全光谱LED器件的光色调制及性能

刘自转， 王宜菲， 杨波波， 石明明， 邹 军

(上海应用技术大学 理学院，上海 201418)

作为现代照明的一大主体，LED以其低能耗、高亮度、环保耐用、寿命长等优点得到广泛应用。自然光是人类分辨周边环境的最基本保障，为了使现代照明的光谱结构将更加趋于自然光的发光光谱，从而有利于人的视觉健康，易于为人类提供更高的光色品质、更舒适健康的照明环境[1-3]，可包含整个可见光380～780 nm波段和非可见光(紫外≤380 nm和红外≥780 nm)范围的全光谱LED，相比普通LED，其光谱谱线连续，光源各波段谱线比例均匀、完整[4]。

普通LED光源的色空间分布不均匀，显色指数数值较低，甚至使蓝光危害越来越严重，其最主要的根源在于器件光的输出方式。光谱接近正午自然光的全光谱LED，可以有效减弱普通光源对人体的蓝光危害等级，为保持LED光谱的完整均匀，在普通LED的基础上对光谱进行补充，保持光谱中青光、绿光、红光部分的连续性和完整性，使整个光谱内光源发射的能量均匀分配，降低光谱青蓝色波段内的蓝光比例[5-8]。目前实现全光谱LED的方法主要有蓝光芯片封装复合荧光粉、紫光蓝光芯片封装复合荧光粉以及多基色的LED进行混光3种方法。引入青色荧光粉以调整青色波段的光辐射能量，或引入红色荧光粉为提高红色区域的光谱高度，可以有效提升白光LED在连续光谱范围内的光强度辐射。使用多色LED 混光的方法，在荧光粉的转化过程中几乎可以做到无能量的损失，以提高白光LED的显色指数等各光电性能，使器件更具有实用性，且更有利于市场推广[9-13]。不同色温的LED在家装、气氛烘托等方面有不同的用途，可在封装时通过控制复合荧光粉浓度来调节色温，根据需求选择合适色温的灯光可以使生活更有品质[14-15]。

本文在普通白光LED制备的基础上引入青色荧光粉，通过3种荧光粉按不同配比进行混合与3014器件封装，制作出不同比例的全光谱LED芯片。通过对所获得样品进行测试，研究其光谱数据、显色指数、发光效率、色温等各种性能参数，发现产品增加了LED光谱的连续性，减小了光源中的蓝光危害，为全光谱LED 的研究提供更多的参考数据，并结合LED在生产中的实际需求，为企业生产提供更多便利和更多可选资源。

1 实 验

本次实验所需：威士玻尔光电(苏州)有限公司，SOB480、GAP530、NRL650 三色荧光粉，分别为：Ba0.956(Mg0.912Al10.088)O17∶Eu, Mn2+Lu2.54Y0.4Al5O12∶0.06Ce和Sr0.65Ca0.35AlSiN3∶0.05Eu。上海回天新材料有限公司，A、B硅胶分别是5351A、5351B。

实验过程：将三色荧光粉与A、B 胶分别按照0.7∶1 ∶1的比例混合(3种荧光粉比例为1∶x∶1)，使用玻璃棒将混合物搅拌均匀后，放入高速离心机中离心1 min进行脱泡处理，取出配比样品蘸取后涂覆在3014芯片上，后放入80 ℃的烤箱中烘烤10 min，再放入120 ℃的烤箱中烘烤20 min。将封装的3014器件通过STC-4000的小积分球在电流30 mA，电压3 V条件下测试，测出3014的光谱图、色温、光效、显色指数性能参数，仪器来自杭州远方光电信息股份有限公司。

2 结果与讨论

2.1 3种荧光粉的光谱耦合

为了确定选用的3种荧光粉是否符合实验需求，满足全光谱白光LED的条件，首先对参与封装的3种荧光粉的发射光谱进行测试，如图1所示。SOB480 荧光粉其发射光谱峰值位于511 nm，谱线半宽高为27 nm，发射波段为480～550 nm的窄发射带。GAP530 荧光粉其发射峰值在531 nm处，发射峰半宽高为104 nm，发射波段为480～650 nm的宽发射带。NRL650 荧光粉的发射峰峰值为638 nm，谱线半宽高为92 nm，发射波段为570～730 nm的宽发射带。

图1 SOB480、GAP530、NRL650的发射光谱图

图2 GAP530、NRL650、SOB480的激发光谱图

图2显示的是SOB480、GAP530、NRL650荧光粉的激发光谱，由图可得，SOB480、GAP530、NRL650 3种荧光粉的激发光谱在270～430 nm的波段重叠，3种荧光粉均可以被激发。在420～510 nm的波段内GAP530、NRL650两种粉的激发程度达到峰值，且被激发程度最大，说明用此波段的光激发器件可以获得性能最佳的3014器件。

图3所示为SOB480荧光粉的发射光谱与GAP530、NRL650的激发光谱图，在495～530 nm的光谱谱段内，GAP530的被激发光谱与荧光粉SOB480的发射光谱相互重叠，说明GAP530荧光粉可吸收SOB480荧光粉所发的光，蓝光芯片激发SOB480 荧光粉发出青光，青光的发射可激发GAP530荧光粉。由于NRL650荧光粉的激发光谱与SOB480的发射光谱也有重叠，所以NRL650荧光粉能吸收SOB480发出的青色光而发射红光。

