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荧光粉比例对白光LED特性的影响

2021-02-28 来源:步旅网
第31卷,第1o期 2 0 1 1年1 0月 光谱学与光谱分析 Vo1.31,No.10,pp2680—2683 October,201 1 Spectroscopy and Spectral Analysis 荧光粉比例对白光LED特性的影响 郭伟玲,崔德胜,崔碧峰,闫薇薇,刘 莹 北京工业大学,光电子技术省部共建教育部重点实验室,北京 100124 摘要用黄色和橙色硅酸盐荧光粉制备了白光LED,调整黄粉和橙粉的比例得到不同的色温。对样品进 行光学测试,发现黄粉与橙粉的比例小于7时,黄光部分的峰值约590 nm,比例大于7时,黄光部分的峰值 约570 nm;显色指数和流明效率都足随色温的增大先上升后下降,5 521 K时达到最优值,这是由于低色温 时,荧光粉的浓度大导致不能有效激发,光谱中红色成分过多导致显色指数低,高色温时,荧光粉浓度小导 致蓝光不能有效利用,光谱中红色成分过少导致显色指数低。对样品进行10 ̄80℃的变温测试,发现流明 效率降低并且幅度不同,除 芯片本身的俄歇复合外,还说明黄色和橙色荧光粉随温度上升激发效率下降 程度不同,橙色荧光粉的温度特性要优于黄色荧光粉。 关键词发光二极管;荧光粉;光谱;色温;显色指数;流明效率 中图分类号:TN383 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000—0593(2011)10—2680—04 粉制作白光LED提供了实验依据。 引 言 1实验部分 近年来,氮化镓(G-aN)基发光二极管(1ight—emitting di— ode,LED)在光通量、发光效率、寿命等方面都有了极大提 1.1主要原料 高,与传统光源相比,LED具有长寿命、低功耗、无污染等 优点,而且在节能照明光源方面的应用也H趋成熟l1]。目前 白光LED制备方法主要是在蓝光LED芯片上涂覆YAG (YaA1sO z)荧光粉¨4J,YAG是一种性能非常好的荧光粉, 硅酸盐黄色荧光粉,发射波长570 nm,色坐标(0.459, 0.519);硅酸盐橙色荧光粉,发射波长600 nm,色坐标 (O.599,0.396),两种荧光粉的粒径均为15 m;透明硅胶, 折射率为1.54;InGaN/GaN蓝光LED芯片,峰值波长445 ~但存在合成温度高、显色指数低、色温高、用于功率型LED 时光衰严重ls ]等缺点,荇要提高 色指数,就要在荧光粉 中添加其他元素以增加光谱中的红光成分,这会导致荧光粉 的发光效率较低l7],会减小I.ED的发光效率。硅酸盐荧光粉 具有良好的化学稳定性、热稳定性、激发效率 、显色 性lg 。】和宽的激发带l 。】,使得其应用范围越来越广泛,近 1年来硅酸盐发光材料成为研究热点并已经产业化。 为达到各种性能指标,通常广1光LED的荧光粉由几种 45O nm。 1.2白光LED的制备及测试 将蓝光LED芯片固晶,焊线,将黄色荧光粉和橙色荧光 粉按一定比例混合后加入硅胶中均匀搅拌,然后放入BW- ZK777真空机中抽真空,直至荧光粉与硅胶的混合物中尢气 泡为止,再用SHOTMASTER 300自动点胶机将已抽真卒 的荧光粉硅胶混合物点到LED芯片E,点胶量为0.003 mL,最后烘烤成型。 样品制成后,用浙大三色的LED光电色热测试系统在 25℃环境下对样品进行光学特性测试,测试电流350 mA。 混合而成,但荧光粉种类的增加会影响发光效率并且有的荧 光粉之问会发生化学反应。本文用硅酸盐黄色和橙色荧光粉 配合GaN基蓝光LED制作了不同色温的白光LED,系统研 究r白光LED的光谱特性、 色性和发光效率的变化,并实 现了色温、显色指数和发光效率的最优化,为用硅酸盐荧光 用LED-200T热台进行温度控制,对样品进行变温测试,测 试电流350 mA,温度范围10 ̄80℃。表1是不同荧光粉的 配比比例样品在25℃下测试的色温。 收稿日期:201卜Ol—O6。修订日期:201l—O4一O6 基金项目:国家(863计划)项目(2009AA03A1A3)和国家科技支撑计划项目(2O11BAEO1B14)资助 作者简介:崔德胜,1986年生,北京工业大学电予信息与控制工程学院硕士研究生 e-mail:cdsl210@163.corn 第lo期 光谱学与光谱分析 2681 1# O.12 0.07 2# 0.09 0.04 3# 0.14 0.02 4# O.1 0.05 5# O.O8 0.003 6# 0.006 0.002 2结果与讨论 2.1光学特性 色温是指当光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度下 辐射的颜色相同时,黑体的这个温度就称为光源的颜色温 度,简称色温。