利用宇极荧光粉制作高显色性白光LED方案初探

1.引言

在能源日趋紧张的今天，相对于传统的荧光灯和白炽灯，白光LED作为一种新型的照明光源具有节能、环保、响应时间短、寿命长等显著的优势。当前LED产业正在迅速发展，发光效率逐年上升，价格逐年下降，预计到2012年左右，白光LED即可代替荧光灯和白炽灯，进入家庭照明的市场。制作白光LED的方法主要有以下五种[4]。
① 采用蓝色芯片配合黄色荧光粉如钇铝石榴石（YAG），通过芯片发出的蓝光和荧光粉发出的黄光通过补色原理混合产生白光。
② 采用蓝色芯片配合红、绿荧光粉，通过通过芯片发出的蓝光和荧光粉发出的红光、绿光混合获得白光。
③ 在紫外光芯片上涂上可以发出红、绿、蓝光的荧光粉，利用紫外光激发荧光粉产生三基色光混色形成白光。
④ 采用红、绿、蓝色芯片或多个器件发光混色成白光，或者用蓝+黄色双芯片通过补色原理混色产生白光。
⑤ 白光芯片，即在同一外延片内依次沉积出能发出不同颜色的光的多层量子阱结构。
前三种方式都是采用芯片加荧光粉的方法获得白光，第一种方法为日亚化学最早所采用，也是当前最常用的白光LED制作方法，即黄色荧光粉+蓝光芯片方案制作白光LED，也称为二元白光LED。这种方法制造的白光LED其典型光谱图如下图所示。



图2为太阳光的光谱，观察太阳光光谱，可以发现除了蓝光波段能量稍低外，在可见光范围内太阳光光谱连续而均衡，因此无论照射在什么颜色的物体上，物体反射到观察者视网膜中的光的光谱都具有足够的强度。因此太阳光的显色指数为100，同太阳光光谱相比，图1所示的二元白光光谱是不连续光谱，在700nm以后强度几乎为0。在630nm-700nm处的红光区域和490nm附近的蓝绿光区域也相对较弱，因此其显色指数比较低。当这种光照射到红颜色物体上时，只会显示暗红色或黑色，不能如实反映出物体本身的颜色，因此在照明上的应用将会收到很大的限制。而高显色性光源在博物馆、外科手术等特殊照明场更是必不可少的，而且随着人们生活水平的提高，普通的家用照明对显色性以及色温都有了越来越高的要求。因此无论是从学术，还是从应用角度，发展高显色性白光特别是低色温高显色性白光LED都具有十分重要的意义。

 

2.  通过荧光粉提高显色指数在白光LED上的具体实现 

通过以上分析，理想情况下，我们可以使用蓝光芯片+绿色荧光粉+红色荧光粉的方法使光谱覆盖整个可见光区域，合成高显色白光，但是由于目前绿粉的效率要低于黄粉，且半峰宽也不够宽，所以，我们采用在二元（即蓝光芯片加黄色荧光粉）白光LED的基础上补足红色部分及490nm附近的蓝绿光部分，即添加红色荧光粉和蓝绿色荧光粉的方法来提高显色性的方法最为可行。
图5是北京中村宇极科技有限公司所开发的几款主要的LED荧光粉在460nm蓝光激发下的发射光谱图，其中ZYP550、ZYP560为高效的铝酸盐黄色荧光粉，而ZYP500、ZYP540、ZYP630和ZYP650为新型的氮氧化物绿色、红色荧光粉，这些新型荧光粉的出现，大大拓展了白光LED的光谱范围，为开发高显色性白光LED创造了条件。

表2是这些荧光粉的一些光谱特性。这些荧光粉的发射峰从495nm一直到640nm，再加上芯片发出的光，几乎涵盖了整个可见光的区域（400~780nm），因此通过这些荧光粉的合理搭配有望开发出高显色性的白光LED。
表2  上述各款荧光粉发射峰峰值和带宽

  以下是一些常用红粉与氮氧化物红粉在相同的质量百分比下封装成LED成品的光谱图比较：

由图5可以看出，ZYP500波峰值在495nm附近，能很好的填补图1中490nm处蓝绿色的薄弱部分。由图6可见，相对于其它红粉，ZYP650粉发射波峰在640nm，量子效率高，而且半峰宽较宽，能很好的覆盖长波段范围的红光部分，是制作高显色性暖白光的最佳选择，需要注意的是，ZYP650粉的激发波长是254-530nm，混合其它粉使用时，它会吸收一部分由其他荧光粉发出的蓝、绿光，所以当ZYP650粉的添加量增多时，应适当的在混合粉中ZYP500和ZYP540的量。
以下直接用550代表ZYP550，余类推。
黄光部分使用的荧光粉有550和540两种选择。540波形较窄，550波形较宽，若单独使用540粉混合少量的650制作高显色冷白光，则会使600nm处光谱强度偏低，降低显色性。若单独使用550粉混合较多的650制作暖白光，则会使600nm处光谱强度过高，也会降低显色性。因此我们可以混合这两种粉，通过适当的调整540与550的比例来调整黄粉发射谱的半峰宽，用来适应不用浓度的650。

