全光譜LED器件的光色調制及性能

劉自轉， 王宜菲， 楊波波， 石明明， 鄒 軍

(上海應用技術大學 理學院，上海 201418)

作為現代照明的一大主體，LED以其低能耗、高亮度、環保耐用、壽命長等優點得到廣泛應用。自然光是人類分辨周邊環境的最基本保障，為了使現代照明的光譜結構將更加趨于自然光的發光光譜，從而有利于人的視覺健康，易于為人類提供更高的光色品質、更舒適健康的照明環境[1-3]，可包含整個可見光380～780 nm波段和非可見光(紫外≤380 nm和紅外≥780 nm)范圍的全光譜LED，相比普通LED，其光譜譜線連續，光源各波段譜線比例均勻、完整[4]。

普通LED光源的色空間分布不均勻，顯色指數數值較低，甚至使藍光危害越來越嚴重，其最主要的根源在于器件光的輸出方式。光譜接近正午自然光的全光譜LED，可以有效減弱普通光源對人體的藍光危害等級，為保持LED光譜的完整均勻，在普通LED的基礎上對光譜進行補充，保持光譜中青光、綠光、紅光部分的連續性和完整性，使整個光譜內光源發射的能量均勻分配，降低光譜青藍色波段內的藍光比例[5-8]。目前實現全光譜LED的方法主要有藍光芯片封裝復合熒光粉、紫光藍光芯片封裝復合熒光粉以及多基色的LED進行混光3種方法。引入青色熒光粉以調整青色波段的光輻射能量，或引入紅色熒光粉為提高紅色區域的光譜高度，可以有效提升白光LED在連續光譜范圍內的光強度輻射。使用多色LED 混光的方法，在熒光粉的轉化過程中幾乎可以做到無能量的損失，以提高白光LED的顯色指數等各光電性能，使器件更具有實用性，且更有利于市場推廣[9-13]。不同色溫的LED在家裝、氣氛烘托等方面有不同的用途，可在封裝時通過控制復合熒光粉濃度來調節色溫，根據需求選擇合適色溫的燈光可以使生活更有品質[14-15]。

本文在普通白光LED制備的基礎上引入青色熒光粉，通過3種熒光粉按不同配比進行混合與3014器件封裝，制作出不同比例的全光譜LED芯片。通過對所獲得樣品進行測試，研究其光譜數據、顯色指數、發光效率、色溫等各種性能參數，發現產品增加了LED光譜的連續性，減小了光源中的藍光危害，為全光譜LED 的研究提供更多的參考數據，并結合LED在生產中的實際需求，為企業生產提供更多便利和更多可選資源。

1 實 驗

本次實驗所需：威士玻爾光電(蘇州)有限公司，SOB480、GAP530、NRL650 三色熒光粉，分別為：Ba0.956(Mg0.912Al10.088)O17∶Eu, Mn2+Lu2.54Y0.4Al5O12∶0.06Ce和Sr0.65Ca0.35AlSiN3∶0.05Eu。上海回天新材料有限公司，A、B硅膠分別是5351A、5351B。

實驗過程：將三色熒光粉與A、B 膠分別按照0.7∶1 ∶1的比例混合(3種熒光粉比例為1∶x∶1)，使用玻璃棒將混合物攪拌均勻后，放入高速離心機中離心1 min進行脫泡處理，取出配比樣品蘸取后涂覆在3014芯片上，后放入80 ℃的烤箱中烘烤10 min，再放入120 ℃的烤箱中烘烤20 min。將封裝的3014器件通過STC-4000的小積分球在電流30 mA，電壓3 V條件下測試，測出3014的光譜圖、色溫、光效、顯色指數性能參數，儀器來自杭州遠方光電信息股份有限公司。

2 結果與討論

2.1 3種熒光粉的光譜耦合

為了確定選用的3種熒光粉是否符合實驗需求，滿足全光譜白光LED的條件，首先對參與封裝的3種熒光粉的發射光譜進行測試，如圖1所示。SOB480 熒光粉其發射光譜峰值位于511 nm，譜線半寬高為27 nm，發射波段為480～550 nm的窄發射帶。GAP530 熒光粉其發射峰值在531 nm處，發射峰半寬高為104 nm，發射波段為480～650 nm的寬發射帶。NRL650 熒光粉的發射峰峰值為638 nm，譜線半寬高為92 nm，發射波段為570～730 nm的寬發射帶。

圖1 SOB480、GAP530、NRL650的發射光譜圖

圖2 GAP530、NRL650、SOB480的激發光譜圖

圖2顯示的是SOB480、GAP530、NRL650熒光粉的激發光譜，由圖可得，SOB480、GAP530、NRL650 3種熒光粉的激發光譜在270～430 nm的波段重疊，3種熒光粉均可以被激發。在420～510 nm的波段內GAP530、NRL650兩種粉的激發程度達到峰值，且被激發程度最大，說明用此波段的光激發器件可以獲得性能最佳的3014器件。

圖3所示為SOB480熒光粉的發射光譜與GAP530、NRL650的激發光譜圖，在495～530 nm的光譜譜段內，GAP530的被激發光譜與熒光粉SOB480的發射光譜相互重疊，說明GAP530熒光粉可吸收SOB480熒光粉所發的光，藍光芯片激發SOB480 熒光粉發出青光，青光的發射可激發GAP530熒光粉。由于NRL650熒光粉的激發光譜與SOB480的發射光譜也有重疊，所以NRL650熒光粉能吸收SOB480發出的青色光而發射紅光。

