低色温高显色性白光LED的研究

摘要:文章论述了低色温高显色性白光LED的制备方法及其发展现状与趋势,重点分析了低色温高显色性白光LED的光色电参数,并指出了低色温高显色性白光LED制备技术的难点。同时制备了瓦级大功率白光LED,其显色性高达93,经过1,000小时老化后,色温出现漂移,显色指数仍高于83。

关键词:低色温;高显色性;白光LED

中图分类号: TN141.9文献标识码:B

Studies of the High-power White LEDs with Low Tc and High Ra

LIU Kang1, GUO Zhen-ning1, LIN Jie-ben1, HUANG Zhi-wei1, HUANG Ming-bo1,

LI Jian-gong1, WU Li-xing2, LIN Rui-mei3

( 1.Information Science and Engineering Institute of Huaqiao University, Quanzhou Fujian 362021, China; 2.Quanzhou Zixin Optoelectric Technology Co., Ltd., QuanzhouFujian 362000, China; 3.Xiamen Guangpu Electronic Co., Ltd., Xiamen Fujian 361006, China)

Abstract:This article discusses the preparation methods and the development of white LED with low color temperature and high color rendering index, focusing on analysis of photochromic parameters of this white LED, and pointing out the difficult preparation technology on this white LED. Watt-level high-power white LED is preparated, its color is as high as 93. After 1,000 hours aging, the color temperature drifts, however, the color rendering index is still above 83.

Keywords:low color temperature; high color rendering; white LED

引 言

随着发光二极管(LED)芯片和封装技术的提升,白光LED作为普通照明光源逐步受到人们的青睐。它具有低压、低功耗、高可靠性、长寿命等一系列优点,已广泛应用于LED路灯、LED灯具等领域,是一种符合国家“节能减排”政策的绿色新光源,有望取代目前在照明领域占统治地位的荧光灯和白炽灯。荧光灯在发光过程中需利用汞蒸气作为放电介质,对人体产生危害,2006年开始已在欧盟地区禁售。白炽灯由于电光转换效率低,2009年9月,欧盟率先出台白炽灯禁售的政策,各国也纷纷禁售的进程,使得白光LED向普通照明尤其是室内照明又前进了一大步。

然而,白光LED的显色性是制约其进入室内照明,特别是阅读照明、医疗照明的技术瓶颈。长期以来,人们采用InGaN基蓝光LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石(YAG:Ce3+)黄色荧光粉组合来制备冷白光LED(Tc>5,000K),可实现显色指数高于80,但制备暖白光LED(Tc

本文通过探讨制备低色温、高显色性大功率白光LED的方法,分析其优缺点,并从中总结实现低色温、高显色大功率白光LED的最佳方案。

1 制备低色温高显色性白光LED的方法

1.1RGB三基色芯片混合成白光

将红、绿、蓝三色LED功率型芯片集成封装在单个器件之内,调节三基色的配比,理论上可以获得各种颜色的光。通过调整三色LED芯片的工作电流可产生宽谱带白光[4]。

吴海彬等人[5]自行设计的集成功率型1W白光LED色温可以覆盖2,700～13,000K,显色指数均可做到80以上。Yoshi Ohno等人[6]通过模拟仿真三基色芯片和四基色芯片LED模型获得了色温Tc为3,000~4,000K、显色指数Ra分别为80~89和90以上的白光,也就是说通过多芯片集成的方法能获得低色温高显色性的白光LED。这种方法的缺点是封装结构比较复杂,电路实现较困难,白光稳定性较差,成本比较高。由于红、绿、蓝三种颜色LED芯片的量子效率不同,各自随温度和驱动电流的变化不一样,且随时间的衰减也不同,所以输出白光的色度不稳定。为了使其稳定,需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿,所以封装结构及电路比较复杂。这种方法的优点是效率高、使用灵活,由于发光全部来自红、绿、蓝三种LED,不需要进行光谱转换,因此其能量损失最小,效率最高。同时由于RGB三色LED可以单独发光,且其发光强度可以单独调节,故具有较高的灵活性[7]。

选择RGB三基色合成白光技术实现功率型白光LED,主要应用于显示行业,如动态广告牌、商业等大型和超大型全色显示屏的信息显示。2009年5月份欧司朗光电半导体公司新开发出体积最小的RGB Multi-Chip LED,特别适合应用于大尺寸高分辨率的全彩屏幕,确保画面在近距离观看时依然清晰。

1.2近紫外LED芯片激发荧光粉

采用高亮度的近紫外LED(～400nm)激发RGB三基色荧光粉,产生红、绿、蓝三基色,并通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光[4]。

Katsuya Kobashi等人[8]采用405nm近紫外LED芯片激发混合的三基色(红色、绿色和蓝色)荧光粉,获得了白光LED的Tc和Ra分别为3,900K和96。

采用类似方法,Takeshi FUKUI等人[9]的研究表明,近紫外LED激发分层的三基色荧光粉(ML-R/G/B)产生的白光LED效果比激发混合的三基色荧光粉所产生的白光要好。实验测得近紫外LED激发分层的三基色荧光粉(R/G/B)获得的白光的Tc和Ra分别为2,613K和94,光通量为8.22 lm,而激发混合的三基色荧光粉获得的白光的Tc和Ra分别为4,375K和83,光通量为7.82 lm。这是因为在混合RGB荧光粉的LED中,红色荧光粉会吸收周围附近蓝、绿色荧光粉被紫外激发的蓝、绿光,而在分层的R/G/B荧光粉的LED中,由于红色荧光粉在最底层,不会吸收上层的蓝、绿荧光粉被紫外激发的蓝、绿光。除了用近紫外LED激发三基色荧光粉外,Jong Su Kim等人[10]采用375nm近紫外LED芯片激发Sr3MgSi2O8:Eu2+(蓝和黄)或Sr3MgSi2O8:Eu2+,Mn2+(蓝、黄和红)单一白光荧光粉,获得的白光LED在 Tc=5,892K下的Ra=82,在Tc=4,494K下的Ra=92。

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作者简介:刘康(1988-),女,硕士研究生,主要从事大功率InGaN基白光LED的封装与测试研究。E-mail:。