根据以上推测，我们封装了一系列含有不同比例混合粉的φ5炮弹型LED，在20mA恒流下测试了这些LED的色温、色坐标和显色指数，将这些数据列在下表中。

表3  各实验显色指数测试数据

配方	编号	CIE x	CIE y	色温(K)	Ra	R1	R2	R3	R4	R5	R6	R7	R8	R9	R10	R11	R12	R13	R14	R15
550	1#	0.2891	0.2976	8723	78.4	78	82	81	79	77	73	87	71	-1	54	75	43	79	89	76
	2#	0.3198	0.3562	6026	72.2	67	77	85	70	68	69	85	56	-40	46	66	39	69	91	60
	3#	0.2993	0.3204	7395	76.8	74	82	84	75	74	74	87	65	-17	54	71	44	76	91	70
500-540-550- 650 =3-3-3-1	1#	0.3241	0.3223	5924	92.0	95	95	95	89	92	91	90	89	83	94	89	70	97	99	96
	2#	0.3496	0.3473	4809	91.0	93	99	95	86	90	93	89	84	66	97	85	67	96	98	92
	3#	0.3109	0.3035	6873	90.4	91	91	95	88	90	88	89	91	91	87	90	69	91	99	90
500-540-550- 650 =5-4-8-2	1#	0.3425	0.3353	5048	92.4	95	96	95	91	94	91	90	88	78	94	91	75	97	98	97
	2#	0.3685	0.3652	4265	90.4	90	97	97	87	89	92	90	81	55	91	85	70	93	99	88
	3#	0.3836	0.387	3990	87.5	86	94	97	82	85	91	89	75	40	86	81	67	88	99	82
500-540-550- 650 =5-4-8-3	1#	0.3844	0.3557	3715	91.5	96	95	92	90	95	91	88	85	76	93	89	76	98	97	97
	2#	0.4084	0.3769	3314	90.4	92	98	94	87	92	94	88	79	57	96	85	80	94	98	90
	3#	0.4257	0.3883	3065	88.4	88	97	95	84	88	94	87	74	48	92	82	79	91	98	86
500-540-550- 650 =5.5-5-8-3	1#	0.3575	0.3323	4410	91.2	94	91	92	91	93	88	89	92	93	86	91	71	93	97	94
	2#	0.3890	0.3582	3611	91.9	97	94	92	91	96	91	88	87	80	91	91	77	97	96	98
	3#	0.3800	0.3555	3840	92.5	96	97	94	90	94	92	90	86	75	96	89	75	98	98	97

(注：使用的芯片峰值波长为450-455nm)
由表中数据可以看出，相对于只用550封装的白光，除了代表紫色的R7外，添加了500和650的白光的R1-R15均有大幅提升，平均显色指数基本都超过了90，这是因为Ry显著提升的原因。虽然R9、R12的提升与Ry无关，但是两种粉的添加显著提升了R9′、R12′，所以R9、R12也提升较多。
从表3中我们还可以看出，代表430nm处紫色的R7在各种情况下变化不大，且一直无法超过90，这是因为受到芯片发射波长限制的原因，如果使用峰波长445nm的芯片来激发混合粉，则可以将R7提升到95左右，同时也会提高Ry，使Ra进一步提升。但是如果芯片峰波长降低，其激发荧光粉的效率也会降低，在我们需要综合考虑到光效因素的情况下，我们一般不使用波长过低的芯片。

 

通过以上实验及分析，我们可以得出以下结论：
①  要想获得显色性大于90的白光，必须在二元白光LED的基础上添加适量的绿色荧光粉和红色荧光粉来拓宽二元法获得的白光的光谱使其更连续、均衡。
②  由于红色荧光粉会吸收一部分500和540发出的蓝绿光，所以当红色荧光粉的添加的量增多时，应适当的在混合粉中增加500和540的量。否则光谱中蓝绿光成份缺乏会导致Ry显著降低，Ra<90。对应不同的色温段选择合适的500、540与650的相对含量，是提高白光LED显色性的重点。
③  由于 ZYP500、ZYP540、ZYP650三种氮氧化物荧光粉的激发波长最佳值是450nm，ZYP550的最佳激发波长为460nm，再综合考虑显色性因素，使用峰波长低的芯片能提高R7和Ry，所以使用峰波长为450nm的蓝光芯片激发混合粉最合适。
④  代表深红色的R9很难超过80，这是因为700-780nm处的红光缺乏的缘故，这也是制约Ra难以超过95的重要因素之一，另外一个原因是芯片发射波长需要与粉匹配，无法降低峰波长提高紫光的含量以提高R7。
通过大量的实验，我们得出各典型色温段对应的混合粉比例及光谱数据可概括为下表：
表4  各实验显色指数测试数据

光效下降的原因主要是500和650粉添加量的相对增多所致。从光度和色度学来说，同等光子数量的蓝光和红光的亮度只有黄光亮度的1/5不到，所以当牺牲一部分黄光换取红光和蓝光的增加时，光效会下降比较多。

 4.结论：
本文根据荧光粉的发光特性研究了荧光粉的种类、配比的改变对显色指数造成的影响。选择了多种新型的氮氧化物红、绿色荧光粉配合铝酸盐黄色荧光粉以及合适的芯片进行封装，最终成功的在各种典型色温段如2800K、3500K、5000K、6500K上均实现了显色性大于90的目标，且仍具有较高的光效，因此有望应用于照明领域。

参考文献：
1.     李小红， LED芯片激发荧光粉合成白光照明光源显色性的控制，《现代显示》总第59-60期
2.     郑筱莹，《色彩设计基础》，黑龙江美术出版社
3.     《照明手册》第二版
4.     陈元灯 《LED制造技术与应用》电子工业出版社