色温可以分为三组:暖色(<3 300 K),中间 色(3 300 ̄5 300 K),冷色(>5 300 K)。一般色温高表示蓝 绿光的组分多,色温低表示橙黄光的组分多_1 。图1是CIE 1931色度图,图中曲线是黑体辐射曲线,A,B,c点是黄色 荧光粉、橙色荧光粉和蓝光芯片的色坐标,荧光粉与芯片匹 扫Is口 IIl1最一一I 配合适即可得到三角形ABC中的所有颜色。控制两种荧光 粉的比例可以配出直线AB上的任一点D,控制荧光粉用量 使样品的色坐标在直线CD与黑体辐射曲线的交点附近,即 可得较纯的白光。 0.9 0.8 0.7 0.6 5oo O.5 0.4 0.3 O.2 O.1 0 0 O.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Fig.1 CIE 1931 chromaticity diagram 图2是不同色温(即荧光粉配比比例不同)白光LED样 品的电致发光光谱(EL),从图中可以看出,不同色温的光谱 中黄光部分的峰值波长不同。2 814,3 237和4 508 K的样 品的黄光峰值波长在590 nm左右,位于两种荧光粉的激发 波长之间,而5 521,5 819和6 246 K的样品的黄光峰值波 长大约为570 nm,与黄色荧光粉的发射波长相同。这说明当 黄粉与橙粉的比例小于7时,黄光部分的峰值是由黄粉和橙 粉激发的光谱叠加而成;而比例大于7时,黄粉的激发光谱 在整个黄光部分占主要,此时橙粉的激发光谱只是起到补充 红光成分的作用。光谱图中蓝光的峰值没有大的变化,均为 445~45O nm 1.7 2 814 78.852 62 2.25 3 237 81.079 41 7 4 508 84.775 12 2O 5 52l 87.034 8 27 5 8l9 82.649 21 30 6 246 83.261 28 O.OO2 0 O.O0l 5 O.OO1 O 0.0o0 5 0 400 500 600 700 WavelengtbJnm Fig.2 EL spectra of the samples with different color temperature "图3是样品的显色指数和流明效率随色温的变化曲线。 显色指数和流明效率随色温的增加先增大,然后减小,在5 521 K时两者都达到最大值。当色温小于5 521 K时,由于 光谱中的红色成分较多,黄色成分相对少些,导致显色指数 不高。黄粉与橙粉的比例增加后,光谱中黄色成分增加,显 色指数升高,在5 521 K时达到最大,而比例继续增加后, 红色成分过少,又会导致显色指数的下降。流明效率和显色 指数表现了相同的变化趋势,当色温小于5 521 K时,荧光 粉在硅胶中的浓度大,不能有效的激发,随着浓度的减小, 激发效率升高,而色温大于5 521 K时,荧光粉的浓度变小, 有部分蓝光没有被利用,从图2中的光谱图也可以看到,高 色温时蓝光的能量比较大。 86 ; 要 84 量 82 毫 § .g 80 至 78 28l4K 3237K 4508K 5521K 5819K 6246K Color Temperature Fig.3 Color rendering index and luminous efficiency as a function of color temperature 2.2变温特性 图4是白光LED样品的流明效率随温度的变化曲线。 随温度的升高,所有样品的流明效率均下降,其中一个原因 0勺IIH 口 u口I;2 2682 光谱学与光谱分析 rL[[rL [[[ 第31卷 [rL[ [ [是由LED芯片引起的,InGaN/GaN LED的内量子效率(咕) 可表示为【 j Bn 孕一A—n+Bn—2+Cn 3 ]]]] ¨ ]]] 明  521,5 819 ]]] ] ]明 州 的直线斜率在一0.072 1和~O.102 1l之间,而5和6 246 K的斜率在~O.1l8 l6和一0.139 6之问,这说明除 了LED芯片随温度变化外,不同的荧光粉随温度的升高,变 化也不一样。