收縮。由于近紫外波長(zhǎng)對(duì)視覺(jué)的不敏感性,芯片中心峰值波長(zhǎng)的變化,對(duì)封裝白光LED色度參數(shù)影響相對(duì)較小,而紅、綠、藍(lán)熒光粉當(dāng)工作電流大范圍變化時(shí),在近紫外線激發(fā)下的發(fā)射光譜,不僅中心峰值波長(zhǎng)幾乎不變,而且其波形也未發(fā)生明顯變化,其色度參數(shù)相對(duì)穩(wěn)定,不易隨工作電流發(fā)生大的變化。表2是4900K白光LED光色參數(shù)隨驅(qū)動(dòng)電流變化情況。由表2可見(jiàn),隨著驅(qū)動(dòng)電流逐漸增加,LED色溫漸次小幅降低,顯色指數(shù)逐步增加,向色度參數(shù)更優(yōu)良暖白光方向變化,這是由于三基色均在近紫外芯片下激發(fā),變化性狀基本一致,這與目前廣泛應(yīng)用的藍(lán)色芯片激發(fā)YAG黃色熒光粉構(gòu)成的白光LED電流變化特性不同,后者由于芯片發(fā)出的藍(lán)光波長(zhǎng)的紅移,導(dǎo)致在工作電流大幅變化時(shí),其色度參數(shù)變化較大。也與藍(lán)光芯片激發(fā)紅綠光的三基色白光LED不同,后者由于粉的吸收飽和從而紅綠峰不和藍(lán)光主峰一致變化,色度參數(shù)變化很大,并且向著高色溫,低顯色指數(shù)方向衰變。因此,近紫外光激發(fā)三基色熒光粉的白光LED相比具有更優(yōu)良的穩(wěn)定性能。4強(qiáng)度染色顯色指數(shù)使用激發(fā)波長(zhǎng)為390～400nm近紫外半導(dǎo)體芯片,涂敷激發(fā)發(fā)射峰值波長(zhǎng)分別在615,505和445nm左右的紅、綠、藍(lán)三基色熒光粉,制作出白光發(fā)光二極管。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)計(jì)一致,證明了該種方法易實(shí)現(xiàn)低色溫高顯色指數(shù)的白光LE