大功率白光LED发光效率及电流特性的研究

毕长栋, 张方辉, 靳宝安, 柯昀洁

(陕西科技大学电气与信息工程学院, 陕西 西安 710021)

0 引 言

从白炽灯、荧光灯到目前的半导体照明,即发射白光的发光二极管——白光LED(light emitting diodes, LED)[1],作为新一代节能光源自其诞生之日起就受到了广泛的关注，相比于传统光源它具有体积小、效率高、寿命长、环保、节能等优点[2，3].近年来大功率白光LED迅速发展,将有望取代白炽灯和荧光灯,成为下一代理想的固体照明光源.白光LED的基本思路之一是以近紫外或蓝光LED为芯片,结合合适的荧光转换发光材料来实现白光输出.目前生产大功率白光LED通用的方式之一是蓝光芯片外涂荧光粉的组合方式,但是这种LED器件的发光颜色受驱动电流和荧光粉涂层厚度的影响较大.由于人眼对350～410 nm波段不敏感,这类白光LED的颜色只由荧光粉决定,因此是一种很好的白光LED实现途径[4].目前,大功率白光LED发光效率已经超过了100 lm/W,大大领先于传统照明光源[5].同时国家半导体照明工程的启动,不仅拓展了LED的应用领域,还使我国LED产业的薄膜生长、芯片及封装进入了快速发展的新阶段,但相较而言，衬底材料的发展则比较缓慢[6].本文以1 W大功率白光LED为研究对象,通过改变荧光粉的点粉量,对大功率白光LED的发光效率进行了研究,发现荧光粉点粉量对大功率白光LED的光效有重要影响，在一定范围内可使大功率白光LED光效较大，白光的纯度较好.

1 实验

实验中通过对蓝光InGaN-LED芯片加黄光荧光粉YAG使大功率白光LED发光[7-9]，因而点粉过程中点荧光粉的量将直接影响出射光的色坐标，即白光的纯度.荧光粉的选择应该与芯片匹配，以产生最高效、最纯正的白光为原则.本实验通过对LED芯片进行光谱测试，测得其峰值波长均为450 nm左右，按其波峰处波长选择相匹配的荧光粉YAG.对于大功率LED而言，为得到较好的出光效率，采用硅胶来调和荧光粉，本实验采用胶与荧光粉的比例为30∶1，此种比例光的出光性较好，可以得到颜色较纯正的大功率白光LED.点粉时，为了精确控制荧光粉的点粉量，使用电子天平称其质量来逐渐增加并记录每次的数据.通过对5个样品所点荧光粉的量的不同，寻找可使本实验中蓝光LED芯片得到较高纯度的白光LED的点粉量，并观察其光谱变化；同时对第六个样品进行3次点粉，观察同一芯片，点粉量的改变是否对其光谱特性有较大的影响.

2 分析与讨论

2.1 芯片一致性的测试

实验中所用芯片为1 W蓝光LED芯片，由于芯片本身会存在着一定程度上的差异，故选取了10个芯片进行恒流驱动测试，并对其发光效率进行比较，分析其一致性.对于大功率LED，当通过大电流时产生较多热量使LED温度升高从而使器件损坏.采用恒流驱动时，其正向压降会随着温度的升高而下降；而若采用恒压方式驱动，则电流会随着温度的升高大幅度上升，致使LED的温度进一步升高，大大降低LED的发光效率，缩短了LED的寿命.实验中，为得到较好的实验效果，采用250 mA的电流进行测试，得到其发光效率分布图如图1所示.通过发光效率示意图可知，10个芯片的平均发光效率为3.891 lm/W,各芯片的发光效率间存在较大的差异，最大的光效为5.51 lm/W，而最小的光效仅为2.15 lm/W，各芯片的发光效率在其平均值附近有较大的浮动，个体差异性较大.

表1 5个LED实际点荧光粉量

图1 芯片的发光效率分布图

2.2 不同芯片的点荧光粉量对发光效率的影响

实验中首先挑选5个发光效率较相近的芯片进行点荧光粉测试，在点荧光粉前用电子天平进行称重，记录下此时的质量，点荧光粉后再次称重，并记录，从而精确计算出每个芯片的实际点荧光粉量，如表1所示.

在250 mA的恒流电流驱动下，测得各芯片的相对光谱曲线图如图2所示.从图中可以看出，LED3、LED4样品的黄光峰值已超过归一化的蓝光峰值，且LED3较LED4超出更多.对比表1可知，LED3、LED4的点粉量相比其它3个LED均偏大，其余3个LED的相对光谱图的黄光峰值均低于蓝光峰值，且黄光峰值由高到低依次为LED5、LED2、LED1.此外，点粉量相近的3个LED依次为LED2、LED5、LED1，与光谱图中黄光峰值的高低排序略有差异，其原因可能是由于LED芯片自身的蓝光发光效率不同，因而对荧光粉的激发效率也存在一定差异.点粉量越大，其对应的黄光峰值越高，且点粉量在某一范围内时，黄光峰值虽然随点粉量增大而增高，但依然位于蓝光峰值之下；若点粉量超过某一范围时，会出现黄光峰值高于蓝光峰值，使出射光偏离白光区域，到达黄光区域.若想混合出较纯正的白光，荧光粉的点粉量应该适当，使蓝光峰值一定范围内高于黄光峰值.

