白光led的光學(xué)特性

白光led的光學(xué)特性

1低染色、高顯色led產(chǎn)品研發(fā)的意義隨著光光燈的發(fā)展，人們希望光光燈的光譜、色度、亮度和相關(guān)顏色能夠滿足國(guó)際cie和中國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如果你不這樣做，你會(huì)感到不舒服。我們對(duì)相關(guān)色溫8000～4000K白光LED的光色特性及其與正向電流的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)。長(zhǎng)期以來(lái),低色溫(<4000K)、高顯色性的白光LED按照當(dāng)前主流方案InGaN藍(lán)色LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石黃色熒光體組合的方案實(shí)現(xiàn)難度大,成為人們攻關(guān)的難題。因?yàn)辄S色熒光體的發(fā)射光譜中缺少紅成份。故目前大多數(shù)報(bào)告限于有關(guān)5000K以上的高色溫白光LED的工作。盡管白光LED已有商品,但缺少低色溫白光LED。5000K以上的高色溫商品,顯色性差,難以滿足市場(chǎng),目前,由藍(lán)色芯片和熒光體組合的低色溫白光LED的論文報(bào)告極少。因此,無(wú)論從學(xué)術(shù)上研究,還是應(yīng)用需要,發(fā)展低色溫(<4000K)高顯色性白光LED具有重要意義。經(jīng)過(guò)努力研發(fā),我們研發(fā)出3450K、2900K及2700K低色溫、高顯色性白光LED。本文按照明光源標(biāo)準(zhǔn),報(bào)告這類低色溫白光LED的發(fā)射光譜、色品質(zhì)、顯色性、光效等特性及這些光學(xué)特性與正向電流IF的關(guān)系,揭示這些關(guān)系的變化以及相關(guān)色溫差ΔTc的變化規(guī)律,并對(duì)這些結(jié)果進(jìn)行分析。2紅色熒光體熒光體的封裝技術(shù)依據(jù)發(fā)光學(xué)光轉(zhuǎn)換及色度學(xué)原理,采用InGaN藍(lán)光LED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的稀土YAG:Ce體系黃綠色和Eu2+激活的CaS體系紅色熒光體有機(jī)組合成白光技術(shù),調(diào)整各藍(lán)芯片和熒光體的發(fā)射光譜的能量分布,實(shí)現(xiàn)所需要的白光。選用發(fā)射波長(zhǎng)455～465nm的InGaNLED藍(lán)芯片。將含有熒光體的高透過(guò)率的優(yōu)質(zhì)樹脂,如環(huán)氧樹脂、硅樹脂仔細(xì)深覆在藍(lán)片周圍。藍(lán)芯片固晶在帶有支架的金屬碗中。最后,用常規(guī)的封裝工藝和樹脂封裝成子彈型或半球型白光LED。測(cè)試方法和儀器見以前文獻(xiàn)中所述。3低光光刻光刻特性3.13片的電致發(fā)光el和熒光體-熒光led的光譜顯色圖圖1給出在正向電流IF=20mA下的色溫為3390K的白光LED的發(fā)射光譜。它屬于標(biāo)準(zhǔn)色溫為3450K的白色光。其發(fā)射是由InGaNLED藍(lán)芯片的電致發(fā)光(EL)光譜和以黃色熒光體為主的發(fā)射光譜以及以紅色熒光體和藍(lán)色LED為輔的發(fā)射光譜所組成。這種白光LED中發(fā)生光轉(zhuǎn)換,色溫低,故其發(fā)射光譜以熒光體的發(fā)射光譜為主體。在IF=20mA下,該白光LED的色品坐標(biāo)x=0.4091,y=0.3873,它們落在CIE標(biāo)準(zhǔn)色度圖3450K標(biāo)準(zhǔn)色溫的色容差圖的最內(nèi)圈中,其色容差3.0,顯色指數(shù)Ra=84,很滿意,完全符合照明光源的要求。