红色及橙色荧光粉添加对白光LED光学特性的影响

李雅飞 褚陈柯 朱红梅 谭永胜

(绍兴文理学院 光电子材料与技术研究所,浙江 绍兴312000)

红色及橙色荧光粉添加对白光LED光学特性的影响

李雅飞 褚陈柯 朱红梅 谭永胜

(绍兴文理学院 光电子材料与技术研究所,浙江 绍兴312000)

采用荧光分光光度计测量不同种类荧光粉样品的光谱特性,分析橙色及红色荧光粉的添加对白光LED光学特性的影响.室温光致发光测量表明,橙色及红色荧光粉的发光强度明显弱于黄绿色荧光粉,其峰值强度分别只有黄绿色荧光粉峰值强度的21.5%和7.2%.在黄绿色荧光粉中添加20%含量的橙色或红色荧光粉后,样品在绿光波段的发光强度大幅下降,而在橙、红光波段的发光强度变化很小,表明白光LED显色性的提高主要是绿光强度的下降导致的.扫描电子显微镜测量表明,黄绿色荧光粉为粒径10μm左右的球形颗粒,而橙色及红色荧光粉的颗粒尺寸较小,且多为片状颗粒.因此,橙色及红色荧光粉对入射蓝光的反射光强度分别是黄绿色荧光粉的3.01倍和3.23倍,这是其光致发光强度远小于黄绿色荧光粉的主要原因.

红色荧光粉;白光LED;光致发光

0 引言

随着现代社会的经济发展,环境污染和能源消耗问题日益严重,节能环保的照明方式受到各国政府和业界的极大关注.LED(发光二极管)由于具有能耗少、体积小、寿命长等独特的优点,被称为第四代照明技术,将在未来成为全球最主要的照明方式[1-3].目前获得白光LED的主流方法是采用蓝光LED晶片激发YAG(Y3Al5O12:Ce3+)等黄色荧光粉,由晶片发出的蓝光和蓝光激发荧光粉发出的黄光混合来实现白光[4-5].由于光谱中红色成分较少,这种方法制备的白光LED色温偏高,且显色性很差,显色指数一般只能达到75左右.随着LED在室内照明的快速推广,低色温、高显色性白光LED的开发成为LED领域的研究热点[6-7].

为提高白光LED的显色性并降低色温,一种简单的方法是在封装过程中,在黄色荧光粉中添加一定比例的红色或橙色荧光粉成分[8].Lin等人即通过这种方法获得了显色指数为 93,色温为3007K的白光LED[9].但是,这样封装的白光LED在显色性提高的同时,发光效率却大幅下降,目前市场上的普通白光LED的发光效率在120lm/W以上,而高显色性白光LED的发光效率一般不超过90lm/W,这成为阻碍其发展的重要因素.本文通过分析不同种类和配比荧光粉的光谱特性和微观结构,系统地研究红色及橙色荧光粉的添加对白光LED光学特性的影响,探究同时提高白光LED显色性和发光效率的方法.

1 实验

实验选取目前被国内封装厂商广泛使用的三种商用荧光粉样品,其中黄绿色荧光粉成分为YAG,橙色及红色荧光粉为氮化物.采用荧光分光光度计(型号:日立F7000)测量荧光粉样品的室温光致发光光谱,激发光为453nm的蓝光.通过对比入射不同样品后反射光的强度,分析荧光粉样品的反射特性.采用精确称量不同质量的荧光粉样品并充分搅拌混合,来获得不同比例的混合荧光粉样品,通过测量其光致发光光谱来分析红色及橙色荧光粉的添加对白光LED光学特性的影响.采用扫描电子显微镜(SEM)测量荧光粉样品的微观结构和表面形貌.

2 结果与讨论

图1是不同种类荧光粉样品的室温光致发光光谱,其中激发光为453nm的蓝光.从图中可以看出,三种荧光粉的发光峰位分别位于 541nm、602nm和627nm,而且橙色及红色荧光粉的发光效率明显弱于黄绿色荧光粉的发光效率,其峰值强度分别只有黄绿色荧光粉峰值强度的21.5%和7.2%.从图1可知,黄绿色的YAG荧光粉为宽带发光,其发射光谱的半高宽约为100nm,因此光谱中也含有较多的橙色及红色光成分.由于在蓝光激发下橙色及红色荧光粉的发光效率较低,橙色荧光粉的峰值强度仍然比黄绿色荧光粉在602nm处的发光强度低,而红色荧光粉的峰值强度仅略高于黄绿色荧光粉在627nm处的发光强度.这表明,在荧光粉总量保持不变的情况下,橙色及红色荧光粉的添加并不能有效增强白光LED在相应波段的光通量.

