一种红光增强型白光L ED特性研究*

王 晶,白生茂,苗洪利

(中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100)

一种红光增强型白光L ED特性研究*

王 晶,白生茂,苗洪利

(中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266100)

通过对YAG:Ce3+荧光粉掺杂方案的改进,引入Pr3+离子,改善了荧光粉发光特性,使白光L ED发光光谱在610 nm处出现发射峰,红光成分增强。通过1 400 h左右老化实验,荧光粉发射峰的2个主峰强度变化表明:当Pr3+浓度增大到一定程度,荧光粉稳定性下降;色度变化表明:2种配比荧光粉的L ED色偏移量均<0.015,具有很好的色度稳定性。

红光;白光L ED;稳定性;色坐标

1994年日亚化学工业的中村修二,成功的研制出蓝光、绿光发光二极管(Light Emitting Diode,LED),并且利用荧光粉转化法,于1997年生产出世界上第一颗白光L ED[1-2]。白光LED以其效率高、功耗小、寿命长、固态节能、绿色环保等显著优点,被认为是“绿色照明光源”,预计将成为继白炽灯、荧光灯之后的第三代照明光源,具有巨大的发展潜力[3-6]。

荧光粉转换法实现白光是目前应用最广泛的方法[7]。这种方法主要是利用芯片产生的蓝光去激发YAG:Ce3+黄色荧光粉来匹配出白光,因此这种白光光谱红光成分不足。为解决以上问题,国内外许多学者进行了大量实验研究,其中以掺杂方案里加入Pr3+离子,最为理想。Yum Jun-Ho等人,在掺杂方案里加入Pr3+离子,但是Pr3+产生发射峰的强度不高,也没有对其稳定性加以研究[4]。国内厦门大学陈都等人,也进行了掺杂方案中加入Pr3+离子的实验,采用高温固相法效果良好,但没有封装出L ED进行光度、色度的研究。

本文研究的主要内容就是:从荧光粉方面,解决白光LED红光成分不足这一问题,掺杂方案里加入Pr3+离子,采用高温固相法合成红光增强型的荧光粉,并用其封装出新型白光LED,进行老化实验,对白光LED色度稳定性开展研究。

1 实验方法

1.1 荧光粉的制备

目前国内外制备荧光粉的方法主要有:高温固相法、溶胶-凝胶法、共沉淀法和燃烧法等。本实验采用高温固相法,其优点是工艺流程简单,不需复杂的设备,可制备出小颗粒荧光粉,适合于工业批量生产。

以高纯度的Al2O3、Y2O3、CeO2、Pr2O3为原料,按照一定的比例配比,充分搅拌混合。将原料混合物装入刚玉坩埚中,置于1 500℃高温炉,还原气氛,烧结数小时,冷却后经过后处理,得到荧光粉样品。按照荧光粉组分及配比的不同,分为3种荧光粉样品,样品(a)YAG:Ce3+,样品(b)YA G:CePr0.006样品,(c)YAG:CePr0.03。

1.2 LED的封装及测试

用购置的GaN基蓝光芯片,和以上3种荧光粉封装白光LED,采用涂敷法,得到3种白光L ED分别是:用荧光粉YAG:Ce3+封装的白光LED(简称样品A);用荧光粉YAG:CePr0.006封装的白光L ED(简称样品B);用荧光粉YAG:CePr0.03封装的白光LED(简称样品C)。对白光L ED进行取样后,直流20 mA驱动,室温环境点亮1 400 h,用PR650光谱光度/色度计,每隔24 h测试1次,测量白光LED的发光光谱和色坐标变化情况。

2 实验结果与分析

2.1 白光L ED的光谱

为了与YAG:Ce3+荧光粉光谱特性对比,测量了3种样品的白光L ED发射光谱如图1所示。图1中曲线A有2个波峰,分别在460,540 nm。曲线B和C有3个波峰,分别在460,540和610 nm。相比,曲线B和C在610 nm处有明显的发射峰,而曲线A却没有,这就是新型荧光粉中掺入Pr3+所致;虽然B和C都掺入Pr3+,但是,C的掺杂浓度比B大。图1中610 nm处,C的峰值强度比B的峰值强度大,可见这个发射峰的强度随Pr3+浓度的增加变强。用掺Pr3+荧光粉封装出的白光L ED红光部分得到加强,色度发生改变。

