荧光粉配比对大功率白光LED发光特性的影响

2014-12-05王金亮华有杰

电子与封装 2014年12期

王金亮，华有杰

（中国计量学院材料与科学学院，杭州 310018）

1 引言

随着白光LED行业的迅速发展，人们对白光LED的发光性能提出了越来越高的要求，如更高的发光效率、更高的显色指数以及适合于各种不同照明条件的色温等。目前，大功率白光LED的封装方式主要采用蓝光LED芯片外加黄色荧光粉复合发射白光的方法，采用这种封装方式得到的白光LED往往显色指数不高，一般约为70左右，为了得到更高的显色指数，需要同时添加黄色、红色和黄绿色3种荧光粉。由于3种荧光粉对发光效率、显色指数和色温的影响规律不同，同时3种荧光粉的激发效率也存在很大的差异，且相互之间存在荧光吸收等现象，因此，荧光粉之间的不同配比对大功率白光LED的发光性能起着至关重要的作用。关于荧光粉、胶水以及封装方式等因素对大功率白光LED发光性能的影响在国内外已经做了大量的报道，林海凤[1]等人研究了不同胶粉比对白光LED发光性能的影响，发现相同点胶量下，荧光粉过多或者过少都会导致光效的降低，色温随着荧光粉比例的增加而降低。Riegler B[2]等人研究了硅胶的折射率对白光LED发光特性的影响，发现硅胶折射率越高，LED的光效也就越高。李亮[3]等人研究了荧光粉浓度和电流强度对白光LED特性的影响，得出高浓度荧光粉对其显色指数与色温的影响。范供齐[4]等人研究了黄色和红色两种荧光粉混合对白光LED发光特性的影响，但是仅利用黄色和红色两种荧光粉封装其显色指数提高有限，色容差较大[5]。当然，LED的封装工艺和LED结构设计对LED的发光特性也有不少影响[6~9]。但是关于利用黄色、红色和黄绿色三种荧光粉混合制备大功率白光LED光源的研究少有报道，3种荧光粉对白光LED发光特性的理论分析还不够完善，各LED封装企业的工程师都是按照自己的经验对荧光粉配比进行控制，没有形成一套系统的调配荧光粉配比的指导方案。文章通过利用黄色、红色和黄绿色三种荧光粉混合的方法制备了一系列大功率平面发光LED光源，获得了单种荧光粉对大功率白光LED发光特性的一系列影响规律，为大功率白光LED的封装提供一些参考。

2 实验

文章采用平面发光的COB（Chip on board）封装方式获得大功率白光LED[10]，芯片采用0.5 W的三安蓝光芯片，其发射波长为456 nm，每个LED光源包含6颗串联的LED芯片，黄色、红色和黄绿色荧光粉分别采用YAG黄色荧光粉、氮氧化物红色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉。每组实验中只改变其中一种荧光粉的含量而固定胶水量和另外两种荧光粉含量，并且使每个COB光源具有相同的点胶量。目前市场上一般采用的黄色、红色和黄绿色3种荧光粉和胶水的配比为黄色∶红色∶黄绿色∶胶水=0.28∶0.04∶0.048∶1，文章在此基础上对荧光粉配比进行重新设计，每种荧光粉按质量的-20%、-10%、0、10%、20%分别进行单独增减，测试条件为直流恒流30 mA，在相同的荧光粉配比条件下，选取5个样品数据取其平均值进行对比。最后通过比较不同荧光粉配比条件下样品的发光特性，对黄色、红色和黄绿色3种荧光粉分别对大功率白光LED发光特性的影响规律进行研究。

3 结果与讨论

3.1 3种荧光粉的荧光特性分析

图1所示为在波长456 nm的蓝光激发下，YAG黄色荧光粉、氮氧化物红色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉的发射光谱图，其色坐标分别为(x=0.439，y=0.524)、(x=0.656，y=0.342)、(x=0.355，y=0.570)。根据色坐标计算色温公式[11]：

