荧光粉配比和激发波长对高品质白光LED 的影响

赵见国， 索博研， 徐 儒， 王书昶， 张惠国， 常建华

（1.南京信息工程大学 电子与信息工程学院， 江苏 南京 210044；2.常熟理工学院 电子信息工程学院， 江苏 常熟 215500）

1 引 言

白色发光二极管（Light Emitting Diode，LED）作为一种已经普及的照明技术，在照明行业中展现出了高效、节能[1-3]以及环保[4-6]等诸多优势。随着LED 技术的不断发展和进步，白光LED 的应用范围也在不断扩大。人们对LED 的要求越来越高，用单一标准评判LED 的性能无法体现高品质LED 的优势所在。

显色指数（Ra）代表了光源对于物体颜色的显现能力[7-9]，是评判LED 品质的一个重要标准。光谱功率分布的蓝光危害占比指数（下文简述为蓝光危害占比指数，Br，定义见补充文件）也成为考量LED 是否为高品质的标准之一。自从LED 照明产品广泛应用以来，人们对蓝光危害越来越关注。因此，出现了很多评价蓝光危害的标准。例如，国际上制定了对灯具和灯具系统的光生物安全性评价标准：IEC/EN 62471[10]，其中提出了视网膜风险光谱加权函数；此外，IEC/TR 6277[11]对照明产品的蓝光危险等级分类提供了指导。国内也提出了针对光源和灯具的蓝光危害评价标准：GB/T 20145[12]。目前，LED健康照明光源的研究重点主要集中在光生物辐射安全、光的视觉和非视觉效应方面[13-15]。LED的光谱连续度（Cs，定义见补充文件）也是一个重要标准，目前白光LED 光谱普遍存在460～490 nm 波段缺失以及620～750 nm 波段不足[16]的问题，从而导致光谱中存在光峰或光谷现象，其光谱连续度较低，影响人眼对颜色辨识的能力[17]。因此，提高LED 的光谱连续度可以获得更准确、更自然的颜色表现。此外，光效反映了LED 的能源利用率和能源消耗情况，是衡量LED 性能的重要指标之一，也是高品质白光LED 必须要考虑的标准之一[18-19]。

本文使用商用普通蓝光LED 芯片激发优化后的荧光粉制备白光LED，研究了荧光粉配比、激发波长和驱动电流对白光LED 的显色指数、蓝光危害占比指数、光谱连续度和光效等指标的影响。最终获得了在额定功率下，显色指数、光谱连续度和光效分别达到97.4、93.6%和98.75 lm/W，而蓝光危害占比指数仅为26.3% 的高品质白光LED，可用于高品质生活健康照明、教育照明等领域。

2 实 验

2.1 实验用品及设备

实验用品：芯片尺寸为30 mil×30 mil、额定功率为1 W 的商用蓝光LED，峰值波长分别为450，460，480 nm，并分别记为L450、L460 和L480，其额定功率下的电光转换效率分别为43%、26%和42%（具体性能参数见补充文件图4）；如表1 所示的普通商用荧光粉；深圳市盟科技有限公司的SCR-1018 硅胶（A 胶∶B 胶=1∶4 配合使用）。测试设备采用的是杭州远方光电的LED 自动温控光电分析测量系统——ATA-500 以及荧光粉激发光谱与热猝灭分析系统——EX-1000。

表1 荧光粉参数表Tab.1 Table of parameters for phosphors

2.2 实验流程

制备白光LED 的实验流程如下。

（1）芯片分组：首先，根据不同荧光粉的发射、激发光谱选用适合每个LED 的荧光粉组合，以减少荧光粉之间的二次吸收（荧光粉参数测试及选择策略见补充文件第3 节）。按照所用蓝光LED和荧光粉的不同，制备了表2 所示的4 组白光LED系列样品。其中，A 系列使用L450 激发荧光粉；B系列使用L450 激发荧光粉后串联未激发荧光粉的蓝光LED：L480，用于补充460～490 nm 波段的光谱；C 系列使用L460 激发荧光粉；D 系列为双芯片方案，即A 系列与C 系列白光LED 串联而成。

