LED中荧光材料量子效率测量系统的设计

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(天津工业大学 电气工程与自动化学院, 天津 300387)

引 言

白光LED作为固态照明中的核心器件,有着高效、节能、环保等优点,被认为将取代传统照明方式成为新一代的节能照明光源[1-2]。目前,在工艺上有3种实现方式:(1) 通过红、绿、蓝三基色LED芯片混光;(2) 通过紫外芯片激发红、绿、蓝三基色荧光粉;(3) 通过蓝光芯片激发黄光荧光粉[3]。随着白光LED的广泛应用,如何准确地测量荧光材料的荧光参数引起了人们的广泛关注[4],尤其是对荧光材料量子效率的准确测量。至今为止,国内外做了大量的有关荧光材料量子效率的测量技术研究,1997年英国剑桥大学的Mello等[5]采用3步测量法进行了测量。2006年,英国杜伦大学的Porrès等[6]运用Mello的理论提出了一套新的测量荧光材料量子效率的系统。2010年,日本大塚电子公司[7-8]研制出了一种基于半积分球的量子效率测量系统。相比于国外的荧光材料量子效率的测量系统的研究,国内的研究较少、起步较晚。付伟等[9]采用仿真的方法,分析了积分球内涂层特性以及不同测量方法对荧光材料量子效率的准确性的影响。董向坤等[10]提出了采用LED光源作为激发光源对荧光材料量子效率进行了测量。鉴于国内的测量系统较少且不完善,本文通过研究国外的量子效率测量系统的发展情况,设计出了一种新型的测量系统,并用两种不同的荧光材料对系统进行了测试,最后对计算的结果与厂家所给的量子效率数值进行了对比、分析。

1 量子效率的定义以及测量原理

荧光材料的一个重要参数就是量子效率(quantum efficiency,QE),其定义为在特定波长、单位时间内,荧光材料吸光后所发射的光子数与所吸收的光子数之比。目前,国际上通常采用绝对法进行量子效率的测量,也就是用量子效率的定义[11]进行测量,即分别测量并计算出荧光材料吸光后的发射光子数Nout和荧光材料吸收的激发光子数Nabs,并根据公式:

(1)

计算出荧光材料的量子效率。然而,直接测量发射与激发的光子数是困难的,因此可以通过间接的方法得到光子数。

一个光子数的能量E表达式为:

(2)

式中:c、λ分别为光速和波长;h为普朗克常量。那么Δλ内的光子数ΔN表达式可写为:

(3)

式中P(λ)代表光谱能量分布。所以从λ1至λ2的波段范围内,对应的光子数N可写为:

(4)

最后,可由式(1)和式(4)得到量子效率公式为:

(5)

式中:Nout、Nabs、Pout(λ)、Pabs(λ)分别为荧光材料吸光后的发射光子数、荧光材料吸收的激发光子数、荧光材料吸光后的光谱能量分布和荧光材料吸收的光谱能量分布;A为吸收系数。

2 量子效率测量系统的设计

2.1 系统设备的选取

根据量子效率的定义可知,测量荧光材料的量子效率时,必须在特定的波长下激发荧光材料,且要使用单色光作为激发光源。目前,通常有3种单色光源:激光光源、氙灯光源和LED芯片光源。若用激光作为激发光源时,直接照射到积分球内壁的斑点光强比积分球内其余点的光强分布要强,使积分球内光强分布不均匀;若用氙灯作为激发光源时,由于氙灯光源体积大,不容易放置于积分球内,且不适合于市场推广。因此,采用LED芯片作为激发光源,LED光源具有波段选择灵活、波长范围大、价格低廉和使用方便等优点[12],使得LED作为激发光源的测量系统能广泛的应用于市场推广,对LED的现实应用具有重要意义。由于荧光材料的形状、尺寸不规则,而其发光强度空间分布不均匀,所以通常采用积分球进行光的收集。内壁均匀地涂上高反射率的涂层材料,同时在球上开有入光孔和出光孔,运用光纤对球内的光进行高效率的采集,最后运用光谱仪来采集光谱数据,并在电脑上进行显示、处理。综上所述,本文采用波长为465 nm、供电电流为20 mA的蓝光LED芯片作为激发光源,采用杭州晶飞科技有限公司的直径为150 mm、涂层材料为BaSO4、漫反射系数为92%以上的半积分球作为光收集装置,运用光纤进行数据传输,同时在积分球上与垂直轴线成15°的位置上开一个光纤接口,光纤另一头与光谱仪连接并进行数据的采集。光谱仪采用上海辰昶公司的EK2000-Pro光谱仪,该光谱仪具有高灵敏度、高量子化效率和高动态范围等特点,其采集波长范围为200～1 100 nm。最后通过编程的方式,对采集出来的数据运用式(5)进行量子效率的计算。图1为测量系统示意图。

图1 量子效率测量系统示意图Fig.1 The schematic diagram of quantum efficiency measurement system

2.2 实验步骤

通过三步法进行光谱数据的采集:

1) 半积分球内不放置荧光材料,让激发光直接照射到积分球内部,通过光谱仪得到蓝光LED光源的相对光谱强度分布图;