图1 白光L ED的光谱样品A,B,CFig.1 Spectra of the white L EDs sample A,B,C

2.2 白光LED的光衰

由图1看出,白光LED光谱由蓝光与黄光组成,这两部分分别代表芯片和荧光粉的发射光谱。大量研究资料表明,影响LED光衰的因素很多,主要有:蓝光芯片质量好坏,荧光粉稳定性,封装材料等[8-9]。本文只对荧光粉稳定性进行研究,暂不考虑其它因素对光衰的影响。研究过程中,通过分析白光LED发光光谱中540和610 nm处2峰值点强度变化,反映荧光粉引起的光衰。即光衰η为:

其中I表示光谱中某一峰值点处初始强度,It表示光谱中该峰值点处t时刻的强度。

图2 样品B的光衰Fig.2 Luminous decay of sample B

通过对样品B在540和610 nm处光强测量,其光衰如图2中曲线a、b。可以看出2条曲线变化趋势基本一致,初期衰减幅度较大,这是初期不稳定造成;400 h以后光衰基本稳定,变化较小;而且610 nm处光衰变化,与540 nm处光衰变化基本相同,说明加入Pr3+之后产生的发射峰,稳定性较好。陈静波等人,对YAG:Ce3+这种荧光粉发光稳定性研究,也得出YAG:Ce3+荧光粉初期衰减变化较大,后期变化基本稳定的结论[10-11],从而说明样品B使用的荧光粉发光稳定性和YAG:Ce3+没有差别,即0.006 mol Pr3+掺入没有影响到荧光粉稳定性。

图3 样品C的光衰Fig.3 Luminous decay of sample C

通过对样品C在540和610 nm处光强测量,其光衰如图3中曲线c和d。在初期100 h,衰减幅度较大,2个峰值处的衰减基本相同;然后随着白光LED点亮时间增加,2个峰值处的衰减产生差异,400 h以后光衰变化较小,但是610 nm处光衰明显比540 nm光衰严重,结合图2可知掺入0.03 mol Pr3+会影响荧光粉发光稳定性,也就是当Pr3+的量增加到一定程度,荧光粉的稳定性就会下降。

2.3 白光L ED的色坐标变化

图4是样品B,C色品坐标(CIE1931)随时间变化情况。通过1 400 h老化,样品B和C色偏移量均小于0.015,色偏移较小,而且色坐标的变化基本呈线性。可见本实验中样品的色偏移主要是由于蓝光衰减引起的,荧光粉性能比较稳定,没有影响到白光LED色度稳定性。这种红光增强型白光LED不仅光谱成分增加红光,而且色度稳定性良好,具有广阔的应用前景。

图4 白光L ED的色坐标随时间变化Fig.4 CIE1931-xyColor coodinate varied with time for white L EDs

3 结语

本文主要研究了红光增强型白光LED的发射光谱和色度,通过对荧光粉掺杂方案的改进,引入Pr3+离子,使白光LED光谱在610 nm处出现发射峰;通过1 400 h老化实验,荧光粉发射峰的2个主峰强度变化表明:使用YAG:CePr0.006这种荧光粉的白光LED,610 nm处光衰与540 nm处光衰变化情况相同,使用YAG:CePr0.03这种荧光粉的白光LED,610 nm处光衰比540 nm处光衰大,说明荧光粉的稳定性受Pr3+掺入量影响,当Pr3+的量增加到一定值,荧光粉稳定性下降。用这两种配比荧光粉的LED色偏移量均<0.015,具有很好的色度稳定性,应该是一种理想的开发产品。

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The Properties of a Red Spectral Intensity Enhanced White Light Emitting Diodes

WANGJing,BAI Sheng-Mao,MIAO Hong-Li
(Institute of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

YAG:Ce3+Phosphor doping program was improved by doping Pr3+ions.For the radiate property was improved,red spectral intensity of the white LEDs was enhanced and produced a emission peak at about 610 nm.After 1 400 hours aging test,phosphor emission peak intensity changes indicated that when the Pr3+concentration increased to a certain extent,the stability of phosphors droped.Color coodinate changes indicated that L ED’s color coodinate drift with these two ratio phosphors was less than 0.015 and had good color stability.

red light;white LEDs;stability;colour coodinate

O482.31

A

1672-5174(2010)09-128-03

2009-11-03;

2010-02-11

王 晶(1962-),女,博士,教授,主要从事发光材料方面的研究。Tel:0532-66781202,E-mail:wjing@ouc.edu.cn

责任编辑 陈呈超