表2 实验样品概述表Tab.2 Summary table of experimental samples

（2）配比荧光胶：A 系列样品：使用L450 激发BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538、GaAlSiN3∶Eu-650 共制备了17 个白光LED 样品，用于研究荧光粉配比对白光LED 显色指数和光效的影响。具体过程如下：根据已报道的研究[20-21]和实验室前期的实验结果，将荧光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 的初始比例设定为0.183∶1∶0.17。在此基础上，保持Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 的质量不变，改变Ba-Si2O2N2∶Eu-495 的质量制备了10 个LED 样品，测试 得 到BaSi2O2N2∶Eu-495 与Lu3Al5O12∶Ce-538 的最佳比例。后续采用该比例，改变GaAlSiN3∶Eu-650 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比例制备了7 个LED，测试得到GaAlSiN3∶Eu-650 与Lu3Al5O12∶Ce-538 的最佳比例，最终获得三种荧光粉的最佳配比，制备了A 系列样品中性能最好的白光LED，并记为EFPR-A(Excellent fluorescent powder ratio-A)。 B、C系列样品：采用上述荧光粉配比优化策略，分别制作多个白光LED 获得最佳荧光粉比例，并将基于最佳比例制备的白光LED 分别记为：EFPR-B 和EFPR-C。D 系列样品：在EFPR-A 基础上，串联不同荧光粉配比的C 系列样品，获得D 系列样品，并将性能最佳的D 系列白光LED 记为EFPR-D。

完成荧光粉称量后，称取SCR-1018 硅胶与抗沉淀粉，其中荧光粉∶硅胶为1∶1.108，抗沉淀粉为硅胶总质量的0.12%[17]。随后放入匀胶机进行匀胶，然后放入真空泵内消除气泡，完成荧光胶配比。

（3）点胶：将荧光胶倒入点胶机中，均匀地将荧光胶点入固晶焊线好的支架中。

（4）烘烤：将点胶后的LED 放入烤箱，在80，120，150 ℃条件下依次烘烤90，90，180 min，完成白光LED 制备。

（5）测试：利用ATA-500 对样品进行测试。

3 结果与讨论

3.1 不同荧光粉配比对白光LED 的影响

图1 展 示 了BaSi2O2N2∶Eu-495 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比例改变时，A 系列样品的显色指数及光效。显 然，随 着BaSi2O2N2∶Eu-495 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比例的增加，A 系列白光LED 的显色指数和光效先增加后减小。在BaSi2O2N2∶Eu-495 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比例为0.223∶1 时，光效和显色指数分别达到98.82 lm/W 和95.3。

图1 不 同BaSi2O2N2∶Eu-495/Lu3Al5O12∶Ce-538 对 白 光LED 性能的影响Fig.1 The influence of different BaSi2O2N2∶Eu-495/Lu3Al5-O12∶Ce-538 on the performance of white light LED

从 图2 可 以 发 现，随 着GaAlSiN3∶Eu-650 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比例的增加，A 系列白光LED 的显色指数和光效也先增加后减小。在GaAlSiN3∶Eu-650 与Lu3Al5O12∶Ce-538 比 例 为0.145∶1 时，白光LED 的发光效率为102.2 lm/W，显色指数为95.5，效果最佳，此时荧光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 与GaAlSiN3∶Eu-650 的 比 例 为0.223∶1∶0.145。在荧光粉配比优化之后，相较于本系列的初始比例，白光LED 的显色指数增加了14.6，光效增加了12.8 lm/W。图3 展示了EFPRA 的光谱。根据计算，EFPR-A 的蓝光危害占比指数为36.79%，光谱连续度为87.1%。

图2 不同GaAlSiN3∶Eu-650/Lu3Al5O12∶Ce-538 对白光LED性能的影响Fig.2 The influence of different GaAlSiN3∶Eu-650/Lu3Al5-O12∶Ce-538 on the performance of white light LED

