两种荧光粉混合涂覆的白光LED的光谱方程的建立

许建文，陈国庆, 吴亚敏, 马超群, 辜 姣

1. 江南大学理学院，江苏 无锡 214122 2. 江苏省轻工光电工程技术研究中心，江苏 无锡 214122

引 言

随着白光LED行业的迅速发展，人们对白光LED的发光性能提出了越来越高的要求，如更高的发光效率、更高的显色指数以及适合于各种不同照明条件的色温等[1]。白光LED灯与普通照明用普通白炽灯和荧光灯相比，具有使用寿命长、可靠性高、环保、功耗低、体积小等优点[2-4]。白光LED可以由蓝光芯片和黄色荧光粉(或者是绿色荧光粉和红色荧光粉)实现[5]；也可以是紫外芯片与蓝色荧光粉、红色荧光粉、绿色荧光粉混合所得[6], 这种方法以其低成本和高发光效率而闻名[7]。而如今使用最为广泛的且成本较低的方法是用宽带绿色荧光粉与InGaN蓝光芯片或GaN蓝光芯片组合，但是往往这种组合的显色指数都低于80，而室内照明的显色指数都要高于80，所以用加入红色荧光粉来提高显色指数，可以很好的解决这一问题[8]。

为了更准确的对光谱进行预测，近年来对多荧光粉构成的白光LED的光谱优化已然成为了研究热点[8]。本文采用在蓝光LED芯片上涂覆绿、红荧光粉的方法来实现白光LED，且制备了大量不同浓度和比例的样品，并最终实现了在已知实际荧光粉质量比与浓度的情况下就能得出目标光谱图，并与实验光谱图吻合效果良好。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

杭州萤鹤光电材料有限公司硅酸盐系列的YH-S525M绿色荧光粉；高显粉系列的YH-C640E红色荧光粉；道康宁公司的A胶与B胶；GaN蓝光LED芯片。杭州远方色谱有限公司带有夹具的积分球的HAAS-2000高精度快速光谱辐射计；英国Edinburgh FLS920P型荧光光谱仪。

1.2 蓝光芯片的发光光谱与荧光粉的激发、发射光谱

使用高精度快速光谱辐射计测量了蓝光LED芯片的发光光谱(图1)，发射峰位置在455 nm。使用荧光光谱仪测量红色荧光粉与绿色荧光粉的激发与发射光谱(图2)，图2中绿色荧光粉的发射峰位置在527 nm，红色荧光粉的发射峰位置在641 nm。

图1 发射峰在455 nm的蓝光LED光谱

图2 两种荧光粉的激发光谱与发射光谱

1.3 样品制备与光谱方程

将荧光粉与AB胶混合，搅拌均匀后涂覆于带凹槽的蓝光LED芯片上，然后放在150 ℃的烘烤箱里固化1.5 h，将固化后的样品冷却至室温后，使用带有夹具的积分球测量其发光光谱。

图3 不同荧光粉涂覆的LED样品

优化光谱的主要影响因素是不同浓度和比例的两种荧光粉的吸收和发射的相互作用。浓度是指荧光粉的质量与荧光粉和AB胶总质量的比值。比例是指两种荧光粉的质量比。这一过程可以被分解为一系列的光谱方程[9]，他们可以被写成

yr=(yrsyrryrm+ygsygrygm)yrplyrp

(1)

yg=(yrsyrryrm+ygsygrygm)ygplygp

(2)

其中，yrr和ygr是红色荧光粉和绿色荧光粉占总荧光粉的比例。

2 结果与讨论

光谱方程的获得分为3步，第一步是测量单一荧光粉随浓度增加的光谱。考虑到荧光粉的封装以及色温的影响，选择的浓度范围是7%～17%。单一的红色荧光粉和单一的绿色荧光粉浓度从7%增加到17%(浓度间隔为2%)的总光谱都归一化到蓝光峰，如图4和图5所示。

图4 归一化到蓝光峰的红色荧光粉总光谱

图5 归一化到蓝光峰的绿色荧光粉总光谱

然后记录下归一化后的峰值强度值。对归一化到蓝光峰之后的绿、红峰值进行曲线拟合，结果如图6和图7所示。

因此，单一荧光粉的光强与浓度的经验公式可表示为

yrs=0.004 44x2-0.166 77x

(3)

ygs=-0.000 477 679x2+0.461 6x

(4)

第二步是测量两种恒定比例的荧光粉随浓度增加的吸收和发射相互作用的光谱。考虑到显色性要较高，实验中使得绿色荧光粉和红色荧光粉的恒定比例为3∶1[10]。同样，在恒定绿色荧光粉和红色荧光粉比例为3∶1的情况下，荧光粉的浓度也是从7%增加17%，并将测得的光谱归一化到蓝光峰，如图8所示。并记录归一化到蓝光峰后的绿峰值和红峰值。

