紅色及橙色熒光粉添加對白光LED光學特性的影響

李雅飛 褚陳柯 朱紅梅 譚永勝

(紹興文理學院 光電子材料與技術研究所,浙江 紹興312000)

紅色及橙色熒光粉添加對白光LED光學特性的影響

李雅飛 褚陳柯 朱紅梅 譚永勝

(紹興文理學院 光電子材料與技術研究所,浙江 紹興312000)

采用熒光分光光度計測量不同種類熒光粉樣品的光譜特性,分析橙色及紅色熒光粉的添加對白光LED光學特性的影響.室溫光致發(fā)光測量表明,橙色及紅色熒光粉的發(fā)光強度明顯弱于黃綠色熒光粉,其峰值強度分別只有黃綠色熒光粉峰值強度的21.5%和7.2%.在黃綠色熒光粉中添加20%含量的橙色或紅色熒光粉后,樣品在綠光波段的發(fā)光強度大幅下降,而在橙、紅光波段的發(fā)光強度變化很小,表明白光LED顯色性的提高主要是綠光強度的下降導致的.掃描電子顯微鏡測量表明,黃綠色熒光粉為粒徑10μm左右的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒.因此,橙色及紅色熒光粉對入射藍光的反射光強度分別是黃綠色熒光粉的3.01倍和3.23倍,這是其光致發(fā)光強度遠小于黃綠色熒光粉的主要原因.

紅色熒光粉;白光LED;光致發(fā)光

0 引言

隨著現(xiàn)代社會的經(jīng)濟發(fā)展,環(huán)境污染和能源消耗問題日益嚴重,節(jié)能環(huán)保的照明方式受到各國政府和業(yè)界的極大關注.LED(發(fā)光二極管)由于具有能耗少、體積小、壽命長等獨特的優(yōu)點,被稱為第四代照明技術,將在未來成為全球最主要的照明方式[1-3].目前獲得白光LED的主流方法是采用藍光LED晶片激發(fā)YAG(Y3Al5O12:Ce3+)等黃色熒光粉,由晶片發(fā)出的藍光和藍光激發(fā)熒光粉發(fā)出的黃光混合來實現(xiàn)白光[4-5].由于光譜中紅色成分較少,這種方法制備的白光LED色溫偏高,且顯色性很差,顯色指數(shù)一般只能達到75左右.隨著LED在室內(nèi)照明的快速推廣,低色溫、高顯色性白光LED的開發(fā)成為LED領域的研究熱點[6-7].

為提高白光LED的顯色性并降低色溫,一種簡單的方法是在封裝過程中,在黃色熒光粉中添加一定比例的紅色或橙色熒光粉成分[8].Lin等人即通過這種方法獲得了顯色指數(shù)為 93,色溫為3007K的白光LED[9].但是,這樣封裝的白光LED在顯色性提高的同時,發(fā)光效率卻大幅下降,目前市場上的普通白光LED的發(fā)光效率在120lm/W以上,而高顯色性白光LED的發(fā)光效率一般不超過90lm/W,這成為阻礙其發(fā)展的重要因素.本文通過分析不同種類和配比熒光粉的光譜特性和微觀結構,系統(tǒng)地研究紅色及橙色熒光粉的添加對白光LED光學特性的影響,探究同時提高白光LED顯色性和發(fā)光效率的方法.

1 實驗

實驗選取目前被國內(nèi)封裝廠商廣泛使用的三種商用熒光粉樣品,其中黃綠色熒光粉成分為YAG,橙色及紅色熒光粉為氮化物.采用熒光分光光度計(型號:日立F7000)測量熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,激發(fā)光為453nm的藍光.通過對比入射不同樣品后反射光的強度,分析熒光粉樣品的反射特性.采用精確稱量不同質(zhì)量的熒光粉樣品并充分攪拌混合,來獲得不同比例的混合熒光粉樣品,通過測量其光致發(fā)光光譜來分析紅色及橙色熒光粉的添加對白光LED光學特性的影響.采用掃描電子顯微鏡(SEM)測量熒光粉樣品的微觀結構和表面形貌.

