瓦级大功率白光LED光色电特性研究

摘要:文章基于瓦级大功率白光LED在照明领域应用的广泛性和重要性,展开了瓦级大功率白光LED光色电特性的研究。采用大功率LED封装设备与紫外-可见光-近紫外光谱分析系统,制备并测量了瓦级大功率白色发光二极管(LED)在不同正向电流IF驱动下的光通量、电功率、发光效率、发射光谱和色品坐标等参数。研究表明, 光通量与电功率随IF的增大呈亚线性增长的趋势,而荧光粉转换效率下降是影响其辐射功率的主要原因之一。当电流增大时,白光LED光谱的蓝光峰值出现先蓝移后红移的现象,而黄光部分光谱形状无明显变化。此外,色坐标x、y值均随着IF的增大而降低,主波长减小,色温值升高。

关键词:发光学;瓦级大功率白光LED;光色电特性;色温;色品坐标

中图分类号:O482. 31文献标识码:B

Photometric, Chromatric, Electric Characteristics of Watt-level High Power White LED

GUO Zhen-ning1, LIN Jie-ben1, LIU Kang1, LI Jian-gong1, HUANG Ming-bo1,

HUANG Zhi-wei1, WU Li-xing2, LIN Rui-mei3

(1. College of Information Science and Engineering, Huaqiao University, Quanzhou Fujian362021, China; 2. Quanzhou Zixin Optoelectronic Co., Ltd., Quanzhou Fujian 362000, China; 3. Xiamen Guangpu Electronic Co., Ltd., Xiamen Fujian 361006, China)

Abstract:Owing to the wide application and importance of watt level high power white LED in lighting area, the photometric, chromatric and electric characteristics of watt-level high power LED is researched. Based on high-power LED packaging equipment and UV-visible-near-ultraviolet spectroscopy system, the luminous flux, electrical power, luminous efficiency, emission spectra and color coordinates of a watt level high power LED is prepared and measured with different forward driving current IF. The experimental results show that the luminous flux and the electric power rise sub-linearly with the increase of IF, while a drop in conversion efficiency of phosphor affects its radiated power. When IF increases, the spectrum morphologies and the peak wavelength of white LED spectrum show a red-shift after the first slight blue-shift, while the yellow-green part of the spectrum shape has no significant changes. In addition, the color coordinates of x, y values become lower with the increase of IF, the dominate wavelength decreases, and the value of color temperature rises.

Keywords:luminescence; watt level high-power white LED; photometric chromatric electric characteristics; color temperature; color coordinate

引言

随着InGaN基蓝光芯片光提取效率的提升,白光LED被广泛应用于LED日光灯、LED天花灯、LED路灯等商业照明和普通照明领域。它具有低光衰、长寿命、高可靠性、低功耗等优点,是一种符合国家“节能减排”政策的绿色新光源。

白光LED制备的方法主要有三种[1-3]:(1)InGaN蓝光芯片激发YAG黄色荧光粉;(2)InGaN蓝光芯片激发红色荧光粉和绿色荧光粉;(3)紫外LED (UV-LED)激发红绿蓝(RGB)荧光粉。其中,第(1)种方法为目前照明市场上最主流的白光LED实现方案。光色电特性的测试是评价白光LED特别是高显色性白光LED性能的重要手段[4],人们普遍认为散热不良导致白光LED的光衰减和颜色漂移[5],而LED驱动电源输出电流的波动也严峻考验白光LED光色电参数的稳定性。因此,深入系统地研究瓦级大功率白光LED的光色电性能,对提高白光LED品质和制造白光LED照明灯具都有着十分重要的参考价值。

本文在研究InGaN蓝光LED光色电特性的基础上[6],封装并测试了瓦级大功率白光LED的光通量、电功率、发光效率、发射光谱和色品坐标等参数,同时深入分析了光色电参数的变化规律,并对其变化的具体原因进行了探讨。

1 实验

实验制备了瓦级大功率InGaN蓝光LED样品1、2和瓦级大功率白光LED样品Ⅰ、Ⅱ,样品1、Ⅰ与2、Ⅱ分别采用电极结构不同的InGaN蓝光LED芯片(芯片尺寸均为1×1mm),其发射峰分别为460～465nm、450～455nm。其中,样品1、Ⅰ为双电极(正装)结构,样品2、Ⅱ为单电极(垂直)结构。白光LED样品Ⅰ、Ⅱ的封装工艺为:首先用高导热银胶将芯片固化在镀银铜支架上,使用金球焊线机在芯片正负极各引两条直径为0.03mm的金线,涂敷一定配比的适量荧光粉与硅胶混合的荧光胶,然后盖上PC透镜,并填充高折射率硅胶后,在150℃条件下烘烤1小时,最后将支架用导热硅脂粘结在厚度约为1mm的梅花状铝基板热沉上,得到实验所需的白光LED样品。

