低色温高显色性白光LED的研究

　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，各国也纷纷发布禁售的进程，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<5,000K）时，由于白光LED光谱的不均衡使得人们在技术上难以同时实现低色温和高显色性[1-3].

　　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.

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　　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.

　　这种方法的优点是：（1）在低色温情况下，显色指数高；（2）光色与色温可调。其缺点是：（1）高发光效率的功率型近紫外LED芯片不容易制作，价格昂贵；（2）封装材料（如硅胶等）在紫外光的照射下容易老化，寿命缩短；（3）近紫外激发的RGB荧光粉光转换效率不高；（4）存在紫外线泄漏的安全隐患。

　　1.3蓝光LED芯片激发荧光粉

　　1.3.1 蓝光LED激发单色荧光粉

　　目前，白光LED主流的制备方法是蓝光LED芯片激发YAG:Ce3+黄色荧光粉。郑代顺等人[11]采用蓝光LED分别激发两种单色黄色荧光粉YAG:Ce3+,得到的白光LED的Tc和Ra分别为5,000K、64.6和4,000K、69.3,但其器件的光通量Φ和发光效率η达到了27.7 lm、23.98 lm/W和25.5 lm、22.91 lm/W.该方法的优点是可获得光通量和发光效率较高的白光；缺点是难以得到低色温高显色性的白光，由于光谱中缺少红光成份，所以色温高而显色性差。目前，蓝光LED芯片和YAG:Ce3+黄色荧光粉混合的方案难以实现在4,000K以下的低色温且Ra>80高显色性的白光LED[12].

　　1.3.2 蓝光LED激发双色荧光粉

　　郑代顺等人[11]采用蓝光LED芯片激发黄色和红色荧光粉得到的白光LED的Tc和Ra分别为3,200 K和83.2,但由于目前红色荧光粉的转换效率较低，在同样的工作电流下，器件的Φ和η只有14.1 lm和12.72 lm/W.吴海彬等人[13]采用红、绿两种荧光粉通过蓝光LED激发制成1W白光LED,并通过合理匹配红、绿荧光粉和硅胶三者之间的比例，可以实现在2,700~13,000K之间的任一色温区，显色指数均能达到90以上，在4,000K以下的低色温区，显色指数可以达到96.但是在4,000K以下的低色温区，其发光效率较低，且<20 lm/W,这是因为红、绿荧光粉转换效率较低。Rong-Jun Xie等人[14]采用蓝光LED芯片激发Ca0.995Yb0.005Si9Al3ON15和Sr2Si5N8:Eu2+两种氮氧化物/氮化物荧光粉获得了色温可调（2,700~6,700K）、显色指数较高（82~83）的白光。同样该方法的缺点是粉体的转换效率不高，发光效率有待提高。

　　1.3.3蓝光LED激发三色荧光粉

　　Naoki Kimura等人[15]采用蓝光LED芯片激发β-SiAlON:Eu绿色荧光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黄色荧光粉和CaAlSiN3:Eu红色荧光粉，获得了色温从冷白到暖白可调、显色指数为80的白光。该方法的优点是可以通过调整三种荧光粉的比例来获得一定范围的可调色温；缺点是荧光粉的转换效率不高，粉体不易混合等。

　　1.3.4蓝光LED激发四色荧光粉

　　Naoki Kimura等人[15]通过蓝光LED激发四种混合的氮氧化物/氮化物荧光粉（β-SiAlON:Eu绿色荧光粉、Ca-α-SiAlON:Eu黄色荧光粉、CaAlSiN3:Eu红色荧光粉和BaSi2O2N2:Eu碧蓝荧光粉）制备出在宽范围波动的色温下（2,900~7,000K）高显色指数（95以上）的白光LED.特别是获得了色温Tc为2,900K和显色指数Ra为98的白光LED,而且光效也较高，达28 lm/W.这是通过调节四种荧光粉的比例来获得的不同色温下不同显色指数的白光LED.