图3 SOB480发射光谱、GAP530、NRL650的激发光谱图

图4 GAP530发射光谱、SOB480、NRL650的激发光谱图

图4所示为GAP530荧光粉发射、SOB480、NRL650荧光粉的激发光谱图，图中在490～590 nm处GAP530荧光粉发射光谱与NRL650荧光粉的激发光谱重合，表明GAP530荧光粉发出的光可以激发NRL650荧光粉。图中SOB480的激发光谱并未与GAP530荧光粉的发射光谱重叠，故SOB480荧光粉反射GAP530荧光粉所发出的光，只产生了光的散射效应。

NRL650发射、SOB480、GAP530荧光粉的激发光谱图，如图5所示。NRL650的光谱与SOB480、GAP530荧光粉的光谱无重叠部分，说明NRL650发出的光不会激发其余两种粉，一部分蓝光芯片激发NRL650荧光粉发出红光，另一部分蓝光激发GAP530荧光粉发出的绿光，绿光被NRL650荧光粉吸收所发出的光与SOB480荧光粉的青光复合，最终实现全光谱白光LED。由于3种荧光粉的激发波段和发射波段不同，在制备3014器件的过程中存在3种荧光粉相互激发、相互吸收、相互反射的情况，为全光谱白光LED的实现增加了一定的难度，使用积分球对不同比例的粉进行测试，器件的光谱数据和光电性能会产生变化，通过控制荧光粉配比可有效减少因激发光谱谱段和发射光谱谱段不重叠而造成的反射现象，降低全光谱白光LED的实现难度。

图5 NRL650发射光谱、SOB480、GAP530的激发光谱图

2.2 3种荧光粉封装的3014器件

表1为STC-4000的小积分球测试在蓝光芯片激发下，各不同比例复合荧光粉配比封装后的3014 LED 器件样品的性能参数。由表1可以看出，器件在蓝光的激发下发光效率和显色指数较高，随着红色荧光粉质量在复合荧光粉总质量中占比的减小，3014器件所测得的色温逐渐增大。

图6为复合荧光粉在不同质量比例混合封装下CIE色度图，使用STC-4000的小积分球对3014芯片进行测试，测得3种荧光粉质量比分别为：

1∶16∶1, 1∶20∶1, 1∶24∶1, 1∶26∶1,

1∶28∶1,1∶29∶1,1∶30∶1

器件色温分别为：

2 935，4 270，4 766，5 267，5 646，6 864，7 350 K

通过测得的数据可以看出，芯片的色温随GAP530荧光粉的比例增加而升高，荧光粉的红粉占比越多，3014器件所发的光越偏暖，从1∶16∶1到1∶30∶1的过程中，器件所发光从暖白光逐渐变为冷白光。

表1 复合荧光粉封装3014芯片的各性能参数

Tab.1 Performance parameters of composite phosphor package 3014 device

m荧光粉(480530650)光效/(lm·W-1)显色指数/Ra色温/K色坐标(X轴,Y轴)1∶16∶1104.9292.82935(0.4220,0.3874)1∶20∶1105.8894.54270(0.3676,0.3617)1∶24∶1121.0192.94766(0.3524,0.3597)1∶26∶1118.5591.15267(0.3385,0.3563)1∶28∶1122.3692.15646(0.3291,0.3425)1∶29∶1113.1391.86864(0.3074,0.3227)1∶30∶1111.6590.67350(0.3013,0.3153)

图6 各不同比例复合荧光粉封装的3014芯片的CIE图

图7所示为蓝光芯片激发质量比不同的复合荧光粉封装的3014器件的发光光谱图，由图可见，质量比为1∶16∶1的3014器件在450 nm波长处的相对光强较弱，透过3014芯片的蓝光较少，光效略低于其他比例的3014器件，仅为104.94 lm/W，由于红粉在总质量中所占比例较大，因此在630～670 nm这一波段相对光强高于其他波段。图7中，质量比为1∶20∶1～1∶30∶1的复合荧光粉，蓝光透过率比较高，结合表1可以发现，质量比为1∶24∶1～1∶28∶1的器件由于被激发程度的不同，其光效都保持在118 lm/W以上，器件的相对光强也比较均匀而且数值偏高，落在黑体辐射线上且色坐标靠近CIE图白光中心的器件，色温分别为 4 766，5 267，5 646 K，与全光谱白光LED最佳色温为 5 000 K左右的预估吻合。1∶28∶1后的比例，荧光粉蓝光被激发率下降，相对光强降低，由于红粉质量减少，600 nm以上的波段相对光强数值很低。由表1可知，1∶29∶1和1∶30∶1的色温分别为 6 864，7 350 K，3014器件被激发后发出的光偏冷白色，显色指数相比其他比例偏低。总体而言，3种磷光体的光谱耦合形成的3014 器件的发光光谱中，质量比在1∶24∶1～1∶28∶1这段比例中，3014器件的性能最佳。

图7 不同比例荧光粉封装的3014芯片的发光光谱图

3 结 语

本文使用SOB480、GAP530、NRL650三种荧光粉作为研究对象，通过对不同质量配比的荧光粉封装的方法，调制出高光效，高显指的全光谱白光LED，测试使用波长为450 nm的蓝光对封装3014芯片进行激发。通过分析3014 LED器件的发光效率、色温、色坐标、显色指数和发光光谱强度等光电性能参数，最终发现配比不同的复合荧光粉器件，在CIE色度图上均由对应的点落在黑体辐射线上。全光谱白光LED器件的显色指数在1∶20∶1时最高，其值为94.5，光效在1∶28∶1时最高，其值为122.36 lm/w，其色温随着GAP530的荧光粉质量的增加而逐渐增大，且全光谱LED的发光光谱曲线更加连续。