2 結果與討論

圖1是不同種類熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,其中激發(fā)光為453nm的藍光.從圖中可以看出,三種熒光粉的發(fā)光峰位分別位于 541nm、602nm和627nm,而且橙色及紅色熒光粉的發(fā)光效率明顯弱于黃綠色熒光粉的發(fā)光效率,其峰值強度分別只有黃綠色熒光粉峰值強度的21.5%和7.2%.從圖1可知,黃綠色的YAG熒光粉為寬帶發(fā)光,其發(fā)射光譜的半高寬約為100nm,因此光譜中也含有較多的橙色及紅色光成分.由于在藍光激發(fā)下橙色及紅色熒光粉的發(fā)光效率較低,橙色熒光粉的峰值強度仍然比黃綠色熒光粉在602nm處的發(fā)光強度低,而紅色熒光粉的峰值強度僅略高于黃綠色熒光粉在627nm處的發(fā)光強度.這表明,在熒光粉總量保持不變的情況下,橙色及紅色熒光粉的添加并不能有效增強白光LED在相應波段的光通量.

圖1 不同種類熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜(a)黃綠色熒光粉(b)橙色熒光粉(c)紅色熒光粉

圖2給出了黃綠色熒光粉及含20%含量橙色或紅色熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜,激發(fā)光波長為453nm.從圖中可以看出,隨著橙色及紅色熒光粉的添加,樣品在綠光波段的發(fā)光強度大幅下降,而在橙、紅光波段的發(fā)光強度變化很小.相應地,光譜中630nm處紅光與541nm處綠光的發(fā)光強度比值I紅/I綠增加了約20%.由于白光LED中紅光和綠光成分均由熒光粉發(fā)出,因此,在黃綠色熒光粉中添加一定比例的橙色或紅色熒光粉,能相應增加白光LED中紅光成分所占的比例,從而可以提高白光LED的顯色指數(shù),降低色溫,但這主要是由綠光光強的降低所致.

圖2 黃綠色熒光粉及含20%橙色或紅色熒光粉樣品的室溫光致發(fā)光光譜激發(fā)光波長為453nm(a)黃綠色熒光粉(b)含20%橙色熒光粉(c)含20%紅色熒光粉

照明理論表明,人眼對不同波長可見光的感應強度是不一樣的[10].白天人眼對波長為555nm的黃綠光感應強度最高,而對紅光和藍光的感應強度較低,通常630nm處紅光的感應強度只有555nm處黃綠光的26.5%.因此,當白光中紅光或藍光強度增加,而綠光強度下降時,人眼感覺的亮度會相應下降,這被認為是高顯色性光源光效較低的原因.我們的數(shù)據(jù)分析表明,對于白光LED,橙色及紅色熒光粉的添加,并不會導致白光中紅光強度的明顯增加,雖然LED顯色性和色溫可以獲得改善,但這要以綠光強度的單方面大幅下降為代價,因此導致LED的發(fā)光效率降低很多.

為進一步分析橙色及紅色熒光粉光致發(fā)光強度較低的原因,我們測量了不同熒光粉樣品的反射光譜和顆粒形貌.圖3所示為不同熒光粉樣品對453nm藍光的反射光譜.從中可以看出,橙色及紅色熒光粉樣品對藍光的反射能力很強,其反射光強度分別為黃綠色熒光粉反射光強度的3.01倍和3.23倍.由于熒光粉需要通過吸收入射的藍光來獲得能量,再通過能級躍遷發(fā)出相應波長的光,如果入射到熒光粉表面的藍光被大量反射回去無法利用,必然導致其光致發(fā)光強度較低.圖4所示為不同熒光粉樣品的掃描電子顯微鏡照片,從中可以看出,黃綠色熒光粉的顆粒尺寸較大,粒徑約為10μm左右,且均為形狀較為規(guī)則的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒.當光入射到樣品表面時,球形顆粒能盡量減少對入射光的直接反射,而片狀的顆粒表面會形成很好的“鏡面”,將大量的入射光反射回去.研究也表明[11],由大量熒光粉顆粒組成的系統(tǒng)會對光產(chǎn)生較強的散射,隨著顆粒直徑的減小,向后散射的光逐漸增強.因此,獲得大的球形顆粒形態(tài)的橙色及紅色熒光粉是提高其光致發(fā)光強度的重要途徑,也是同時提高白光 LED顯色指數(shù)和發(fā)光效率的關鍵.