2) 将荧光材料放置在积分球内,但不要使激发光直接照射在荧光材料上,测得相对光谱能量分布图,这样做是为了消除二次激发对量子效率产生的影响;

3) 将荧光材料放置在积分球内,光源直接照射在荧光材料样品上,同时放置好样品的位置,使得光能全部照射在样品上,最后通过光谱仪获得相对光谱能量分布。

图2为量子效率测量步骤流程图。

图2 量子效率测量流程图Fig.2 Flow diagram of quantum efficiency measurement

由于光谱仪获得的为相对光谱分布图,若要进行量子效率的计算,需要解析出绝对光谱能量分布,通常由标准卤素灯获得。将已知绝对光谱能量分布的标准卤素灯在相同的实验环境下,进行光谱测量,然后将标准卤素灯的绝对光谱与测量得到的相对光谱进行对比得到校正因子K(λ),即

K(λ)=I绝(λ)/I相(λ)

(6)

将实验中获得的相对光谱乘上校正因子,即可获得绝对光谱能量分布[13]。最后,通过计算获得光量子分布图,根据式(5)计算出量子效率。

2.3 实验测试与分析

本文通过两种不同的荧光材料样品对该系统进行了测试,分别为掺杂Tb的荧光玻璃和Y3Al5O12(YAG)荧光粉(需用盖玻片压成片状),然后放置在LED芯片上进行测量。

图3和图4分别为LED芯片的入射光谱图和荧光粉的发射光谱图。

图3 入射光谱图Fig.3 Incident light spectrum

图4 发射光谱图Fig.4 Emission light spectrum

图3、图4的横坐标和纵坐标分别表示了波长和相对光强。图3显示了运用光谱仪单独测量LED芯片的入射光谱;图4表示当LED芯片照射在荧光粉后,运用光谱仪测量的荧光粉的发射光谱图。同时,使用光谱仪自带的测量软件导出图中每一个波长对应的光强值,最后通过一个小程序,采用式(5),计算出量子效率数值。

通过实验,最终测得的荧光玻璃和荧光粉的量子效率分别为40.3%和87.6%,由于荧光样品的结构问题,使得量子效率的数值较低,但结果与商家所称的基本一致,其中荧光玻璃和荧光粉的量子效率分别为30%～60%、70%～90%,这表明该测量系统是可行的,但是为了使该系统具有通用性,仍然需要对系统进行改善提高,包括样品的摆放、光纤探头的位置等。

3 结 论

首先,总结了荧光材料量子效率测量系统的研究进展情况;随后,介绍了量子效率的测量定义以及测量原理;最后,设计出了一种新型的量子效率测量系统,并分别对两种不同的LED用荧光材料进行了测量,保证了系统的有效性。现有的商业化的测量荧光材料的量子效率测试系统主要有美国的海洋光学、日本的日立、大塚电子等公司,而且设备的价格都比较昂贵。通过该设计,对研究出中国本土的、价格便宜的测量系统,起到了一定的参考作用,同时也间接地推动了LED绿色照明的发展。

参考文献:

[1] KIM J K,LUO H,SCHUBERT E F,et al.Strongly enhanced phosphor efficiency in GaInN white light-emitting diodes using remote phosphor configuration and diffuse reflector cup[J].Japanese Journal of Applied Physics,2005,44(20/23):L649-L651.

[2] 肖华,吕毅军,徐云鑫,等.传统白光LED与远程荧光粉白光LED的发光性能比较[J].发光学报,2014,35(1):66-72.

[3] 李亮,金尚忠,岑松原,等.荧光粉浓度和电流强度对白光LED特性的影响[J].激光与光电子学进展,2012,49(3):152-157.

[4] 董向坤.白光LED用荧光玻璃的量子效率测量技术研究[D].重庆:重庆大学,2013.

[5] DE MELLO J C,WITTMANN H F,FRIEND R H.An improved experimental determination of external photoluminescence quantum efficiency[J].Advanced Materials,1997,9(3):230-232.

[7] CIOCAN R,DONOHUE J,FELDMAN A,et al.System and method for quantum efficiency measurement employing diffusive device:US,9435733BZ[P].2016-09-06.

[8] HARUTA M,OSAWA Y,OHKUBO K.Absolute quantum efficiency measurement for solution phosphors[J].Journal of the Illuminating Engineering Institute of Japan,2013,97(2):71-76.

[9] 付伟,钱可元,罗毅,等.白光LED荧光粉荧光外量子效率的准确测量[J].半导体光电,2011,32(5):640-645.

[10] DONG X K,DU X Q,LIU Y L,et al.Quantum efficiency measurement of luminescence glasses for white LED[C]∥Proceedings of SPIE 8560,LED and Display Technologies II.Beijing:SPIE,2012:856000.

[11] 冯国进.荧光光谱光度研究[D].北京:中国计量科学研究院,2006.

[12] ALBEANU D F,SOUCY E,SATO T F,et al.LED arrays as cost effective and efficient light sources for widefield microscopy[J].PLoS One,2008,3(5):e2146.

[13] 陈宏,杜晓晴,童广,等.光纤探测方式下全积分球与半积分球性能对比研究[J].应用光学,2016,37(1):152-156.