王 晶,白生茂,苗洪利

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100)

一種紅光增強(qiáng)型白光L ED特性研究*

王 晶,白生茂,苗洪利

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,山東青島266100)

通過(guò)對(duì)YAG:Ce3+熒光粉摻雜方案的改進(jìn),引入Pr3+離子,改善了熒光粉發(fā)光特性,使白光L ED發(fā)光光譜在610 nm處出現(xiàn)發(fā)射峰,紅光成分增強(qiáng)。通過(guò)1 400 h左右老化實(shí)驗(yàn),熒光粉發(fā)射峰的2個(gè)主峰強(qiáng)度變化表明:當(dāng)Pr3+濃度增大到一定程度,熒光粉穩(wěn)定性下降;色度變化表明:2種配比熒光粉的L ED色偏移量均<0.015,具有很好的色度穩(wěn)定性。

紅光;白光L ED;穩(wěn)定性;色坐標(biāo)

1994年日亞化學(xué)工業(yè)的中村修二,成功的研制出藍(lán)光、綠光發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED),并且利用熒光粉轉(zhuǎn)化法,于1997年生產(chǎn)出世界上第一顆白光L ED[1-2]。白光LED以其效率高、功耗小、壽命長(zhǎng)、固態(tài)節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn),被認(rèn)為是“綠色照明光源”,預(yù)計(jì)將成為繼白熾燈、熒光燈之后的第三代照明光源,具有巨大的發(fā)展?jié)摿3-6]。

熒光粉轉(zhuǎn)換法實(shí)現(xiàn)白光是目前應(yīng)用最廣泛的方法[7]。這種方法主要是利用芯片產(chǎn)生的藍(lán)光去激發(fā)YAG:Ce3+黃色熒光粉來(lái)匹配出白光,因此這種白光光譜紅光成分不足。為解決以上問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究,其中以摻雜方案里加入Pr3+離子,最為理想。Yum Jun-Ho等人,在摻雜方案里加入Pr3+離子,但是Pr3+產(chǎn)生發(fā)射峰的強(qiáng)度不高,也沒(méi)有對(duì)其穩(wěn)定性加以研究[4]。國(guó)內(nèi)廈門(mén)大學(xué)陳都等人,也進(jìn)行了摻雜方案中加入Pr3+離子的實(shí)驗(yàn),采用高溫固相法效果良好,但沒(méi)有封裝出L ED進(jìn)行光度、色度的研究。

本文研究的主要內(nèi)容就是:從熒光粉方面,解決白光LED紅光成分不足這一問(wèn)題,摻雜方案里加入Pr3+離子,采用高溫固相法合成紅光增強(qiáng)型的熒光粉,并用其封裝出新型白光LED,進(jìn)行老化實(shí)驗(yàn),對(duì)白光LED色度穩(wěn)定性開(kāi)展研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 熒光粉的制備

目前國(guó)內(nèi)外制備熒光粉的方法主要有:高溫固相法、溶膠-凝膠法、共沉淀法和燃燒法等。本實(shí)驗(yàn)采用高溫固相法,其優(yōu)點(diǎn)是工藝流程簡(jiǎn)單,不需復(fù)雜的設(shè)備,可制備出小顆粒熒光粉,適合于工業(yè)批量生產(chǎn)。

以高純度的Al2O3、Y2O3、CeO2、Pr2O3為原料,按照一定的比例配比,充分?jǐn)嚢杌旌?。將原料混合物裝入剛玉坩堝中,置于1 500℃高溫爐,還原氣氛,燒結(jié)數(shù)小時(shí),冷卻后經(jīng)過(guò)后處理,得到熒光粉樣品。按照熒光粉組分及配比的不同,分為3種熒光粉樣品,樣品(a)YAG:Ce3+,樣品(b)YA G:CePr0.006樣品,(c)YAG:CePr0.03。

1.2 LED的封裝及測(cè)試

用購(gòu)置的GaN基藍(lán)光芯片,和以上3種熒光粉封裝白光LED,采用涂敷法,得到3種白光L ED分別是:用熒光粉YAG:Ce3+封裝的白光LED(簡(jiǎn)稱樣品A);用熒光粉YAG:CePr0.006封裝的白光L ED(簡(jiǎn)稱樣品B);用熒光粉YAG:CePr0.03封裝的白光LED(簡(jiǎn)稱樣品C)。對(duì)白光L ED進(jìn)行取樣后,直流20 mA驅(qū)動(dòng),室溫環(huán)境點(diǎn)亮1 400 h,用PR650光譜光度/色度計(jì),每隔24 h測(cè)試1次,測(cè)量白光LED的發(fā)光光譜和色坐標(biāo)變化情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 白光L ED的光譜

為了與YAG:Ce3+熒光粉光譜特性對(duì)比,測(cè)量了3種樣品的白光L ED發(fā)射光譜如圖1所示。圖1中曲線A有2個(gè)波峰,分別在460,540 nm。曲線B和C有3個(gè)波峰,分別在460,540和610 nm。相比,曲線B和C在610 nm處有明顯的發(fā)射峰,而曲線A卻沒(méi)有,這就是新型熒光粉中摻入Pr3+所致;雖然B和C都摻入Pr3+,但是,C的摻雜濃度比B大。圖1中610 nm處,C的峰值強(qiáng)度比B的峰值強(qiáng)度大,可見(jiàn)這個(gè)發(fā)射峰的強(qiáng)度隨Pr3+濃度的增加變強(qiáng)。用摻Pr3+熒光粉封裝出的白光L ED紅光部分得到加強(qiáng),色度發(fā)生改變。