图3 最佳配比下制备的EFPR-A 光谱Fig.3 The spectrum of EFPR-A prepared at the optimal ratio

3.2 不同激发波长对白光LED 的影响

虽然EFPR-A 的显色指数已经达到了95.5，然而，由于缺乏了460～490 nm 青光部分光谱，光谱连续度仅为87.1%，仍有提升空间。从图3 可以看出其LED 光谱存在明显的“光谷”以及“光峰”现象，这种光谱不连续性会导致色差问题[17]。为了解决这个问题，B 系列样品在EFPR-A 的基础上串联L480 用于补充青光波段以提高光谱连续度。然而，串联L480 导致光谱中绿光部分增多，因此我们减少了EFPR-A 配比中Lu3Al5O12∶Ce-538 的比例。最终，B 系列样品中最佳的荧光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 与GaAlSiN3∶Eu-650 的比例为0.25∶1∶0.16。制备的EFPR-B具有更加连续的光谱（图4），其显色指数、蓝光危害占比指数、光谱连续度和光效分别为96.1、35.23%、95.1%和43.38 lm/W。

图4 最佳配比下EFPR-B 的光谱Fig.4 The spectrum of EFPR-B prepared at the optimal ratio

与EFPR-A 相比，EFPR-B 的蓝光峰值被小幅度削弱，并且460～490 nm 部分的光谱获得了补全，其显色指数提高了0.6，蓝光危害占比指数降低了1.56%，光谱连续度提升了8%。然而，串联L480 后光效降低，仅为43.38 lm/W。这是因为人眼对不同波长光的感知效果不同，根据明视觉函数，人眼对550 nm 波段的光感知最强，而对460～490 nm 波段的青光感知较弱[22-23]。因此，单独补充青光会牺牲整体的光效。

另一方面，EFPR-A 与EFPR-B 的蓝光危害占比指数均大于30%，这是因为蓝光危害加权函数中，440 nm 为视网膜色素上皮组织最危险的蓝光波长[17]，而峰值波长为450 nm 的蓝光LED 芯片L450 发出了较大功率的“危险蓝光”波段。为了减少440 nm 波段的蓝光，我们采用L460 避开440 nm 波段制备C 系列样品。C 系列样品中最佳的荧光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Ga-YAG∶Ce-538 与GaAl-SiN3∶Eu-650 的比例为0.29∶1∶0.11。图5 为L460激发荧光粉所制备的EFPR-C 的光谱。此时的EFPR-C显色指数、蓝光危害占比指数、光谱连续度和光效分别为91.7、20.62%、86.7%和51.19 lm/W。

图5 最佳配比下EFPR-C 的光谱Fig.5 The spectrum of EFPR-C prepared at the optimal ratio

实验结果表明，相比于EFPR-A，EFPR-C 的显色指数和光效下降，光谱连续度略微下降。但是蓝光危害占比指数显著改善，下降了16.17%，这表明使用偏离440 nm 波段的蓝光LED 制备白光LED 可以显著减小蓝光危害占比指数，有效提高白 光LED 的品质。但是，EFPR-A 和EFPR-C 都显示出明显的蓝光峰值，导致较低的光谱连续度。因此，仅通过调整荧光粉配比很难有效降低蓝光峰值以提高光谱连续度，获得综合指标优异的高品质白光LED。

为进一步提高白光LED 的综合品质，D 系列白光LED采用双蓝光芯片方案。研究发现，EFPR-D恰好是EFPR-A 与EFPR-C 串联得到的白光LED，图6 展示了其光谱。EFPR-D 在额定功率下实现高达97.4 的显色指数，其蓝光危害占比指数仅为26.3%，光谱连续度为93.6%，光效为98.75 lm/W。该结果与2018 年报道的双蓝光芯片方案的最优结果[24]相比，EFPR-D 的蓝光危害占比指数降低了7.5%，光谱连续度提升了11.1%；与2020 年报道的双蓝光芯片方案的最优结果[17]相比，EFPRD 的蓝光危害占比指数降低了8.9%，光谱连续度提升了4.5%。