其中，A=(x-0.329)/(y-0.1897)，各系数分别为a1=160.55，a2=-796.56，a3=3999.88，a4=-7903.56，a5=5705。由式（1）可得YAG黄色荧光粉的色温值约为3511 K，氮氧化物红色荧光粉的色温值约为2702 K，LuAG黄绿色荧光粉的色温值约为5183 K。由图1可知，在波长为456 nm的蓝光激发下，LuAG黄绿色荧光粉的激发效率最高，YAG黄色荧光粉次之，氮氧化物红色荧光粉最弱，其发射峰值波长分别为521 nm、538 nm和630 nm。光通量（luminous flux）是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积，在明视觉与暗视觉下，人眼对不同波长光的相对视见率不同，明视觉下的视觉函数如图1中所示。由图可知，在明视觉下，人眼对YAG黄色荧光粉发射的黄光最敏感，相对视见率达0.94，LuAG黄绿色荧光粉激发的黄绿光则相对较弱（为0.67），而氮氧化物红色荧光粉激发的红光最弱，仅0.34。在波长为456 nm的蓝光激发下，尽管LuAG黄绿色荧光粉比YAG黄色荧光粉具有更高的激发效率，但是由于相对视见率低于YAG黄色荧光粉，所以人眼所感觉到的辐射功率反而不如YAG黄色荧光粉。即YAG黄色荧光粉激发的黄光比LuAG黄绿色荧光粉激发的黄绿光具有更高的光通量和发光效率；由于氮氧化物红色荧光粉激发的红光的激发效率与相对视见率都是最低的，所以氮氧化物红色荧光粉激发的红光的光通量和发光效率也最低。

3.2 YAG黄色荧光粉对白光LED发光性能的影响

图2所示为YAG黄色荧光粉对白光LED发光特性的影响。由图2可知，当YAG黄色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其发光效率从129 lm/W增大到140 lm/W，可见YAG黄色荧光粉对白光LED的发光效率具有明显的提升作用。其原因为虽然YAG黄色荧光粉的激发效率不如LuAG黄绿色荧光粉，但是由于人眼对黄光的相对视见率大于黄绿光的相对视见率，所以YAG黄色荧光粉发射的黄光具有更高的光通量和发光效率。因此，在一定范围内提高YAG黄色荧光粉的含量能够明显提高白光LED的发光效率。而当YAG黄色荧光粉的含量过高时，由于荧光粉浓度过高导致蓝光在荧光粉层散射损失严重，蓝光和黄光的出射量大大降低，最终导致发光效率反而下降[1]。另外，随着YAG黄色荧光粉含量的增加，显色指数和色温都明显下降，当YAG黄色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，显色指数从84下降到79，色温从2 820 K下降到2 660 K。对于显色指数而言，从色度学角度分析，由于YAG黄色荧光粉发射的黄光中缺少绿光与红光成分，随着黄粉比例的升高，出射光中的黄光增加，而绿光与红光的相对比例减少，代表饱和红色的显色指数R9值下降明显。而对于LED的显色指数，由于LED出射光在绿色和红色方面的光谱严重不足，成为限制LED显色指数的主要因素。所以，随着R9值的大幅下降，其显色指数也随之下降。对于色温而言，随着黄色荧光粉比例的升高，在保持相同点胶量的情况下，覆盖在芯片表面的荧光粉颗粒增多，白光LED的出射光中黄光成分增加而蓝光被进一步吸收而减少，而芯片发出的蓝光色温（大于20 000 K）远远高于单一YAG黄色荧光粉发射光的色温（约为3 511 K），所以随着YAG黄色荧光粉含量的增多，其色温逐渐降低。