样品的光电参数、色品质均采用杭州远方光电信息有限公司的LED300光色电综合测量系统进行测试与记录。该系统配有STC3000快速光谱仪和直径为0.3m的LED专用积分球,并内置量程为0～2,000mA的直流恒流源。在室温下,调节正向电流IF(间隔50mA),记录IF从50mA增大到1,000mA过程中样品的正向电压、光通量、电功率、光效、色坐标(x,y)、半波宽等。

2 结果与讨论

2.1 光通量、电功率与辐射功率

由图1和图2可见,样品Ⅰ、Ⅱ的光通量与样品1、2的光通量在正向电流IF增大的过程中变化趋势相近。随着正向电流IF的增大,样品Ⅰ、Ⅱ的光通量与正向电流的关系曲线的斜率减小,光通量趋于饱和,样品Ⅰ的正向电流大于800mA后光通量不再增加,而样品Ⅱ的正向电流大于800mA后光通量仍呈亚线性增加。原因是样品Ⅰ采用的蓝光芯片为正装结构,其PN结电流密度分布不均匀,而样品Ⅱ采用的蓝光芯片为垂直结构,其PN结电流密度分布较为均匀,有效避免了电流的拥挤效应,有利于载流子的有效复合和光通量的亚线性增大[7]。

如图3、图4所示,在0～1,000mA范围内,样品Ⅰ、Ⅱ与样品1、2的功率随IF变化的斜率是一致的。而随着电流的增大,样品Ⅰ与样品1、样品Ⅱ与样品2辐射功率的值产生分离,电流越大,分离越明显,如图5、图6所示。当电流增大时,蓝光LED芯片结温上升,其表面温度与荧光粉层互相影响,荧光粉转换效率下降,蓝光LED芯片在相同驱动电流的情况下比未加荧光粉时辐射功率下降。

2.2EL光谱

2.2.1EL光谱与正向电流

图7所示为样品Ⅱ的白光LED电致发光光谱图,随着驱动电流的增大,白光LED的光谱谱形发生一定的变化,其中蓝光波段光谱峰值随着正向电流的增大先发生蓝移,后产生红移[8-10]。蓝光峰值的微小偏移,使荧光粉激发效率略为下降,但黄光光谱形状基本保持不变。

2.2.2EL光谱的主波长、半高宽与正向电流的关系

如图8所示,样品Ⅰ的色温较低,即涂敷的荧光粉胶量大,在电流小于600mA时,蓝光不足以完全激发黄色荧光粉而呈饱和状态,白光LED光谱变化不明显,则主波长变化趋势小。当电流增大时,蓝光足够激发荧光粉,蓝色比增加,则主波长蓝移趋势较为明显。样品Ⅱ色温较高,即涂敷的荧光粉胶量小,主波长在电流逐步增大的过程中有明显的蓝移趋势。

样品Ⅰ、Ⅱ的光谱半高宽均出现宽化,与InGaN基蓝光LED测试结果基本一致[6]。出现宽化的原因有:(1)温度T随着IF的增大而上升,晶格振动能增大,处于激发态的电子先跃迁到较高的振动态,后跃迁至基态,使得白光光谱的蓝光峰逐步展宽;(2)在大电流情况下,载流子浓度上升,对能带起到一定的填充作用,使导带和价带能级加宽,导致InGaN基EL蓝光峰光谱宽化;(3)荧光粉的激发谱是宽光谱,荧光粉对蓝光LED峰值波长吸收的同时,也吸收激发谱范围内的其它蓝光LED光谱,使得蓝光峰的半高宽展宽5～10nm。

2.3色品坐标、色温与正向电流的关系

如图9所示,随着正向电流的增大,色坐标x, y均随之减小,颜色偏蓝。对于白光,通常用色温来表征其色度的差异,人眼能分辨的色温差异为50～100K[11]。如图10所示,随着正向电流的增大 (50～1,000mA),样品Ⅰ色温变化范围为1,091K,而样品Ⅱ色温变化范围仅为525K,其色度稳定性要比样品Ⅰ好。研究表明,白光LED色温随电流变化漂移量大小与芯片稳定性有重要的关系,即样品2、Ⅱ所采用的垂直芯片具有更好的稳定性[12]。

3结论

基于相同InGaN蓝光LED芯片,制备瓦级大功率白光LED和蓝光LED并测试其光色电参数,研究表明:白光LED的光通量、电功率、辐射功率、发射光谱、主波长、色品坐标、相关色温与其正向驱动电流有紧密的联系。白光LED的光通量、电功率、辐射功率均随着正向电流的增加呈亚线性增长,其φe-IF曲线在大电流时与蓝光LED的φe-IF曲线产生分离。随着IF的增大,白光LED光谱的蓝光峰先发生蓝移后产生红移,而黄光峰略有下降,但光谱形状基本不变;主波长有明显的蓝移现象,振动态、载流子对能带的填充作用以及荧光粉的宽光谱吸收,导致白光光谱的蓝光峰值半高宽逐步展宽。色品坐标(x,y)随着IF的增大均呈减小趋势,使得色温逐步上升。

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作者简介:郭震宁(1958-),男,博士,教授,近期主要从事大功率白光LED封装测试及照明系统设计的研究。E-mail:.cn。