表2 3次点粉对LED发光效率的影响

2.3 同一芯片多次点荧光粉对发光效率的影响

为准确考查点粉前后对于LED发光效率的影响,对LED6实行逐次点粉，逐次测试，检验点荧光粉量的改变对同一LED芯片发光效率的影响.实验中共先后对其进行3次点荧光粉，每次质量及对光效等发光性能的影响如表2所示.

从表中可以看出，未点粉时，芯片发光为纯蓝色，由于芯片与空气折射率差异较大，导致内部临界角较小，使发光层的光大部分在内部被全反射掉，因而光通量、光效都很低；当点荧光粉量的增加时，使蓝光芯片与空气间的临界角增大，减少了发光层出光的全反射，从而使LED的光效得到显著提高，并使出射光为蓝光芯片与黄色荧光粉的混色光；随着荧光粉的量继续增多，芯片激发荧光粉的黄光也不断增多，色坐标由蓝光区域逐步向白光区域移动，发光效率逐渐提高.但由于第三次加入荧光粉量偏多，虽然LED的发光效率得到了明显的提高，但经蓝光芯片激发黄色荧光粉产生的出射光的色坐标已接近黄光区域.

图2 5个LED点粉后的相对光谱 图3 同一芯片3次点粉的发光效率图

图3为芯片未点粉及3次点荧光粉后的发光效率图，从图中可以看出，未点黄色荧光粉时，芯片光谱图为单峰，纯蓝光出射；第一次加入荧光粉后，在蓝光峰后出现一个黄光峰，但由于加入的荧光粉量较少，故黄光峰很低，相对于蓝光峰而言低于蓝光峰的1/5高度；第二次加入荧光粉后，黄光峰较第一次有所提高，但相比蓝光峰而言仍然较低；第三次加入荧光粉后，黄光峰大幅度提高，已接近蓝光峰，致使色坐标偏离白光区域，接近黄光区域，使出射光偏黄光.因此，荧光粉的加入量应全面考虑发光效率、色坐标等特性，适量加入，以便在提高光发光效率的同时得到纯度较高的白光.

2.4 不同驱动电流对LED发光强度的影响

本实验中选取LED5作为测试对象，改变驱动电流观察其光谱、色坐标、光通量及发光强度等性能参数的变化.驱动电流变化范围为20～350 mA,得到的相对光谱如图4所示.

图4 不同驱动电流下的光谱图

表3 驱动电流对色坐标的影响

从图4中可以看到，不同驱动电流对LED的相对光谱几乎不产生影响.选取50～350 mA间每间隔50 mA进行LED光通量及光效测试，可得图5.随着驱动电流的增大，光通量增大，其变化曲线呈现线性关系.当电流继续增大，虽然发出的光子增多，但芯片产生的热量无法及时释放，从而对芯片造成影响，使光通量下降；同时，随着驱动电流的增大，LED的发光效率在逐渐下降.

驱动电流对于其色坐标的影响如表3所示.从表3可以看出，随着驱动电流的增大，其色坐标x,y值均减小，但变化幅度不大，说明驱动电流对大功率LED的色度影响较小.

图5 驱动电流对光通量、光效的影响 图6 驱动电流与电压、发光强度的关系

在电流驱动测试LED光强时，作出电压、光强与电流的变化关系如图6所示.从图中可以看出，随着电流的增大，发光强度与电压均在逐渐增大，当电流达到250 mA左右时，继续增大电流，发光强度较缓增加，电压开始迅速下降.因此在一定范围内的驱动电流能较好的增大发光强度，当超出这一范围时则会对LED芯片造成损伤，影响性能.

3 结束语

本文对实验中所使用的1 W蓝光LED芯片进行了一致性测试，通过比较光效可以看到蓝光芯片存在较大的个体差异，一致性较差，故本次实验选择光效较接近450 nm蓝光峰值的芯片.

通过对5个不同芯片的荧光粉相近点粉量和同一芯片的3次不同荧光粉点粉量的比较可以得出：荧光粉的点粉量应控制在一定范围内，本实验为0.001 6～0.002 0 g，使得激发出的黄绿光与芯片自身的蓝光比例适当，混合得出发光效率较高、纯度较好的白光.超过这一范围后，荧光粉量过多会使黄光光峰高于蓝光光峰，此时出射光会为偏向黄光；荧光粉量过少，黄光光峰过低，激发出的黄绿光较少，出射光会呈现偏蓝色.

实验中通过对同一个样品加不同驱动电流，发现在不同驱动电流下对光谱、色坐标的影响不明显，但对发光强度等参数影响较大.随着电流的增大，发光强度、光通量增大，光效下降，电压出现先增大后减小的趋势.

参考文献

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