暖白光LED光源色飘移机理分析

郭康，梁超
江苏博睿光电有限公司
　　摘要：本文采用EDS对变色的暖白光LED灯珠的不同部位进行了元素分析，结果显示支架内部镀银层已经与S元素发生反应，由此说明从环境中侵入的S元素与水汽结合后形成的酸性产物可能是加剧其中硅酸盐荧光粉的关键因素。
　　关键词：暖白光，白光LED，衰减，色飘移
　　1.引言
　　随着环境保护要求的不断提高，照明产品也开始向节能高效的方向发展。传统的照明产品光效低，寿命短，不利于长期发展，这就为LED照明准备了市场。LED灯的光效可以达到白炽灯的8至10倍，节能灯的2倍，寿命也可以达到50000-100000小时，与传统的照明产品相比有很大的优势。随着技术的继续发展和产品的不断推广，LED照明产品的价格不断降低，开始迈入普通照明市场。
　　不同的空间需要不同光色的照明，选择合适光色的光源也是灯具选择的一个重要部分。暖白色的灯光色温在3000K左右，光色偏黄色，可以营造温馨的照明环境，因此受到家居照明和一部分工程照明领域得到了越来越多的应用。
　　暖白光LED可以通过以下几种方法实现：（1）蓝光LED+黄色荧光粉+氮化物系红色荧光粉；（2）蓝光LED+单一YAG橙黄粉；（3）蓝光LED+黄色荧光粉+硅酸盐橙色荧光粉；（4）蓝光芯片+黄色荧光粉+红光芯片。其中第一种方案，显色指数高，稳定性较高，但整体光效相对偏低，成本较高；第二种方案稳定性高，成本低，但显色指数较低。第三种方案成本较低，光效高，是现阶段所有方案中光效最具优势的，但收硅酸盐荧光粉本身化学稳定性的影响，稳定性相对较差，显色指数低。第四种方案光效高，显色指数高，但成本高，且难以控制光色稳定性。综合各种技术方案的优劣，目前方案1和方案3已经逐渐成为主流，前者因其在光效和显色指数方面的综合优势主要应用在室内主照明领域，而后者因其在光效方面的显著优势，目前多应用于室内辅助照明或室外照明。
　　作为暖白光LED的主流应用方案，在应用中仍存在许多问题有待不断改进。其中最常见的一个问题是光源在长期工作中，光色逐渐发生漂移，色温逐渐由暖白向正白变化。本文通过变色灯珠的系统分析，以期发现色漂移的内在机制，并为提出解决方案提供参考。
　　2.实验方法
　　本研究中从一批发生变色的软灯条上随机选取了数颗发生变色的5050灯珠，如图1所示，下方一排的变色灯珠与上面一排未变色的灯珠相比已经发生显著变化，由原先的橙色变成了黄绿色。

图1 变色灯珠与为变色灯珠对比
　　从未变色和变色光源中随机取4颗光源，进行数据测试，测试数据如表1所示。对比两组数据可以看出，变色后的灯珠色坐标x，y值发生明显变化，x值变小，而y值升高，色温也由原先2940K左右升至4300K，而光效的提升则是由于色温升高所导致。
　　为了进一步分析灯珠发生变色的内在机理，本文采用了能谱（EDS，型号为_______ ）对变色灯珠的胶体，碗杯内银镀层、支架焊脚等部位进行了元素分析，通过这些部位的元素变化的分析探索灯珠发生变色的机理。
　　3.结果与讨论
　　3.1 胶体部位
　　从图2a-b中可以看出，胶体中主要包括Si、Y、Al、O等元素，由于硅胶体对X射线的阻碍，这些元素对应的应该是胶体中所含的YAG粉和硅酸盐粉的构成元素。

