李雅飛 褚陳柯 朱紅梅 譚永勝

(紹興文理學(xué)院 光電子材料與技術(shù)研究所,浙江 紹興312000)

紅色及橙色熒光粉添加對(duì)白光LED光學(xué)特性的影響

李雅飛 褚陳柯 朱紅梅 譚永勝

(紹興文理學(xué)院 光電子材料與技術(shù)研究所,浙江 紹興312000)

采用熒光分光光度計(jì)測(cè)量不同種類熒光粉樣品的光譜特性,分析橙色及紅色熒光粉的添加對(duì)白光LED光學(xué)特性的影響.室溫光致發(fā)光測(cè)量表明,橙色及紅色熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度明顯弱于黃綠色熒光粉,其峰值強(qiáng)度分別只有黃綠色熒光粉峰值強(qiáng)度的21.5%和7.2%.在黃綠色熒光粉中添加20%含量的橙色或紅色熒光粉后,樣品在綠光波段的發(fā)光強(qiáng)度大幅下降,而在橙、紅光波段的發(fā)光強(qiáng)度變化很小,表明白光LED顯色性的提高主要是綠光強(qiáng)度的下降導(dǎo)致的.掃描電子顯微鏡測(cè)量表明,黃綠色熒光粉為粒徑10μm左右的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒.因此,橙色及紅色熒光粉對(duì)入射藍(lán)光的反射光強(qiáng)度分別是黃綠色熒光粉的3.01倍和3.23倍,這是其光致發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)小于黃綠色熒光粉的主要原因.

紅色熒光粉;白光LED;光致發(fā)光

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,環(huán)境污染和能源消耗問(wèn)題日益嚴(yán)重,節(jié)能環(huán)保的照明方式受到各國(guó)政府和業(yè)界的極大關(guān)注.LED(發(fā)光二極管)由于具有能耗少、體積小、壽命長(zhǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),被稱為第四代照明技術(shù),將在未來(lái)成為全球最主要的照明方式[1-3].目前獲得白光LED的主流方法是采用藍(lán)光LED晶片激發(fā)YAG(Y3Al5O12:Ce3+)等黃色熒光粉,由晶片發(fā)出的藍(lán)光和藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃光混合來(lái)實(shí)現(xiàn)白光[4-5].由于光譜中紅色成分較少,這種方法制備的白光LED色溫偏高,且顯色性很差,顯色指數(shù)一般只能達(dá)到75左右.隨著LED在室內(nèi)照明的快速推廣,低色溫、高顯色性白光LED的開(kāi)發(fā)成為L(zhǎng)ED領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[6-7].

為提高白光LED的顯色性并降低色溫,一種簡(jiǎn)單的方法是在封裝過(guò)程中,在黃色熒光粉中添加一定比例的紅色或橙色熒光粉成分[8].Lin等人即通過(guò)這種方法獲得了顯色指數(shù)為 93,色溫為3007K的白光LED[9].但是,這樣封裝的白光LED在顯色性提高的同時(shí),發(fā)光效率卻大幅下降,目前市場(chǎng)上的普通白光LED的發(fā)光效率在120lm/W以上,而高顯色性白光LED的發(fā)光效率一般不超過(guò)90lm/W,這成為阻礙其發(fā)展的重要因素.本文通過(guò)分析不同種類和配比熒光粉的光譜特性和微觀結(jié)構(gòu),系統(tǒng)地研究紅色及橙色熒光粉的添加對(duì)白光LED光學(xué)特性的影響,探究同時(shí)提高白光LED顯色性和發(fā)光效率的方法.

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取目前被國(guó)內(nèi)封裝廠商廣泛使用的三種商用熒光粉樣品,其中黃綠色熒光粉成分為YAG,橙色及紅色熒光粉為氮化物.采用熒光分光光度計(jì)(型號(hào):日立F7000)測(cè)量熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,激發(fā)光為453nm的藍(lán)光.通過(guò)對(duì)比入射不同樣品后反射光的強(qiáng)度,分析熒光粉樣品的反射特性.采用精確稱量不同質(zhì)量的熒光粉樣品并充分?jǐn)嚢杌旌?來(lái)獲得不同比例的混合熒光粉樣品,通過(guò)測(cè)量其光致發(fā)光光譜來(lái)分析紅色及橙色熒光粉的添加對(duì)白光LED光學(xué)特性的影響.采用掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)量熒光粉樣品的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌.

