荧光粉在高显色性白光LED中的应用研究*

夏天 何华强 刘元红 庄卫东

(北京有色金属研究总院稀土材料国家工程研究中心，有研稀土新材料股份有限公司，北京 100088)

1 前言

目前，具有高效、低碳、节能及超长寿命等众多优点的LED被广泛关注，已在世界各国掀起一场巨大的科技革命。在日常生活中，LED主要应用在照明和显示两个领域，其中未来白光LED作为普通照明的应用，将具有很深远的意义。目前，从技术成熟度和制造成本总和考虑，实现白光LED的主流是采用蓝光芯片 +黄色荧光粉［1－3］，一般来说，这样搭配得到的显色指数 (CRI)较低，不能达到现在普遍使用节能灯国标中显色指数达到80或以上的要求，故很难进入室内照明，特别是阅读照明、橱窗照明及医疗照明等。因此，提升现有白光LED的显色指数，是白光LED研究和应用的一个重要任务。

本文研究了三个GaN基蓝光芯片与不同颜色荧光粉组成白光LED的系统，重点就其显色指数进行了详细的研究，旨在提供比较实用提升目前白光LED显色指数的解决方案。

2 试验

本文试验，蓝光芯片:晶元光电，参数是10*23mil，波长455－457.5nm;荧光粉:有研稀土铝酸盐黄粉 Y和 Y1，主峰波长分别在556nm和567nm，四款氮化物红粉R1－R4，主峰波长分别在612nm、627nm、640nm和650nm，以及主峰波长在513nm的绿粉G;硅胶:道康宁OE－6550 A/B。封装的白光LED工作电压IF=3.0－3.4V，工作电流IF=20mA，光参数测试仪器为杭州远方PMS－50光谱测试系统。

3 试验结果与讨论

显色指数是衡量光源显现被照物体真实色彩的能力参数，分布包含0－100的光源颜色。一般来讲，显色指数都是通过测量和计算出R1－R8试验色的色差值而得出的;然而如果要实现高显色指数，如CRI在80以上，就要用到 R9－R15这7个特殊显色指数。以下列出了R1－R15具体代表的颜色。

R1:浅灰红色;R2:暗灰黄色;R3:饱和黄绿色;R4:中等黄绿色

R5:浅蓝绿色;R6:浅蓝色;R7:浅紫色;R8:浅红紫色;

R9:饱和红色;R10:饱和黄色;R11:饱和绿色;R12:饱和蓝色

R13:西方妇女肤色;R14:中等程度的橄榄绿色;R15:中国妇女肤色

3.1 蓝光LED芯片+黄粉系统

表1展示出不同粉胶比浓度制备白光LED的光参数，随着粉胶比 (黄粉:硅胶)浓度的减小，显色指数逐渐增大，而色坐标x则呈现与显色指数完全不同的变化趋势。当粉胶比为9%时，显色指数最低仅为62.3，对应色温是3749K;从表1可看出，在一定范围内，色温越高，对应显色指数越高，这说明如果考虑做冷白光LED，通过调优化黄粉的使用比例以及适当增加蓝光的出光量，显色指数可以达到80。然而，如表1如果白光LED的色温要求在5500K左右，此时蓝光芯片和黄粉的光谱平衡将被打破，显色指数将很难达到80，这与文献［4］的研究结果基本一致。

表1 不同粉胶比浓度制备白光LED的光参数

另外，从表1中还可以了解到，白光LED的亮度随着粉胶比浓度的增大而增强，当粉胶比达到6%时，荧光粉转化为黄光的亮度较强，并与芯片的蓝光亮度达到一种平衡，此时白光亮度最高为125%，之后由于荧光粉的用量过多，导致蓝光出光率迅速变低，这样与黄光空间组合的强度分布变弱，亮度也就出现降低的现象。

3.2 蓝光LED芯片+黄粉、红粉系统

如表2、表3所示，在前面使用黄粉基础上，分别添加有研稀土不同主峰波长 R1－R4的红粉，并优化黄粉和红粉之间的比例，封装成色温基本相近 (3250±200K)白光LED的光参数和具体的R1－R15值。从两表中可以看出，当使用红粉的主峰波长越长，得到暖白光LED的显色指数越高，光效持续降低;当使用主峰波长640nm的R3红粉时，对应色温为3302K，其显色指数可以达到81.3，这与目前节能灯显色指数国标要求的80相当，此时光效为87lm/W。当使用主峰波长650nm的红粉R4时，显色指数尽管可以高达86.6，但制备白光LED的颜色明显偏红，这就需要有绿粉的参与来进行颜色调整，3.3节将会提及。