它的光效可達(dá)56.4lm/w(IF=20mA)3.2預(yù)測(cè)和色容差分析光源的色溫為2900K的白光通常稱為暖白色,這是照明中很受歡迎的一個(gè)色溫區(qū),因此,獲取符合要求的2900K色溫白光LED深受重視。利用色度學(xué)原理,合理地配置出黃色熒光體和紅色熒光體的配比,增加紅成份,調(diào)制InGaNLED芯片藍(lán)色EL的能量分布以及熒光體的PL光譜的能量分布是可以實(shí)現(xiàn)2900K白光LED。圖2給出由我們制作的色溫為2989K白光LED在IF=20mA工作下的發(fā)射光譜。和圖1相比,紅區(qū)發(fā)射為主,黃綠區(qū)減少,而光譜中由InGaNLED芯片發(fā)射的藍(lán)光比例明顯減弱。大約500nm～750nm光譜是由Ce3+的5d-2FJ(4f)能級(jí)躍遷發(fā)射(黃綠光)及Eu2+離子的4f65d-4f7能級(jí)躍遷發(fā)射(紅光)光譜組成。Ce3+和Eu2+離子分別有效地吸收藍(lán)光,轉(zhuǎn)換成黃綠光和紅光。在IF=20mA下,該白光LED的色品坐標(biāo)x=0.4330,y=0.3946。它們分布在標(biāo)準(zhǔn)2900K的色容差的最內(nèi)圈中,其色容差很小。這個(gè)2989K白光LED的顯色指數(shù)為85。3.3顯色指數(shù)ra90進(jìn)一步增加白光LED中紅色熒光體的比例,使白光LED的發(fā)射光譜中紅成份大大增加,藍(lán)成份大大減弱,可制得2700K色溫的白光LED。這里給出2627K白光LED的一些特性。其色品坐標(biāo)x=0.4596,y=0.4008,它們分布在標(biāo)準(zhǔn)2700K色溫的色容差的外圈邊上。只要調(diào)節(jié)好熒光體配比,滿意的色品坐標(biāo)x和y值是可以控制的。色溫為2627K是屬于2700K白熾燈光色,Ra=85。圖3表示2627K白光LED的發(fā)射光譜,它的性質(zhì)和圖2相同,只是光譜中紅成份多,藍(lán)成份很弱。這個(gè)光譜類似白熾燈的發(fā)射光譜,但沒(méi)有白熾燈的近紅外輻射發(fā)射。依我們的工作,白光LED的顯色指數(shù)Ra≥90是可以實(shí)現(xiàn)的,但光效下降。因此,在應(yīng)用時(shí),應(yīng)依據(jù)要求,既要考慮Ra,又要考慮光效,綜合平衡。4光學(xué)結(jié)構(gòu)與if的關(guān)系4.1線性光明度對(duì)led光通和光效的影響白光LED的光通和光效是實(shí)現(xiàn)照明光源的關(guān)鍵,人們需要認(rèn)識(shí)光通和光效的變化,以便指導(dǎo)確定工作條件。所制作的3390K、2989K及2627K三種低色溫白光LED的光通(?)和光效(η)在不同正向電流IF下的變化曲線分別表示在圖4中。三種色溫的?和η變化規(guī)律相同,即光通呈亞線性增加,趨向飽和,而光效隨IF增加逐漸下降。低色溫白光LED的光通和光效這種變化規(guī)律是與其它色溫的變化規(guī)律是一致的。本工作中,幾種半球?5白光LED在IF=20mA下所獲得的結(jié)果列在表1中?？紤]多種因素,小尺寸芯片(～0.35×0.35mm2)封裝的?5LED一般選在IF=20mA下工作,既可獲得高光通(強(qiáng)),又可獲得較高的光效。4.2色書中多轉(zhuǎn)色容差的變化實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),3390K,2989K和2627K三種低色溫白光LED隨正向電流IF增加,色品坐標(biāo)x和y均逐漸減小。這種變化規(guī)律選用2627K白光LED為代表,在圖5中,用實(shí)心方點(diǎn)表示這種變化規(guī)律,方點(diǎn)變化軌跡繪在2700K色溫的色容差圖中。很明顯,隨IF的增加,色品坐標(biāo)x和y值逐漸減小,越來(lái)越偏移2700K色容差的范圍。