2 結(jié)果與討論

圖1是不同種類熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,其中激發(fā)光為453nm的藍(lán)光.從圖中可以看出,三種熒光粉的發(fā)光峰位分別位于 541nm、602nm和627nm,而且橙色及紅色熒光粉的發(fā)光效率明顯弱于黃綠色熒光粉的發(fā)光效率,其峰值強(qiáng)度分別只有黃綠色熒光粉峰值強(qiáng)度的21.5%和7.2%.從圖1可知,黃綠色的YAG熒光粉為寬帶發(fā)光,其發(fā)射光譜的半高寬約為100nm,因此光譜中也含有較多的橙色及紅色光成分.由于在藍(lán)光激發(fā)下橙色及紅色熒光粉的發(fā)光效率較低,橙色熒光粉的峰值強(qiáng)度仍然比黃綠色熒光粉在602nm處的發(fā)光強(qiáng)度低,而紅色熒光粉的峰值強(qiáng)度僅略高于黃綠色熒光粉在627nm處的發(fā)光強(qiáng)度.這表明,在熒光粉總量保持不變的情況下,橙色及紅色熒光粉的添加并不能有效增強(qiáng)白光LED在相應(yīng)波段的光通量.

圖1 不同種類熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜(a)黃綠色熒光粉(b)橙色熒光粉(c)紅色熒光粉

圖2給出了黃綠色熒光粉及含20%含量橙色或紅色熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,激發(fā)光波長(zhǎng)為453nm.從圖中可以看出,隨著橙色及紅色熒光粉的添加,樣品在綠光波段的發(fā)光強(qiáng)度大幅下降,而在橙、紅光波段的發(fā)光強(qiáng)度變化很小.相應(yīng)地,光譜中630nm處紅光與541nm處綠光的發(fā)光強(qiáng)度比值I紅/I綠增加了約20%.由于白光LED中紅光和綠光成分均由熒光粉發(fā)出,因此,在黃綠色熒光粉中添加一定比例的橙色或紅色熒光粉,能相應(yīng)增加白光LED中紅光成分所占的比例,從而可以提高白光LED的顯色指數(shù),降低色溫,但這主要是由綠光光強(qiáng)的降低所致.

圖2 黃綠色熒光粉及含20%橙色或紅色熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜激發(fā)光波長(zhǎng)為453nm(a)黃綠色熒光粉(b)含20%橙色熒光粉(c)含20%紅色熒光粉

照明理論表明,人眼對(duì)不同波長(zhǎng)可見(jiàn)光的感應(yīng)強(qiáng)度是不一樣的[10].白天人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的黃綠光感應(yīng)強(qiáng)度最高,而對(duì)紅光和藍(lán)光的感應(yīng)強(qiáng)度較低,通常630nm處紅光的感應(yīng)強(qiáng)度只有555nm處黃綠光的26.5%.因此,當(dāng)白光中紅光或藍(lán)光強(qiáng)度增加,而綠光強(qiáng)度下降時(shí),人眼感覺(jué)的亮度會(huì)相應(yīng)下降,這被認(rèn)為是高顯色性光源光效較低的原因.我們的數(shù)據(jù)分析表明,對(duì)于白光LED,橙色及紅色熒光粉的添加,并不會(huì)導(dǎo)致白光中紅光強(qiáng)度的明顯增加,雖然LED顯色性和色溫可以獲得改善,但這要以綠光強(qiáng)度的單方面大幅下降為代價(jià),因此導(dǎo)致LED的發(fā)光效率降低很多.