从表3中还可以看到，使用不同的红粉，除了R1－R8每项数值有一定差别外，通过观察 R9－R15发现，R9饱和红色最大和最小差值为36，这说明在黄粉基础上，添加不同主峰波长的红粉，有利于增加饱和红色部分光谱覆盖的区域，且红粉波长越长，就越有利于饱和红色的覆盖。因此，对显色指数大于80的白光LED R9值的大小非常关键，这就是业界常通过添加红粉来提高白光LED显色指数的原因。此外，R12饱和蓝色最大和最小差值也达到26，这与3.1节中提到的，在一定范围内，适当增加蓝色比，可以提高显色指数的结论相吻合。

在该系统中，采用黄粉+红粉，而不是绿粉+红粉的搭配方式，主要考虑目前商用绿粉研发和应用相对滞后，其发光效率和稳定性能与黄粉尚有差距，故显色指数在一定范围内，比如80左右，使用黄粉代替绿粉是可行的。

表2 采用黄粉和不同主峰波长红粉制备白光LED的光参数

表3 采用黄粉和不同主峰波长红粉制备白光LED的R1－R15值

3.3 蓝光LED芯片+黄粉、红粉、绿粉系统

采用有研稀土绿粉G，红粉 R3或R4，黄粉 Y或Y1，通过优化三种颜色粉之间的比例，分别封装成色温基本相近 (3200±200K)的白光LED，具体光参数如表4和表5。可以看到，当红粉从R3改变到R4时，即红粉的主峰波长变长，有利于增加R9饱和红色的数值，显色指数从84.6提高到88.2;进一步改变主峰波长为556nm的黄粉Y到主峰波长为567nm的黄粉Y1，同时适当提高绿粉的添加比例，这样会有效增加R11饱和绿色以及R10饱和黄色数值，此时显色指数上升到92.3，点亮后的白光LED的颜色也能满足要求，光效下降较多至62lm/W。这与3.2节中提到当白光LED显色指数达到一定数值时，通过添加绿粉，改善只采用黄粉+红粉，可能出现颜色偏红的现象相呼应。

本节在保证白光LED的高发光效率和颜色符合要求的情况下，通过添加绿粉，并优化黄粉、红粉和绿粉之间的配比，可以制备显色指数达到或超过90的暖白光LED。

表4 采用三种颜色荧光粉制暖备白光LED的光参数

表5 采用三种颜色荧光粉制备暖白光LED的R1－R15值

以上设计了由GaN基蓝光芯片和不同颜色荧光粉组成的三个白光LED系统，发现所制备的白光LED，除通过观察基本的 R1－R8值大小外，还需要考查 R9－R15值，尤其是 R9－R12值的大小。当需要得到显色指数为80或以上的冷白光LED时，可以通过调整蓝光芯片与单一黄色荧光粉之间的比例来实现;如果要实现显色指数达到80左右的正白光和暖白光时，可以通过选择合适主峰波长的红粉来调配。进一步为了保证暖白光LED较高的发光效能，证明可采取黄粉+红粉+绿粉的模式实现其显色指数达到90或更高的要求。另外，通过设计蓝光芯片+不同颜色荧光粉的系统，不仅可以发挥其在器件中的比较容易均匀混色、空间色度均匀性较好的特点，同时也简化了驱动电路的设计［5］。

4 结论

1)在GaN基蓝光LED芯片+黄粉系统中，在一定范围内，随着粉胶比浓度逐渐减小，即增加蓝光出光量，显色指数会逐渐增加，光效持续降低;

2)在黄粉基础上，加入不同主峰波长红粉的系统中，随着红粉波长增加，R9饱和红色数值逐渐增大，可以有效地增加显色指数，比如80左右的暖白光LED;

3)在蓝光LED芯片+黄粉、红粉、绿粉系统中，通过优化黄粉、红粉和绿粉之间的配比，可以制备显色指数达到90或以上的高光效暖白光LED，代替只用蓝光LED芯片+红粉+绿粉的系统。

［1］Moghimi S M，Hunter A C H，Murray J C.Longcirculating and target-specific nano-particles: theory to practice［J］.Pharm Rev，2001，53:283－318.

［2］ReginaMueller-mach， Gerd O Mueller， MichaelR Krames， etal. High-powerphosphor-converted lightemitting diodes based on Ш-nitrides ［J］.IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics， 2002，8(2):339－345.

［3］Joung Kyu Park，Mi Ae Lim，et al.White light-emitting diodes of GaN-based Sr2SiO4:Eu and the luminescent properties［J］.Appl Phys Lett，2003，82(5):683－685.

［4］刘康，郭震宁，林介本，等.低色温高显色性白光LED的研究 ［J］.现代显示，2010，7:39－43.

［5］邓代顺，钱可元，罗毅.低色温高显色大功率白光LED的制备及其发光特性研究 ［J］.光电子 －激光，2006，17(12):1422－1426.