圖3 SOB480發射光譜、GAP530、NRL650的激發光譜圖

圖4 GAP530發射光譜、SOB480、NRL650的激發光譜圖

圖4所示為GAP530熒光粉發射、SOB480、NRL650熒光粉的激發光譜圖，圖中在490～590 nm處GAP530熒光粉發射光譜與NRL650熒光粉的激發光譜重合，表明GAP530熒光粉發出的光可以激發NRL650熒光粉。圖中SOB480的激發光譜并未與GAP530熒光粉的發射光譜重疊，故SOB480熒光粉反射GAP530熒光粉所發出的光，只產生了光的散射效應。

NRL650發射、SOB480、GAP530熒光粉的激發光譜圖，如圖5所示。NRL650的光譜與SOB480、GAP530熒光粉的光譜無重疊部分，說明NRL650發出的光不會激發其余兩種粉，一部分藍光芯片激發NRL650熒光粉發出紅光，另一部分藍光激發GAP530熒光粉發出的綠光，綠光被NRL650熒光粉吸收所發出的光與SOB480熒光粉的青光復合，最終實現全光譜白光LED。由于3種熒光粉的激發波段和發射波段不同，在制備3014器件的過程中存在3種熒光粉相互激發、相互吸收、相互反射的情況，為全光譜白光LED的實現增加了一定的難度，使用積分球對不同比例的粉進行測試，器件的光譜數據和光電性能會產生變化，通過控制熒光粉配比可有效減少因激發光譜譜段和發射光譜譜段不重疊而造成的反射現象，降低全光譜白光LED的實現難度。

圖5 NRL650發射光譜、SOB480、GAP530的激發光譜圖

2.2 3種熒光粉封裝的3014器件

表1為STC-4000的小積分球測試在藍光芯片激發下，各不同比例復合熒光粉配比封裝后的3014 LED 器件樣品的性能參數。由表1可以看出，器件在藍光的激發下發光效率和顯色指數較高，隨著紅色熒光粉質量在復合熒光粉總質量中占比的減小，3014器件所測得的色溫逐漸增大。

圖6為復合熒光粉在不同質量比例混合封裝下CIE色度圖，使用STC-4000的小積分球對3014芯片進行測試，測得3種熒光粉質量比分別為：

1∶16∶1, 1∶20∶1, 1∶24∶1, 1∶26∶1,

1∶28∶1,1∶29∶1,1∶30∶1

器件色溫分別為：

2 935，4 270，4 766，5 267，5 646，6 864，7 350 K

通過測得的數據可以看出，芯片的色溫隨GAP530熒光粉的比例增加而升高，熒光粉的紅粉占比越多，3014器件所發的光越偏暖，從1∶16∶1到1∶30∶1的過程中，器件所發光從暖白光逐漸變為冷白光。

表1 復合熒光粉封裝3014芯片的各性能參數

Tab.1 Performance parameters of composite phosphor package 3014 device

m熒光粉(480530650)光效/(lm·W-1)顯色指數/Ra色溫/K色坐標(X軸,Y軸)1∶16∶1104.9292.82935(0.4220,0.3874)1∶20∶1105.8894.54270(0.3676,0.3617)1∶24∶1121.0192.94766(0.3524,0.3597)1∶26∶1118.5591.15267(0.3385,0.3563)1∶28∶1122.3692.15646(0.3291,0.3425)1∶29∶1113.1391.86864(0.3074,0.3227)1∶30∶1111.6590.67350(0.3013,0.3153)

圖6 各不同比例復合熒光粉封裝的3014芯片的CIE圖

圖7所示為藍光芯片激發質量比不同的復合熒光粉封裝的3014器件的發光光譜圖，由圖可見，質量比為1∶16∶1的3014器件在450 nm波長處的相對光強較弱，透過3014芯片的藍光較少，光效略低于其他比例的3014器件，僅為104.94 lm/W，由于紅粉在總質量中所占比例較大，因此在630～670 nm這一波段相對光強高于其他波段。圖7中，質量比為1∶20∶1～1∶30∶1的復合熒光粉，藍光透過率比較高，結合表1可以發現，質量比為1∶24∶1～1∶28∶1的器件由于被激發程度的不同，其光效都保持在118 lm/W以上，器件的相對光強也比較均勻而且數值偏高，落在黑體輻射線上且色坐標靠近CIE圖白光中心的器件，色溫分別為 4 766，5 267，5 646 K，與全光譜白光LED最佳色溫為 5 000 K左右的預估吻合。1∶28∶1后的比例，熒光粉藍光被激發率下降，相對光強降低，由于紅粉質量減少，600 nm以上的波段相對光強數值很低。由表1可知，1∶29∶1和1∶30∶1的色溫分別為 6 864，7 350 K，3014器件被激發后發出的光偏冷白色，顯色指數相比其他比例偏低。總體而言，3種磷光體的光譜耦合形成的3014 器件的發光光譜中，質量比在1∶24∶1～1∶28∶1這段比例中，3014器件的性能最佳。

圖7 不同比例熒光粉封裝的3014芯片的發光光譜圖

3 結 語

本文使用SOB480、GAP530、NRL650三種熒光粉作為研究對象，通過對不同質量配比的熒光粉封裝的方法，調制出高光效，高顯指的全光譜白光LED，測試使用波長為450 nm的藍光對封裝3014芯片進行激發。通過分析3014 LED器件的發光效率、色溫、色坐標、顯色指數和發光光譜強度等光電性能參數，最終發現配比不同的復合熒光粉器件，在CIE色度圖上均由對應的點落在黑體輻射線上。全光譜白光LED器件的顯色指數在1∶20∶1時最高，其值為94.5，光效在1∶28∶1時最高，其值為122.36 lm/w，其色溫隨著GAP530的熒光粉質量的增加而逐漸增大，且全光譜LED的發光光譜曲線更加連續。