图1 3种荧光粉在激发波长λ=456 nm下的激发光谱图以及明视觉下的视觉函数图

3.3 氮氧化物红色荧光粉对白光LED发光性能的影响

如图3所示为氮氧化物红色荧光粉对白光LED发光特性的影响。由图可知，当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其显色指数从78.7增加到83.2，可见氮氧化物红色荧光粉对白光LED的显色指数具有明显的提升作用。从色度学角度分析，由于氮氧化物红色荧光粉的含量增加，LED出射的光谱中，红光分量也随之增多，其中代表饱和红色的显色指数R9值明显上升，使其显色指数也随之上升。对于其发光效率，当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，发光效率从144.1 lm/W降低到123.6 lm/W，原因是在456 nm的蓝光激发下，红色荧光粉的激发效率远不及YAG黄色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉，而且氮氧化物红色荧光粉激发的红光的相对视见率也远远低于黄光及黄绿光。所以，氮氧化物红色荧光粉激发的红光的光通量以及发光效率远远不及YAG黄色荧光粉与LuAG黄绿色荧光粉。同时，由于蓝光芯片出射的蓝光是一定的，红色荧光粉吸收的越多，那么YAG黄色荧光粉跟LuAG黄绿色荧光粉吸收的蓝光便相应地减少。因此，随着氮氧化物红色荧光粉含量的增加，其发光效率反而随之降低；对于色温，当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，色温从2 820 K下降到2 511 K，其下降幅度非常明显。原因是红色荧光粉质轻，粒径也小，随着红色荧光粉同比例的升高，在保持相同点胶量的情况下，覆盖在芯片表面的红色荧光粉颗粒急剧增多，由于被激发而吸收更多的蓝光，红光成分也明显增加，同时氮氧化物荧光粉发射的红光的色温（约为2 702 K）远远低于蓝光色温（大于20 000 K），所以随着氮氧化物荧光粉含量的增多，其色温大幅降低。

图2 YAG黄色荧光粉对白光LED发光性能的影响

3.4 LuAG黄绿色荧光粉对白光LED发光性能的影响

图4所示为LuAG黄绿色荧光粉对白光LED发光特性的影响。由图可知，随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，其发光效率、显色指数与色温都下降。当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其发光效率从136.4 lm/W降低到131.1 lm/W，其原因是在波长为456 nm的蓝光激发下，尽管LuAG黄绿色荧光粉比YAG黄色荧光粉具有更高的激发效率，但是由于相对视见率低于YAG黄色荧光粉，所以人眼所感觉到的辐射功率反而不如YAG黄色荧光粉激发的黄光。所以随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，其发光效率下降，但幅度不大。对于显色指数，当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，显色指数从81.7缓慢降低到80.7，变化幅度很小。原因是随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，由于荧光粉之间对蓝光的竞争吸收关系，导致氮氧化物红色荧光粉出射的红光减少，使其显色指数降低，但是由于LuAG黄绿色荧光粉对绿光光谱的补偿作用，所以其显色指数下降幅度较之YAG黄色荧光粉较小；对于色温，当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，色温从2774 K下降到2675 K，其幅度较之YAG黄色荧光粉较小。这是由于LuAG黄绿色荧光粉发射的黄绿光色温约为5183 K，但高于YAG黄色荧光粉发射的黄光（约3511 K），所以其色温降低，但幅度较YAG黄色荧光粉略小。

图3 氮氧化物红色荧光粉增减量对LED发光特性的影响

目前，人们又对白光LED的色容差提出了要求，色容差是表征光色电检测系统软件计算的X、Y坐标值与标准光源之间的差别，数值越小准确度越高。实验发现，仅YAG黄色荧光粉与氮氧化物红色荧光粉难以达到要求，色容差偏大，原因是其中代表绿光分量的Y坐标值偏低。加入LuAG黄绿色荧光粉能有效增加Y坐标值，降低色容差。同时由图4可知，LuAG黄绿色荧光粉对白光LED发光特性的影响幅度比其余两种荧光粉都小，更适于白光LED发光特性的微调。

4 结论

文章研究了在三色荧光粉混合封装LED中，各类荧光粉对LED发光特性的影响。实验中保持相同的点胶量，实验结果表明，增加YAG黄色荧光粉能有效提高LED的发光效率，但会明显降低其显色指数，色温也略有降低；增加氮氧化物红色荧光粉能有效提高LED的显色指数，但是会大幅降低其发光效率和色温；增加LuAG黄绿色荧光粉，LED的发光效率、显色指数以及色温都略有下降，但是能补偿白光LED绿光成分的缺失，有效提高Y坐标值，对降低白光LED的色容差有较大的贡献。