圖3 不同熒光粉樣品對453nm藍光的反射光譜(a)黃綠色熒光粉(b)橙色熒光粉(c)紅色熒光粉

3 結論

采用熒光分光光度計測量了不同種類熒光粉樣品的光譜特性,分析了橙色及紅色熒光粉的添加對白光LED光學特性的影響.結果表明,橙色及紅色熒光粉的光致發(fā)光強度明顯弱于黃綠色熒光粉,其峰值強度分別只有黃綠色熒光粉峰值強度的21.5%和7.2%.橙色及紅色熒光粉的添加,并不會導致白光中紅光強度的明顯增加,雖然LED顯色性和色溫可以獲得改善,但這要以綠光強度的單方面大幅下降為代價,因此導致LED的發(fā)光效率降低很多.黃綠色熒光粉為粒徑10μm左右的球形顆粒,而橙色及紅色熒光粉的顆粒尺寸較小,且多為片狀顆粒,導致其對入射藍光的反射光強度分別是黃綠色熒光粉的3.01倍和3.23倍,因而光致發(fā)光效率較低.我們認為,獲得大的球形顆粒形態(tài)的橙色及紅色熒光粉是提高其光致發(fā)光強度的重要途徑,也是同時提高白光LED顯色指數(shù)和發(fā)光效率的關鍵.

圖4 不同熒光粉樣品的掃描電子顯微鏡照片

[1]CHUN CHE LIN,RU SHI LIU.Advances in phosphors for light-emitting diodes[J].JPhys Chem Lett,2011,2:1268-1277.

[2] Markus Seibald, Tobias Rosenthal, Oliver Oeckler and Wolfgang Schnick. Highly efficient pc-LED phosphors Sr1xBaxSi2O2N2: Eu2+(0≤x≤1)-crystal structures and luminescence properties revisited[J].Crit Rev Solid State Mater Sci,2014,39:215–229.

[3]Byung-Lip Ahn,Cheol-Yong Jang,Seung-Bok Leigh,et al.Effect of led lighting on the cooling and heating loads in office buildings[J].Applied Energy,2014,113:1484-1489.

[4]Bong-Goo Yun,Takashi horikawa,Hiromasa hanzawa. Preparation and luminescence properties of single-phase BaSi2O2N2:Eu2+,a bluish-green phosphor for white light-emitting diodes[J].JElectrochem Soc,2010,157(10): 364-370.

[5]PhilippPust,Volker Weiler,Cora Hecht,et al. Narrow-band red-emitting Sr[LiAl3N4]:Eu2+as a next-generation LED-phosphor material [J].Nature Materials,2014,13:891-896.

[6]王萍,楊定明,何曉林,等.藍光激發(fā)的Na2ZnSiO4:Eu3+紅色熒光粉的合成及發(fā)光特性[J].硅酸鹽學報,2015,43(1):93-97.

[7]HAOMIAO ZHU,CHUN ChE LIN,WENQIN LUO,etal.Highly efficient non-rare-earth red emitting phosphor for warm white light-emitting diodes[J].Nature Communications,2014, 5:4312.

[8]YE S,XIAO F,PAN Y X,et al.Phosphors in phosphor-converted white light-emitting diodes: recent advances in materials,techniques and properties[J].Materials Science&Engineering R,2010,71(1):1-34.

[9]LIN C C,ZHENG Y S,CHEN H Y,,et al. Improving optical properties of white LED fabricated by a blue LED chip with yellow/red phosphors[J].J ElectrochemSoc,2010,157:900–903.

[10]A Zukauskas,M S Shurand,R Gaska.Introduction to Solid-State Lighting[M].New York:John Wiley&Sons Inc,2002.

[11]錢可元,馬駿,付偉,等.基于Mie散射理論的白光發(fā)光二極管熒光粉散射特性研究[J].物理學報,2012,61(20):204201.

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

(責任編輯 王海雷)

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

2015-04-01

國家自然科學基金項目(61405118);浙江省自然科學基金項目(LQ13A040004).

李雅飛(1993-),女,浙江臺州人,微電子學專業(yè),主要研究方向為光電子材料