白光led用熒光粉的制備及性能研究

白光led用熒光粉的制備及性能研究

1led照明技術(shù)能源是人類社會(huì)生存和發(fā)展的重要支柱，也是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。在當(dāng)前人類能源短缺的背景下,節(jié)約能源是我們目前乃至未來很長(zhǎng)的時(shí)間都要面臨的重要問題。在世界電力的使用結(jié)構(gòu)中,照明用電約占總用電量的19%;在我國(guó)照明用電約占全國(guó)總用電量的12%,而且我國(guó)每年的照明用電增速保守估計(jì)大約為5%。照明耗能已經(jīng)成為了各國(guó)能源消費(fèi)的重要組成部分。照明節(jié)能問題也就成了人們必須關(guān)注的問題。白光LED與白熾燈泡及熒光燈相比,已經(jīng)顯示出了眾多的優(yōu)點(diǎn):節(jié)能、發(fā)光效率高。光譜幾乎全部集中于可見光頻率,由于光譜中沒有紫外線和紅外線,故沒有熱量,也沒有輻射,屬于典型的綠色照明光源;具有壽命長(zhǎng)、耗電量小、體積小、反應(yīng)速度快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)資料顯示,用白光LED替代白熾燈,可節(jié)電90%。因此白光LED的發(fā)展對(duì)于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用。但白光LED的顯色指數(shù)低,色溫離散性大,人們對(duì)白光LED產(chǎn)生光源舒適度遠(yuǎn)低于白熾燈泡產(chǎn)生的光源,為解決這一問題,本文從理論上進(jìn)行白光LED形成原理進(jìn)行分析,并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)提高白光LED光性能參數(shù)的因素進(jìn)行了研究。2實(shí)驗(yàn)原理2.1其他紫外光led芯片目前獲取白光LED的途徑大致可分為以下三種:光轉(zhuǎn)換型、多色組合型、多量子阱型。光轉(zhuǎn)換型:第一類是在發(fā)射波長(zhǎng)為460～470nm的藍(lán)色GaN基芯片上涂覆黃色釔鋁石榴石(YAG)熒光粉。該方法是利用藍(lán)光LED照射YAG熒光粉以產(chǎn)生與藍(lán)光互補(bǔ)的530～540nm波長(zhǎng)的黃光,再利用透鏡原理將黃光、藍(lán)光混合獲得白光。第二類是在紫外光LED芯片上涂覆三基色紅、藍(lán)、綠,利用LED發(fā)出的紫外光激發(fā)三種單色熒光粉,產(chǎn)生紅、藍(lán)、綠三種光,通過復(fù)合產(chǎn)生白光。多色組合型:將紅、藍(lán)、綠三色LED功率型芯片集成封裝在單個(gè)器件之內(nèi),通過調(diào)節(jié)三基色芯片的配比和工作電流產(chǎn)生白光。多量子阱型:在芯片發(fā)光層的生長(zhǎng)過程中,摻雜不同的雜質(zhì)生長(zhǎng)出能產(chǎn)生互補(bǔ)色的多量子阱,通過不同量子阱發(fā)出的多種光子復(fù)合發(fā)射白光。目前實(shí)現(xiàn)白光LED較成熟,最經(jīng)濟(jì)的方法是光轉(zhuǎn)換型,即在藍(lán)色LED芯片上涂覆YAG熒光粉。由于目前的單一YAG黃色熒光粉發(fā)射光譜缺少紅光成份,為了改善其低色溫時(shí)顯色性低的問題,本研究就是在原來的YAG黃色熒光粉基礎(chǔ)上,進(jìn)行改進(jìn)摻入微量元素或在制粉工藝中進(jìn)行改進(jìn),使紅光成份增強(qiáng),甚至在紅光區(qū)出現(xiàn)發(fā)射峰,達(dá)到改善白光性能。