图6 最佳配比下EFPR-D 的光谱Fig.6 The spectrum of EFPR-D prepared at the optimal ratio

通过表3 可以发现，相比于EFPR-A，EFPR-D改善了显色指数、蓝光危害占比指数、光谱连续度，但由于L460 的电光转换效率比L450 低17%，光效略有降低。与EFPR-B 相比，EFPR-D 改善了显色指数、蓝光危害占比指数、光效，光谱连续度略有不足。对比EFPR-C，EFPR-D 的显色指数、光谱连续度、光效均有提升，蓝光危害占比指数略微偏高。这是因为EFPR-D 的蓝光峰相较于EFPRC 更靠近“危险蓝光”440 nm，从而造成了蓝光危害占比指数提高。综上所述，EFPR-D 综合品质最好，该LED 可用于高品质生活健康照明、教育照明灯等领域。

表3 不同蓝光芯片制备白光LED 样品对比Tab.3 Comparison of white light LED samples prepared with different blue chips

3.3 不同驱动电流对白光LED 的影响

EFPR-D 为EFPR-A 和EFPR-C 串联获得，因此本研究进一步测量了EFPR-A 和EFPR-C 在30～300 mA 驱动电流下的光谱（见补充文件图8、图9），并计算了不同电流下EFPR-A 和EFPR-C 的4项指标参数，如图7 和图8 所示。从图中可以看出，当驱动电流从30 mA 增加至300 mA 时，EFPRA 的光谱连续度从95.8%降至87.1%，说明其光谱逐渐偏离标准光谱；与此相反，EFPR-C 的光谱连续度从83.4%增至86.7%，表明其光谱逐渐接近标准光谱；因此，EFPR-A 的显色指数从96.8 降至95.5，而EFPR-C 的显色指数从88.9增至91.7。实际上，EFPR-D 的光谱为EFPR-A 与EFPR-C 光谱的叠加，这种叠加使EFPR-D 的光谱更接近于标准光谱，因此EFPR-D 在300 mA 电流下的光谱连续度和显色指数分别达到93.6%和97.4。

图7 不同驱动电流下显色指数、光谱连续度的变化Fig.7 The change of color rendering index and spectral continuity under different driving current

图8 不同驱动电流下蓝光危害占比指数、光效的变化Fig.8 The change of blue light hazard ratio index and light efficiency under different driving current

另外，随着电流的升高，EFPR-A 和EFPR-C的蓝光危害占比指数均增大，这归因于蓝光LED因极化电场导致的量子限制斯塔克效应[25-30]引起的3 nm 蓝移（见补充文件图1 和图2），使光谱的蓝光峰更靠近“危险蓝光”440 nm。因为蓝光LED的电光转换效率随电流的升高而降低，因此导致了EFPR-A 和EFPR-C 光效降低。

4 结 论

本研究旨在分析不同荧光粉配比和不同激发波长对于白光LED 的影响，得出以下结论：（1）利用L450 激 发 最 佳 配 比 为0.223∶1∶0.145 的Ba-Si2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 荧光粉，获得显色指数、光谱功率分布的蓝光危害占比指数、光谱连续度和光效分别为95.5、36.79%、87.1% 和102.2 lm/W 的EFPR-A。（2）相较于传统蓝光LED，采用L450 芯片搭配L480芯片，有效弥补了460～490 nm 部分的光谱缺失，用其制备的EFPR-B 的光谱连续度达到95.1%，缓解了“光谷”、“光峰”带来的色差问题。 （3）从技术原理和技术实现上，本研究避免最危险的440 nm 的蓝光波长，转而使用长波长蓝光芯片激发荧光粉制备蓝光危害占比指数仅为20.62% 的EFPR-C，有效地减少了蓝光危害。 （4）使用电光转换效率仅为26%(L460)和43%(L450)的双蓝光LED 芯片激发优化后的荧光粉，成功制备了高品质白光LED 样品EFPR-D。在2 W 的额定功率驱动下，实现了高达97.4 的显色指数，其蓝光危害占比指数仅为26.3%，光谱连续度为93.6%，光效为98.75 lm/W。实现了对蓝光峰值的削减，在保证显色指数、光谱连续度、光效的同时改变蓝光功率分布，有效减少了蓝光危害占比指数。该LED 可用于高品质生活健康照明和教育照明灯领域。

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