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白光发光二极管的制作方法(二)——蓝光LED加荧光粉

LED之家  于2009-01-18 00:06:27  http://www.ledjia.com/ledhangye/viewarticle.php?id=725

文章摘要:白光发光二极管的制作方法二——蓝光LED加荧光粉2007年7月23日最简单的白光LED是在蓝光LED上加黄色荧光粉得到的,又称其为1PCLED(PhosphorConvertedLED),其基本构造如图1所示。因为这种LED采用了环氧树脂封装,所以光易于放出,所用

白光发光二极管的制作方法(二)——蓝光LED加荧光粉

2007年7月23日

最简单的白光LED是在蓝光LED上加黄色荧光粉得到的,又称其为1-PCLED(Phosphor Converted LED),其基本构造如图1所示。因为这种LED采用了环氧树脂封装,所以光易于放出,所用荧光粉主要成分是YAG:Ce,其化学组成是(Y1-aGda3(Al1-bGab)O12:Ce3+,Gd(Gadolinum,钆)可以改变Ce3+晶体电场,使光的波长增加而发黄光,图2(a)是465nm蓝光LED在室温20mA时的电致发光(EL:Electroluminescence)光谱,图2(b)是蓝光LED激发YAG:Ce荧光粉所产生的光谱,产生555nm黄光,此黄光与蓝光混合而成白光。图3是不同含量YAG:Ce荧光粉在色度图中的位置,图中并有蓝光LED与不同含量荧光粉所产生白光在图中的位置。

R.Mueller-Mach等人用理论计算出,当LED与荧光粉发光功率不同比例时,460nm蓝光LED加YAG:Ce荧光粉所产生白光的色温CCT值、演色性Ra值及发光效率列在图4的插表中,图4是其光谱图。当色温大于5000K时,Ragt;80。图5(a)是同一成分P7193荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值,图5(b)则是同一波长蓝光LED但成分不同的YAG荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值,由图可知,Ra的值均在60~80范围的值,似乎不太理想。

R.Mueller-Mach等人又用理论计算出,pn结温度对1-pcLED的影响,其结果如图6 (a)所示,图6 (b)是实验结果,两者颇为相近,由图可见,温度上升时,色温及Ra值均上升。

M.R.Kramas等人发现,如果将荧光粉随意放在LED芯片上,如图7(a)所示发光均匀性不佳,所以改变方式如图7(b)所示,将荧光粉均匀地涂在LED表面上,图7(c)则比较两者的CCT及Ra值,发现用图7(b)方法者其CCT值变动甚少。图8是Lumiled公司2002年发表的最佳白光结果,光输出在350mA时大于40 lm。

YAG:Ce荧光粉因为缺少红色,所以Ra值不高,G.O.Mueller等人加强YAG:Ce的红色使Ra值gt;90,其光谱如图9所示。

因为一个荧光粉的Ra值较低,R.Mueller-Mach等人利用了两种荧光粉,一种荧光粉产生绿光TG:Eu(SrGa2S4:Eu2+),另一种荧光粉产生红光SrS:Eu2+,图10是此两种荧光粉的激发及辐射光谱。图11所示是TG:Eu荧光粉特性以及激发与辐射光谱。

R.Mueller-Mach等人又用理论计算出,在蓝光LED加以上两种荧光粉后的、在不同B/G/R发光功率时的光谱,如图12所示,图中有插表,可见其Ra值大于90。图13是蓝光LED及TG:Eu与SrS:Eu荧光粉在CIE色度图中的位置。图14所示是实验结果,图14(a)是用不同R/G/B发光功率做成白光的光谱,Ragt;85,CCT=3200~4400K,图14(b)是2pcLED的Ra与CCT值的关系,大部分Ra大于80。

H.Wu等人用SrGaS4:Eu2+作蓝色荧光粉、用Ga1-xSrxS:Eu2+作红色荧光粉得到的白光LED的CCT约为5937K,Ra约为92.2,K约为15 lm/W。

最近R.Mueller-Mach等人用6组两种荧光粉、用Ga1-xSrxS:Eu2+作红色荧光粉得到CCT=3000K的白光,这6种组合的光谱如图15所示,图中附表是此6种组合产生的白光在3000K时的Ra及发光效率K值,并有详细的R1到R8值及平均值Ra,另附有R9值以表示其红色的反应在32~86之间,红色似乎不够高。

因为1pc缺乏红色,所以R.Mueller-Mach等人在YAG:Ce荧光粉上加深红色荧光粉CaS:Eu2+改变其比例,得到如图16所示的不同色温的光谱,图中附表有R1到R8的值及Ra平均值,以及R1至R14的R平均值,在CCT 2880K时Ra约为91.9、R约为88.9, CCT=3300K时Ra约为93.2、R约为90.9,CCT=3800K时,Ra约为94.4、R约为92.8。

Nichia公司的I.NiKi等人利用最新发展的蓝光LED(19.3mW@20mA,ηext~35.8%)与YAG荧光粉制成高功率白光LED,其光强度、发光效率与电流的关系如图17(a)所示,CCT=5470K,ηL=61.4 lm/W,在CIE色度图中的坐标是当0.333mA、0.346mA、20mA时4.22 lm(3.44V),比白炽灯亮四倍,在低电流时ηL约为 100 lm/W。图17(b)所示是Ra值与色温CCT的关系,在色温高是Ra尚可,但是在低色温时,Ra因缺少红色而下降。本想建议用有硫(S)的荧光粉以增加红色,但因有硫的材料不稳定故另行发展了新的荧光粉,图17(c)中比较了短YAG(黄光540nm)、长YAG(黄光570nm)及新的红色荧光粉(655nm)的PLE光谱,图17(d)是短YAG、长YAG、新的红色荧光粉受蓝光激发时的放射光谱。

图18(a)中比较了高演色性白光LED与目前已商品化的白光LED的光谱,高演色性白光LED是在蓝光LED上加短YAG及新的红荧光粉而制成的。由图可知,高演色性白光LED的红色部分增加。图18(b)中比较此两种LED的演色性,可见高演色性白光LED的Ra值较高,图18(c)中则比较高功率及高演色性白光LED的光谱,这两种LED是比较暖和的白光LED,高功率白光LED在20mA时1.49 lm,CCT约为2810K,ηL约为23.1 lm/W,Ra=72.5,高演色性白光LED在20mA时1.23 lm,CCT约为2830K,ηL约为18.9 lm/W,Ra=87.5。图18(d)中比较高及高演色性白光LED的Ra值,高演色性白光LED的Ra值较高。

最近H.Y.Chou等人在蓝光LED上加YAG荧光粉得到的Ra值约为70,然后再加上625nm红光LED或者617nm红橘光LED,将Ra值提高到80以上,而CCT接近3500K。


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