2.2基于光譜色混合色的三刺激函數(shù)任何一種顏色,均可被看成是各種光譜色以不同比例混合的生成色。對(duì)于中心波長(zhǎng)為λ、微小波長(zhǎng)間隔dλ波長(zhǎng)范圍內(nèi)色光的三刺激值dR(λ)、dG(λ)、dB(λ),由于和顏色刺激φ(λ),相應(yīng)的光譜三刺激值rˉ(λ)rˉ(λ)、gˉ(λ)gˉ(λ)、bˉ(λ)bˉ(λ),以及波長(zhǎng)間隔dλ成比例,所以可得到下列關(guān)系:dR(λ)=kφ(λ)rˉ(λ)dλ(1)dG(λ)=kφ(λ)gˉ(λ)dλ(2)dB(λ)=kφ(λ)bˉ(λ)dλ(3)dR(λ)=kφ(λ)rˉ(λ)dλ(1)dG(λ)=kφ(λ)gˉ(λ)dλ(2)dB(λ)=kφ(λ)bˉ(λ)dλ(3)對(duì)于整個(gè)可見光譜范圍內(nèi)所有光譜色混合色的三刺激值,可由積分上式得到:R=k∫λφ(λ)rˉ(λ)dλ(4)G=k∫λφ(λ)gˉ(λ)dλ(5)B=k∫λφ(λ)bˉ(λ)dλ(6)R=k∫λφ(λ)rˉ(λ)dλ(4)G=k∫λφ(λ)gˉ(λ)dλ(5)B=k∫λφ(λ)bˉ(λ)dλ(6)對(duì)于光源色,顏色刺激函數(shù)φ(λ)=S(λ)。S(λ)為光源的光譜功率分布。光源的光譜決定了光源的色度坐標(biāo)、相關(guān)色溫和顯色指數(shù)。2.3ra測(cè)定基本光色光源對(duì)物體的顯色能力稱為顯色性,用顯色指數(shù)(一般顯示指數(shù)符號(hào)為Ra)表示。光所發(fā)射的光譜內(nèi)容決定光源的光色,光譜組成較廣的光源較有可能提供較佳的顯色品質(zhì)。當(dāng)光源光譜中很少或缺乏物體在基準(zhǔn)光源下所反射的主波時(shí),會(huì)使顏色產(chǎn)生明顯的色差。顯色指數(shù)與光譜有關(guān)。2.4暖色溫/高值的健全色溫(英文縮寫為CCT)表明LED射出的光色彩,LED色溫與LED發(fā)出的光譜也有關(guān),低色溫的光線偏紅黃(暖色溫),而較高數(shù)值的色溫則偏藍(lán)綠(冷色溫)。以藍(lán)色LED芯片通電發(fā)出藍(lán)光和光電子,光電子撞擊熒光粉,熒光粉主要由YAG熒光粉和紅粉組成,熒光粉發(fā)出紅光和綠光,根據(jù)上述理論分析,三色光進(jìn)行疊加,形成白光,三色光的不同比例獲得的光譜色混合色的三刺激值不同,光源的光譜功率分布不同,從而影響白光LED的色溫和顯色指數(shù)。2.5多波長(zhǎng)下合成其他熒光定量采用某公司HAAS-2000高精度快速光譜輻射計(jì),通過積分球測(cè)試原理,測(cè)LED的顯色指數(shù)、色溫等參數(shù)。得到如圖1所示的三基色峰值波長(zhǎng)與色溫變化關(guān)系,從圖1可知藍(lán)光波長(zhǎng)變化對(duì)色溫的影響較小,黃綠光和紅光波長(zhǎng)的改變對(duì)色溫影響較大;色溫隨黃綠光波長(zhǎng)的增加先升后降,而紅光則先降后升,且紅光變化對(duì)色溫影響最大。黃綠光在峰值波長(zhǎng)525nm處,色溫最大;紅光峰值波長(zhǎng)在615nm附近色溫最小;此后,色溫隨峰值波長(zhǎng)增加而迅速遞增?？梢?三基色LED峰值波長(zhǎng)分別選在偏紫藍(lán)、偏黃和615nm附近,適合于制作低色溫的三基色白光LED,尤其是黃綠、紅光峰值波長(zhǎng)的選取。如圖1所示。由圖2可見,對(duì)于藍(lán)光芯片,Ra隨藍(lán)光峰值波長(zhǎng)變大而逐漸增大,且峰值波長(zhǎng)在465～470nm內(nèi)Ra達(dá)到90以上;對(duì)于黃綠光,Ra隨其峰值波長(zhǎng)變大而先增大后減小,且在555nm附近Ra達(dá)到最佳值。但Ra上升直至在615～620nm內(nèi)出現(xiàn)拐點(diǎn),而后下降。