因此,器件在使用時(shí)應(yīng)注意。4.3led的染色上述色品坐標(biāo)x和y值隨IF增加而減小,必然導(dǎo)致相關(guān)色溫增加。圖6表示3390K、2989K和2627K三種低色溫白光LED在不同IF工作下的相關(guān)色溫變化規(guī)律。它們的變化是一致的,即隨IF的增加,Tc逐漸增加。實(shí)驗(yàn)還揭示一個(gè)規(guī)律,當(dāng)某一色溫為Tc的白光LED在IF(b)與在IF(a)工作下的相對(duì)色溫差為ΔTc,即ΔTc=Tc[IF(b)]-Tc[IF(a)],b>a;低色溫白光LED的ΔT變化比高色溫白光LED小。色溫越低的白光LED的ΔT變化越小,否則反之。即:ΔTc(2700K)<ΔTc(3450K)<ΔTc(4000K)<ΔTc(6400K)<ΔTc(8000K)??ΔΤc(2700Κ)<ΔΤc(3450Κ)<ΔΤc(4000Κ)<ΔΤc(6400Κ)<ΔΤc(8000Κ)??例如本報(bào)告中2627K白光,IF(a)=5mA時(shí)的色溫Tc為2589K,當(dāng)IF(b)增加到60mA時(shí),色溫變化為2737K。其相關(guān)色溫差ΔTc,反應(yīng)色溫變化的幅度,ΔTc(2700K)=Tc(60mA)-Tc(5mA)=148K;對(duì)2900K來(lái)說(shuō),ΔTc(2900K)=162K;對(duì)3450K來(lái)說(shuō),ΔTc(3450K)=259K。對(duì)更高色溫如6400K,8000K白光LED來(lái)說(shuō),ΔTc的變化更為突出。圖6中三個(gè)色溫變化的幅度(趨勢(shì)),就反映這種變化規(guī)律。白光LED的發(fā)射光譜是由InGaNLED芯片的藍(lán)光電致發(fā)光(EL)光譜和熒光體(這里是由黃綠色和紅色兩種熒光體)的光致發(fā)光(PL)光譜所組成。隨著白光LED的色溫降低,光譜中InGaN芯片發(fā)射的藍(lán)成份逐漸減少,而熒光體的發(fā)光卻占主導(dǎo)地位,如圖1到圖3中所示的變化。熒光體的發(fā)光象PL發(fā)光,與正向電流無(wú)關(guān),而藍(lán)光是InGaN芯片在IF驅(qū)動(dòng)下發(fā)射的,它的性質(zhì)與IF的大小密切相關(guān),在文獻(xiàn)中有詳細(xì)報(bào)告。在不同IF工作時(shí),藍(lán)芯片的發(fā)射光譜、發(fā)射峰、光譜的半高寬(FWHM)和色品坐標(biāo)均發(fā)生變化。在低色溫白光LED中,如2700K,由于光譜中藍(lán)成份所占比例很小,故IF增加所帶來(lái)的色溫變化幅度ΔTc小;而在高色溫白光LED中情況就不同了,帶來(lái)的ΔTc變化很大。5線性相關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)曲線、分光和光柵熒光等特征結(jié)合的特征綜上所述,采用藍(lán)光LED芯片和黃(綠)色及紅色熒光體有機(jī)結(jié)合,可以成功地制作出4000K以下的不同低色溫段,顯色指數(shù)高,色品質(zhì)優(yōu)良的白光LED,其光學(xué)性能符合照明光源CIE的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求。所開發(fā)的3450K、2900K和2700K白光LED的發(fā)射光譜、色品坐標(biāo)、色溫等特性與工作條件有關(guān)。隨著正向電流IF增加,色品坐標(biāo)x和y值逐漸減小,而相關(guān)色溫逐漸增大,發(fā)生色漂移。發(fā)現(xiàn)其表征色溫變化的幅度—相關(guān)色溫差ΔTc,在低色溫白光LED中比高色溫白光LED中小,按順序遞減。這是因?yàn)樵谟筛呱珳氐降蜕珳氐陌坠釲ED的發(fā)射光譜中,與IF密切相關(guān)的藍(lán)光譜成分逐漸減少的緣故。和藍(lán)光及高色