　　采用蓝光LED激发四种混合的氮氧化物/氮化物荧光粉，其优点是可以在低色温的情况下获得较高显色指数的白光LED,且色温可调，缺点是该方法所采用的荧光粉制备技术不成熟，且多种粉体混合较为困难。

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　　1.3.5 红光LED补偿法

　　郑代顺等人[11]用GaN基倒装焊大功率蓝光LED激发黄色荧光粉，同时采用AlGaInP高亮度小功率红光LED芯片进行补偿来制备大功率白光LED,得到的白光的Tc和Ra分别为3,450K和93.9,器件的Φ和η为26.6 lm和19.42 lm/W,远远高于前面提到的采用蓝光LED同时激发黄色和红色两种荧光粉得到的器件水平，这是因为避开了低效率红色荧光粉的使用。此方法的缺点在于必须对蓝光和红光芯片的工作电流分别加以控制，以调整蓝、黄和红三色光的比例，从而得到高Ra白光，导致驱动电路相对复杂。此外，由于蓝光芯片、荧光粉和红光芯片构成的是相对独立的发光体，就单个器件存在空间颜色不均匀的问题，这一问题可以通过适当的阵列排布方式来解决。目前，红光LED芯片补偿法在LED器件封装中较少使用，在高档室内灯具如筒灯设计中往往采用红光LED（指单灯）补偿法制造低色温高显色性的节能灯具。采用红光LED补偿法得到的筒灯，其相关色温和显色指数值如表1所示，从表1中可以看出，加了红光LED后，显色性提高，且色温值也较低。

　　2 低色温高显色性白光LED光色参数分析及其制备

　　2.1 低色温白光LED光色参数测试与分析

　　实验抽验了国内不同LED封装厂的低色温（3,000~3,300K）白光样品1、样品2,采用PMS-80紫外可见光近红外光谱分析系统测试并记录了样品的色温、显色指数、色比等光色参数。如表2所示，样品1单颗光通量高达87.406 lm,但显色指数不足50;样品2光通量仅有22.832 lm,但显色指数将近90.

　　如图1所示，样品1显色指数较低主要是因为：R8（亮浅红-紫色）、R9（深红色）、R11（浓绿色）、R12（浓蓝色）的值均较低，尤其是R9（深红色）的值为0,说明光谱中缺少红光和蓝偏绿的光，可以通过加入激发光谱与所选择的蓝光LED的发射光谱相匹配的红色荧光粉和绿色荧光粉来提高显色性。

　　如图2所示，白光LED样品的光谱图中，样品1的蓝光能量比样品2要小，且黄光光谱部分相对偏向黄橙波段，也就是说红光能量相对较低，所以显色性较差。

　　2.2低色温高显色性白光LED的制备

　　实验采用国外瓦级InGaN基蓝光LED芯片制备低色温高显色白光LED,在已固晶焊线后的芯片上涂敷按一定比例调配好的荧光粉和硅胶的混合物，并烘烤使其固化。采用杭州远方LED300测试样品的光色参数，如表3所示。

　　如表3所示，白光光谱的红色部分在初始老化时期有较明显的衰减现象，光谱的变化导致色坐标的漂移，使得色温上升。而荧光粉效率的降低也导致了光通量和发光效率的下降。在500hrs后，衰减现象逐步减缓。

　　如图3所示，在低色温高显色性大功率LED老化过程中，红色部分衰减较为明显（600~780nm），红色比从24.5%下降到19.3%,但从表3中可以看出显色指数仍保持80以上，满足照明的需求。

　　3 结论

　　本文论述了低色温高显色性白光LED的制备方法，包括：（1）RGB三基色芯片混合成白光；（2）近紫外LED芯片激发RGB荧光粉；（3）蓝光LED芯片激发荧光粉；（4）红光LED芯片补偿法等，重点分析了低色温高显色性白光LED的光色电参数，指出了低色温高显色性白光LED制备技术的难点，并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.