低色温样品中橙色荧光粉较多,流明效率随温 度的变化程度小于高色温的样品,说明橙色荧光粉的温度特 性要优于黄色荧光粉。 呈/^0矗I。疆p sng一§一 ∞ 舳 其中, 为载流子浓度,A,B,C分别表示SRH(间接复 合)非辐射复合系数、辐射复合系数和俄歇复合系数。InGaN 的能带是直接跃迁型,所以不必考虑SRH非辐射复合,而 温度升高时,俄歇复合要加强,系数C会增大,导致内量子 效率降低,从外部特性看就是流明效率的降低。 3结论 对图4中的数据线性拟合,发现2 814,3 237和4 508 K 用InGaN/GaN蓝光LED芯片、黄色和橙色荧光粉制备 了白光LED,调整黄粉和橙粉的比例得到不同的色温。对样 品进行光学测试,发现黄粉与橙粉的比例小于7时,黄光部 分的峰值是由黄粉和橙粉激发的光谱叠加而成,比例大于7 时,黄粉的激发光谱在整个黄光部分占主要;显色指数和流 明效率都是随色温的增大先上升后下降,5 521 K时达到最 优值,这是由于低于5 521 K时,荧光粉的浓度大导致不能 有效激发,光谱中红色成分过多导致显色指数低,高于5 521 K时,荧光粉浓度小导致蓝光不能有效利用,光谱中红色成 分过少导致显色指数低。对样品进行变温测试,发现流明效 1o 2O 30 4O 50 60 7O 80 9O 率降低并且幅度不同,除了芯片本身的俄歇复合导致内量子 Temperature ℃ 效率降低,黄色和橙色荧光粉随温度变化特性不同,橙色荧 光粉的温度特性优于黄色荧光粉。 Fig.4 Luminous efficiency as a function of temperature References Daniel A Steigerwald,Jerome C Bhat,Dave Collins,et a1.IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics,2002,8(2):310. Naichia Yeh,Jen—Ping Chung.Renewable and Sustainable Energy Reviews,2009,l3(8):2175. Pal N,Sadhu P K,Gupta R P,et a1.International Conference on Computer and Automation Engineering,2010,5:675. Isamu Niki,Yukio Narukawa,Daisuke Morita,et at.Proceedings of SPIE—The International Society for Optical Engineering,2004, 5187:1. Guo C,I uan I ,Ding X,et a1.Applied Physics B:1.asers and Optics,2009,95(4):779. wANG Hong-zhi(K宏志).Materials Review(材料导报),2010,24(7):l_ CHEN Du,CHEN Chao(陈669. 都,陈朝).Journal of Xiamen University・Natural Science(厦门大学学报・自然科学版),2007,46(5): Joung Kyu Park,Chang Hae Kim,Seung Hyok Park,et a1.App1.Phys.Lett.,2004,84(10):1647. Pardha Saradhi M,Varadaraju U V.Chem.Mater,2006,18:5267. 1.1 Pan—lai,YANG Zhi—ping,WANG Zhi-jun,et al(李盼来,杨志平,王志军,等).Chemical Journal of Chinese Universities(高等学校化 学学报),2008,29(3):457. 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Keywords Light emitting diode;Phosphor;Spectrum;Color temperature;Color rendering index;Luminous efficiency (Received JaIL 6,2011;accepted Apr.6,2011) 

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