圖1 白光L ED的光譜樣品A,B,CFig.1 Spectra of the white L EDs sample A,B,C

2.2 白光LED的光衰

由圖1看出,白光LED光譜由藍(lán)光與黃光組成,這兩部分分別代表芯片和熒光粉的發(fā)射光譜。大量研究資料表明,影響LED光衰的因素很多,主要有:藍(lán)光芯片質(zhì)量好壞,熒光粉穩(wěn)定性,封裝材料等[8-9]。本文只對(duì)熒光粉穩(wěn)定性進(jìn)行研究,暫不考慮其它因素對(duì)光衰的影響。研究過(guò)程中,通過(guò)分析白光LED發(fā)光光譜中540和610 nm處2峰值點(diǎn)強(qiáng)度變化,反映熒光粉引起的光衰。即光衰η為:

其中I表示光譜中某一峰值點(diǎn)處初始強(qiáng)度,It表示光譜中該峰值點(diǎn)處t時(shí)刻的強(qiáng)度。

圖2 樣品B的光衰Fig.2 Luminous decay of sample B

通過(guò)對(duì)樣品B在540和610 nm處光強(qiáng)測(cè)量,其光衰如圖2中曲線a、b。可以看出2條曲線變化趨勢(shì)基本一致,初期衰減幅度較大,這是初期不穩(wěn)定造成;400 h以后光衰基本穩(wěn)定,變化較小;而且610 nm處光衰變化,與540 nm處光衰變化基本相同,說(shuō)明加入Pr3+之后產(chǎn)生的發(fā)射峰,穩(wěn)定性較好。陳靜波等人,對(duì)YAG:Ce3+這種熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性研究,也得出YAG:Ce3+熒光粉初期衰減變化較大,后期變化基本穩(wěn)定的結(jié)論[10-11],從而說(shuō)明樣品B使用的熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性和YAG:Ce3+沒(méi)有差別,即0.006 mol Pr3+摻入沒(méi)有影響到熒光粉穩(wěn)定性。

圖3 樣品C的光衰Fig.3 Luminous decay of sample C

通過(guò)對(duì)樣品C在540和610 nm處光強(qiáng)測(cè)量,其光衰如圖3中曲線c和d。在初期100 h,衰減幅度較大,2個(gè)峰值處的衰減基本相同;然后隨著白光LED點(diǎn)亮?xí)r間增加,2個(gè)峰值處的衰減產(chǎn)生差異,400 h以后光衰變化較小,但是610 nm處光衰明顯比540 nm光衰嚴(yán)重,結(jié)合圖2可知摻入0.03 mol Pr3+會(huì)影響熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性,也就是當(dāng)Pr3+的量增加到一定程度,熒光粉的穩(wěn)定性就會(huì)下降。

2.3 白光L ED的色坐標(biāo)變化

圖4是樣品B,C色品坐標(biāo)(CIE1931)隨時(shí)間變化情況。通過(guò)1 400 h老化,樣品B和C色偏移量均小于0.015,色偏移較小,而且色坐標(biāo)的變化基本呈線性?？梢?jiàn)本實(shí)驗(yàn)中樣品的色偏移主要是由于藍(lán)光衰減引起的,熒光粉性能比較穩(wěn)定,沒(méi)有影響到白光LED色度穩(wěn)定性。這種紅光增強(qiáng)型白光LED不僅光譜成分增加紅光,而且色度穩(wěn)定性良好,具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 白光L ED的色坐標(biāo)隨時(shí)間變化Fig.4 CIE1931-xyColor coodinate varied with time for white L EDs

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究了紅光增強(qiáng)型白光LED的發(fā)射光譜和色度,通過(guò)對(duì)熒光粉摻雜方案的改進(jìn),引入Pr3+離子,使白光LED光譜在610 nm處出現(xiàn)發(fā)射峰;通過(guò)1 400 h老化實(shí)驗(yàn),熒光粉發(fā)射峰的2個(gè)主峰強(qiáng)度變化表明:使用YAG:CePr0.006這種熒光粉的白光LED,610 nm處光衰與540 nm處光衰變化情況相同,使用YAG:CePr0.03這種熒光粉的白光LED,610 nm處光衰比540 nm處光衰大,說(shuō)明熒光粉的穩(wěn)定性受Pr3+摻入量影響,當(dāng)Pr3+的量增加到一定值,熒光粉穩(wěn)定性下降。用這兩種配比熒光粉的LED色偏移量均<0.015,具有很好的色度穩(wěn)定性,應(yīng)該是一種理想的開(kāi)發(fā)產(chǎn)品。

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The Properties of a Red Spectral Intensity Enhanced White Light Emitting Diodes

WANGJing,BAI Sheng-Mao,MIAO Hong-Li
(Institute of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

YAG:Ce3+Phosphor doping program was improved by doping Pr3+ions.For the radiate property was improved,red spectral intensity of the white LEDs was enhanced and produced a emission peak at about 610 nm.After 1 400 hours aging test,phosphor emission peak intensity changes indicated that when the Pr3+concentration increased to a certain extent,the stability of phosphors droped.Color coodinate changes indicated that L ED’s color coodinate drift with these two ratio phosphors was less than 0.015 and had good color stability.

red light;white LEDs;stability;colour coodinate

O482.31

A

1672-5174(2010)09-128-03

2009-11-03;

2010-02-11

王 晶(1962-),女,博士,教授,主要從事發(fā)光材料方面的研究。Tel:0532-66781202,E-mail:wjing@ouc.edu.cn

責(zé)任編輯 陳呈超