此外,峰值波長(zhǎng)在500nm處Ra處在最低,且在590nm處Ra也較低。Thornton等分析三基色峰值波長(zhǎng)在450nm、540nm和610nm時(shí)Ra較高,而在495nm和575nm處Ra較低。因此選用不同種類的熒光粉混合使用,即可以改進(jìn)白光LED色溫CCT和顯色指數(shù)Ra的參數(shù)。3實(shí)驗(yàn)3.1功率led光色電參數(shù)排測(cè)機(jī)電子天平、高溫箱式電阻爐、深圳市鑫龍邦科技有限公司LB-NMH200A-3自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī),杭州星譜光電科技有限公司SSP3190型大功率LED光色電參數(shù)排測(cè)機(jī)。臺(tái)灣弘大紅粉R-620與黃粉Y-468、CBN的紅粉與CBN黃粉、DINO公司紅粉R630與黃粉(以下簡(jiǎn)稱為A組熒光粉、B組熒光粉、C組熒光粉)1瓦藍(lán)色LED芯片,電源等。3.2熒光光粉量對(duì)白色與顯色指數(shù)的影響(1)將A、B、C三組紅、黃粉按照不同的比例混合,用自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)在1瓦藍(lán)色LED芯片上按正常涂覆工藝涂覆,用LED排測(cè)機(jī)對(duì)每組測(cè)量5個(gè)色溫值(CCT)以及顯色指數(shù)Ra平均值,測(cè)量并記錄紅粉與黃粉不同的重量比例對(duì)色溫與顯色指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1～表3。(2)將R-620的紅粉與Y-468的黃粉,CBN紅粉與CBN黃粉、DINO公司紅粉R630與黃粉分別按照25∶75、10∶90、7∶93重量比例混合成的熒光粉,調(diào)節(jié)熒光粉膠體出膠量,每次增加0.001ml涂覆量,用自動(dòng)點(diǎn)膠機(jī)在1瓦藍(lán)色LED芯片上進(jìn)行涂覆,用LED排測(cè)機(jī)測(cè)量白光LED色溫和顯色指數(shù),分析熒光粉的涂覆量對(duì)白光LED色溫的離散性的影響。觀察熒光粉不同的涂覆量對(duì)色溫與顯色指數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。4紅粉與黃粉的配比對(duì)led光性能參數(shù)的影響結(jié)果4光源的色溫和顯色性之間雖然沒有必然的聯(lián)系,但是通過對(duì)白光色度學(xué)的理論分析,可以通過在藍(lán)光LED+YAG熒光粉制作白光的基礎(chǔ)上添加缺少的紅色成分進(jìn)行顯色指數(shù)的提高,并得到3000～7000K任何一點(diǎn)的色溫。通過上述實(shí)驗(yàn),由表1、2、3所示,黃粉與紅粉配合使用,可以改善光性能參數(shù)。紅粉所占比例越大,色溫值越小。顯色指數(shù)與紅粉所占比例也成一定關(guān)系,不同型號(hào)的黃粉與紅粉都有不同的最佳比例,顯色指數(shù)達(dá)到最大值。當(dāng)黃粉與紅粉在改變時(shí),顯色指數(shù)變化不在升高,而且會(huì)使LED光電轉(zhuǎn)換效率下降,并產(chǎn)生一定發(fā)熱效應(yīng)。由表4所示,色溫與熒光粉的涂覆量有關(guān)。涂覆量越大,藍(lán)色發(fā)光峰會(huì)有所下降,熒光粉發(fā)出的黃光增加,發(fā)光向著低色溫方向變化,偏向于暖白。5熒光led粉的涂覆上述實(shí)驗(yàn)及其數(shù)據(jù)與所用的廠家、不同型號(hào)的熒光粉有關(guān),若不同的廠家、不同的材料,數(shù)據(jù)也會(huì)變化,但