图6 不同浓度红色荧光粉的光强度

图7 不同浓度绿色荧光粉的光强度

图8 绿色荧光粉和红色荧光粉恒定比例下不同浓度的总光谱

图9 绿色和红色荧光粉恒定比例下不同浓度的光强度

图10 不同浓度的绿色和红色荧光粉的光强度比例

绿色荧光粉与红色荧光粉相互作用的经验公式如式(5)和式(6)

yrm=0.121 39x+0.293 65

(5)

ygm=-0.039 51x+1.077 8

(6)

在图10中，绿色荧光粉和红色荧光粉在不同浓度下光强比例的经验公式可表述如式(7)和式(8)

yrpl=0.015 67x+0.44

(7)

ygpl=-0.015 67x+0.56

(8)

第三步是测量红色荧光粉比例不断增加且在不同浓度下的光谱。并记录了红色荧光粉比例不断增加且在不同浓度下的光谱归一化到绿色荧光粉和红色荧光粉比例为3∶1的绿光峰和红光峰之后的峰值强度。

图11 不同浓度比例的平均光强度

图11显示了不同浓度和比例的平均归一化峰值。因此，不同比例荧光粉光谱归一化到绿色荧光粉和红色荧光粉比例为3∶1的绿光峰和红光峰之后的经验方程可表述如式(9)和式(10)

yrp=1.574 67x+0.603 59

(9)

ygp=-2.930 79x+1.700 82

(10)

参考文献中的模拟白光光谱=归一化的蓝光LED芯片发光光谱+归一化的绿荧光粉发射光谱×yg+归一化的红荧光粉发射光谱×yr。

由于不同的荧光粉的原料组成以及各方面的光学性质都有区别，所以该光谱方程需要加以完善才能符合我们选用的这两种荧光粉。于是对于实验光谱图中的绿峰值与红峰值取值并记录。将这些实验绿峰值和红峰值分别与用参考文献中的模拟白光光谱的方法得出的光谱图中的绿峰值和红峰值做比值。然后将这些数据用MATLAB的三维曲面拟合，得出绿修正系数和红修正系数的方程。绿光的修正系数方程和红光的修正系数可表述如式(11)和式(12)

fg(x,y)=-17.05-45.5x+15.12y+55.37x2-8.844xy-1.153y2-23.86x3+4.085x2y-0.020 13xy2+0.068 92y3+3.378x4-0.572x3y-0.011 47x2y2+0.002 22xy3-0.001 58y4

(11)

fr(x,y)=-70.32+30.29x+20.08y+15.45x2-13.83xy-1.36y2-14.91x3+5.814x2y+0.110 6xy2+0.072 26y3+2.719x4-0.811 4x3y-0.020 32x2y2-0.000 525 5xy3-0.001 506y4

(12)

式(11)和式(12)中的x和y分别代表绿红荧光粉的质量比与浓度值。

最终模拟的白光光谱=归一化的蓝光LED芯片发光光谱+归一化的绿荧光粉发射光谱×yg/fg(x,y)+归一化的红荧光粉发射光谱×yr/fr(x,y)。

图12是光谱方程建立中未用到的浓度与比例的样品的实验光谱图与模拟光谱图，用以检验光谱方程的准确性。由于模拟光谱图中的绿光和红光部分用的是由荧光光谱仪测得的绿色荧光粉和红色荧光粉的发射谱，而实验中荧光粉混合后涂抹于LED芯片上的光谱图是由高精度快速光谱辐射计测得，所以模拟图与实验图对比，模拟图中的绿光和红光部分较实验图中的绿光和红光部分有点向长波长方向偏移，这是由于两种仪器测出来的绿光峰和红光峰存在几纳米的差别所造成的。总的来说，模拟的LED光谱图与实验的LED光谱图有较高的吻合度。说明建立的光谱方程能较为准确的模拟出白光LED的光谱图。

图12 模拟光谱图与实验光谱图

3 结 论

建立的光谱方程能较为准确的模拟出白光LED的光谱图，且在建立了具体的光谱方程之后，可以在没有实验仪器和不做实际实验的情况下，根据两种荧光粉的质量比，以及与AB胶混合后的浓度直接得出最终的模拟白光光谱，并且这种方法得出的光谱与实际的实验光谱吻合度较高。为制备具有特定光谱特性的白光LED提供了一种新的思路。同时也对于后续根据模拟出的光谱对白光LED的色坐标、色温、及显色指数及其他LED参数和指标的研究具有一定的参考价值。