為進(jìn)一步分析橙色及紅色熒光粉光致發(fā)光強(qiáng)度較低的原因,我們測(cè)量了不同熒光粉樣品的反射光譜和顆粒形貌.圖3所示為不同熒光粉樣品對(duì)453nm藍(lán)光的反射光譜.從中可以看出,橙色及紅色熒光粉樣品對(duì)藍(lán)光的反射能力很強(qiáng),其反射光強(qiáng)度分別為黃綠色熒光粉反射光強(qiáng)度的3.01倍和3.23倍.由于熒光粉需要通過(guò)吸收入射的藍(lán)光來(lái)獲得能量,再通過(guò)能級(jí)躍遷發(fā)出相應(yīng)波長(zhǎng)的光,如果入射到熒光粉表面的藍(lán)光被大量反射回去無(wú)法利用,必然導(dǎo)致其光致發(fā)光強(qiáng)度較低.圖4所示為不同熒光粉樣品的掃描電子顯微鏡照片,從中可以看出,黃綠色熒光粉的顆粒尺寸較大,粒徑約為10μm左右,且均為形狀較為規(guī)則的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒.當(dāng)光入射到樣品表面時(shí),球形顆粒能盡量減少對(duì)入射光的直接反射,而片狀的顆粒表面會(huì)形成很好的“鏡面”,將大量的入射光反射回去.研究也表明[11],由大量熒光粉顆粒組成的系統(tǒng)會(huì)對(duì)光產(chǎn)生較強(qiáng)的散射,隨著顆粒直徑的減小,向后散射的光逐漸增強(qiáng).因此,獲得大的球形顆粒形態(tài)的橙色及紅色熒光粉是提高其光致發(fā)光強(qiáng)度的重要途徑,也是同時(shí)提高白光 LED顯色指數(shù)和發(fā)光效率的關(guān)鍵.

圖3 不同熒光粉樣品對(duì)453nm藍(lán)光的反射光譜(a)黃綠色熒光粉(b)橙色熒光粉(c)紅色熒光粉

3 結(jié)論

采用熒光分光光度計(jì)測(cè)量了不同種類熒光粉樣品的光譜特性,分析了橙色及紅色熒光粉的添加對(duì)白光LED光學(xué)特性的影響.結(jié)果表明,橙色及紅色熒光粉的光致發(fā)光強(qiáng)度明顯弱于黃綠色熒光粉,其峰值強(qiáng)度分別只有黃綠色熒光粉峰值強(qiáng)度的21.5%和7.2%.橙色及紅色熒光粉的添加,并不會(huì)導(dǎo)致白光中紅光強(qiáng)度的明顯增加,雖然LED顯色性和色溫可以獲得改善,但這要以綠光強(qiáng)度的單方面大幅下降為代價(jià),因此導(dǎo)致LED的發(fā)光效率降低很多.黃綠色熒光粉為粒徑10μm左右的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒,導(dǎo)致其對(duì)入射藍(lán)光的反射光強(qiáng)度分別是黃綠色熒光粉的3.01倍和3.23倍,因而光致發(fā)光效率較低.我們認(rèn)為,獲得大的球形顆粒形態(tài)的橙色及紅色熒光粉是提高其光致發(fā)光強(qiáng)度的重要途徑,也是同時(shí)提高白光LED顯色指數(shù)和發(fā)光效率的關(guān)鍵.

圖4 不同熒光粉樣品的掃描電子顯微鏡照片

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The Effect of Red and Orange Phosphors on White LED Optical Properties

Li Yafei Chu Chenke Zhu Hongmei Tan Yongsheng

(Institute of Optoelectronic Materials and Technology,Shaoxing University,Shaoxing,Zhejiang 312000)

The spectral characteristics of different species of phosphors samples were measured by Fluorescence Spectrophotometer,and the effects of the orange and red phosphors on thewhite LED optical propertieswere analyzed.Photoluminescence(PL)in room temperature reveals that the luminous intensity of orange and red phosphors is significantly weaker than that of yellow-green phosphors,with the respective peak intensity of only 21. 5%and 7.2%compared with that of the yellow-green phosphors.The luminous intensity in the green band drops significantly by adding 20%of the contentof orange or red phosphors in yellow-green phosphor,while the emission intensity of orange and red band changes very little.It indicates that the improvement ofwhite LED color rendering index ismainly due to the decrease of the green band's intensity.Scanning Electron Microscopy

(SEM)shows that the yellow-green phosphors are of spherical particle size about10μm,and the orange or red phosphors are of the smaller particle size and more for the tabular grains.Therefore,the orange and red phosphors'intensity of reflected light is respectively 3.01 times and 3.23 times that of yellow-green phosphors(the incident lightwas blue),which is themain reason that the photoluminescence intensity ismuch smaller than that of the yellow-green phosphors.

red phosphor powder;white LED;photoluminescence

O433.4

A

1008-293X(2015)08-0018-04

(責(zé)任編輯 王海雷)

10.16169/j.issn.1008-293x.k.2015.08.03

2015-04-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61405118);浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ13A040004).

李雅飛(1993-),女,浙江臺(tái)州人,微電子學(xué)專業(yè),主要研究方向?yàn)楣怆娮硬牧?/p>