图1 不同种类荧光粉样品的室温光致发光光谱(a)黄绿色荧光粉(b)橙色荧光粉(c)红色荧光粉

图2给出了黄绿色荧光粉及含20%含量橙色或红色荧光粉样品的室温光致发光光谱,激发光波长为453nm.从图中可以看出,随着橙色及红色荧光粉的添加,样品在绿光波段的发光强度大幅下降,而在橙、红光波段的发光强度变化很小.相应地,光谱中630nm处红光与541nm处绿光的发光强度比值I红/I绿增加了约20%.由于白光LED中红光和绿光成分均由荧光粉发出,因此,在黄绿色荧光粉中添加一定比例的橙色或红色荧光粉,能相应增加白光LED中红光成分所占的比例,从而可以提高白光LED的显色指数,降低色温,但这主要是由绿光光强的降低所致.

图2 黄绿色荧光粉及含20%橙色或红色荧光粉样品的室温光致发光光谱激发光波长为453nm(a)黄绿色荧光粉(b)含20%橙色荧光粉(c)含20%红色荧光粉

照明理论表明,人眼对不同波长可见光的感应强度是不一样的[10].白天人眼对波长为555nm的黄绿光感应强度最高,而对红光和蓝光的感应强度较低,通常630nm处红光的感应强度只有555nm处黄绿光的26.5%.因此,当白光中红光或蓝光强度增加,而绿光强度下降时,人眼感觉的亮度会相应下降,这被认为是高显色性光源光效较低的原因.我们的数据分析表明,对于白光LED,橙色及红色荧光粉的添加,并不会导致白光中红光强度的明显增加,虽然LED显色性和色温可以获得改善,但这要以绿光强度的单方面大幅下降为代价,因此导致LED的发光效率降低很多.

为进一步分析橙色及红色荧光粉光致发光强度较低的原因,我们测量了不同荧光粉样品的反射光谱和颗粒形貌.图3所示为不同荧光粉样品对453nm蓝光的反射光谱.从中可以看出,橙色及红色荧光粉样品对蓝光的反射能力很强,其反射光强度分别为黄绿色荧光粉反射光强度的3.01倍和3.23倍.由于荧光粉需要通过吸收入射的蓝光来获得能量,再通过能级跃迁发出相应波长的光,如果入射到荧光粉表面的蓝光被大量反射回去无法利用,必然导致其光致发光强度较低.图4所示为不同荧光粉样品的扫描电子显微镜照片,从中可以看出,黄绿色荧光粉的颗粒尺寸较大,粒径约为10μm左右,且均为形状较为规则的球形颗粒,而橙色及红色荧光粉的颗粒尺寸较小,且多为片状颗粒.当光入射到样品表面时,球形颗粒能尽量减少对入射光的直接反射,而片状的颗粒表面会形成很好的“镜面”,将大量的入射光反射回去.研究也表明[11],由大量荧光粉颗粒组成的系统会对光产生较强的散射,随着颗粒直径的减小,向后散射的光逐渐增强.因此,获得大的球形颗粒形态的橙色及红色荧光粉是提高其光致发光强度的重要途径,也是同时提高白光 LED显色指数和发光效率的关键.

图3 不同荧光粉样品对453nm蓝光的反射光谱(a)黄绿色荧光粉(b)橙色荧光粉(c)红色荧光粉

3 结论

采用荧光分光光度计测量了不同种类荧光粉样品的光谱特性,分析了橙色及红色荧光粉的添加对白光LED光学特性的影响.结果表明,橙色及红色荧光粉的光致发光强度明显弱于黄绿色荧光粉,其峰值强度分别只有黄绿色荧光粉峰值强度的21.5%和7.2%.橙色及红色荧光粉的添加,并不会导致白光中红光强度的明显增加,虽然LED显色性和色温可以获得改善,但这要以绿光强度的单方面大幅下降为代价,因此导致LED的发光效率降低很多.黄绿色荧光粉为粒径10μm左右的球形颗粒,而橙色及红色荧光粉的颗粒尺寸较小,且多为片状颗粒,导致其对入射蓝光的反射光强度分别是黄绿色荧光粉的3.01倍和3.23倍,因而光致发光效率较低.我们认为,获得大的球形颗粒形态的橙色及红色荧光粉是提高其光致发光强度的重要途径,也是同时提高白光LED显色指数和发光效率的关键.

图4 不同荧光粉样品的扫描电子显微镜照片

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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

(责任编辑 王海雷)

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

2015-04-01

国家自然科学基金项目(61405118);浙江省自然科学基金项目(LQ13A040004).

李雅飞(1993-),女,浙江台州人,微电子学专业,主要研究方向为光电子材料