图2（a） 胶体的SEM照片

图2（b） 胶体的EDS分析图谱
　　3.2 支架内部镀银层
　　图3b的图谱显示支架底部含有Y、Al、Ga、Si、Sr、Ba、Cl、S等离子，其中Y、Al、Ga、Si、Sr、Ba都是对应荧光粉的构成元素，而Cl和S的出现可能是外部环境中的S和Cl元素通过硅胶渗透进入，并在支架表面沉积。

图3（a）内部镀银层的SEM照片

图3（b） 镀银层的EDS分析图谱
　　3.3 引脚
　　图4a~b分别显示了支架外部的引脚SEM照片和EDS图谱，从图谱中可以发现引脚处的分析包含了S、V、Pb、Sn等元素，推断为锡膏的构成元素。

图4（a）引脚SEM照片

图4（b） 引脚部位的EDS分析图谱
　　笔者认为造成灯珠变色可能是由于其中的硅酸盐橙粉发生衰减，导致橙红光比例显著下降，进而表现为由暖白光转变为正白光。对于其变色机制，通过综合上面的分析数据，笔者认为导致发生色偏的原因可能有以下几个方面：
　　（1）由于有机硅材料存在一定的透水特性，使用过程中，在高温作用下，水以水汽的状态渗透进入硅胶，与其中硅酸盐橙粉发生水解反应。
　　（2）焊接所用的锡膏中含有大量的S元素，生产过程中，S元素侵入胶体，与水汽相遇，在高温状态下，发生反应，反应式为：S(2-) +H2O →HS(-) +OH(-)[注：OH(-)括号中的“-”代表负一价]，如果HS(-)一旦形成，则会显著加剧对硅酸盐荧光粉的作用；
　　（3）使用过程中，环境气氛中含有Cl(-)离子，一旦侵入，形成HCl，也会起到与HS相类似的作用，即加剧腐蚀荧光粉。
　　4.预防措施
　　通过上面的分析可见，硅胶作为荧光粉的包覆载体，对LED灯珠的稳定性其中至关重要的作用。本文结合世界应用，从以下几个方面提出了预防措施。
　　首先要求胶体与支教之间必须形成良好的粘结，杜绝水汽和外界污染物从界面侵入。同时还要求胶体本身具有良好的隔离作用，目前市场上主要有两大类有机硅材料，硅树脂和硅胶，硅树脂采用由于其内部的长链大分子的交联度较高，其密封性明显优于硅胶，对水汽的侵入具有良好的隔离作用。陷入如能控制水汽侵入，就可以避免与荧光粉粉体发生水解反应，从而显著降低灯珠发生变色的概率。
　　第二方面应尽量选用低S的锡膏或焊料，同时在生产过程中，尽量生产环境的气流畅通，避免S元素在局部空间发生富集；此外选用不含S元素的套管材料也是有效防护的措施之一；
　　第三方面，热量是导致荧光粉发生变质反应的催化剂，从灯具结构、散热材料等方面进行优化设计，提升散热能力，降低工作温度，对缓解变色也是重要的改进措施之一。
　　第四方面，可选用具有防水包覆处理的荧光粉。博睿光电开发的硅酸盐橙粉（型号为BO591系列）即是采用的独特的专利包覆技术，使得粉体表面形成疏水层避免水分子在荧光粉颗粒表面吸附，同时还有利于促进荧光粉在胶体中的分散，提升光色一致性，目前已经在众多封装企业中得到广泛应用。
　　5.结论
　　本文采用EDS对变色的暖白光LED灯珠的不同部位进行了元素分析，结果显示支架内部镀银层已经与S元素发生反应，由此说明从环境中侵入的S元素与水汽结合后形成的酸性产物可能是加剧其中硅酸盐荧光粉的关键因素。
　　通过选用防水性性能优异的有机硅材料以及荧光粉可以从大幅度缓解灯珠变色问题。当然如能从源头出发，开发出化学稳定性优异的荧光粉，就可以从根本接受这一问题，这也是我们荧光粉材料供应商需要长期关注的研究方向。




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