兩種熒光粉混合涂覆的白光LED的光譜方程的建立

許建文，陳國慶, 吳亞敏, 馬超群, 辜 姣

1. 江南大學理學院，江蘇 無錫 214122 2. 江蘇省輕工光電工程技術(shù)研究中心，江蘇 無錫 214122

引 言

隨著白光LED行業(yè)的迅速發(fā)展，人們對白光LED的發(fā)光性能提出了越來越高的要求，如更高的發(fā)光效率、更高的顯色指數(shù)以及適合于各種不同照明條件的色溫等[1]。白光LED燈與普通照明用普通白熾燈和熒光燈相比，具有使用壽命長、可靠性高、環(huán)保、功耗低、體積小等優(yōu)點[2-4]。白光LED可以由藍光芯片和黃色熒光粉(或者是綠色熒光粉和紅色熒光粉)實現(xiàn)[5]；也可以是紫外芯片與藍色熒光粉、紅色熒光粉、綠色熒光粉混合所得[6], 這種方法以其低成本和高發(fā)光效率而聞名[7]。而如今使用最為廣泛的且成本較低的方法是用寬帶綠色熒光粉與InGaN藍光芯片或GaN藍光芯片組合，但是往往這種組合的顯色指數(shù)都低于80，而室內(nèi)照明的顯色指數(shù)都要高于80，所以用加入紅色熒光粉來提高顯色指數(shù)，可以很好的解決這一問題[8]。

為了更準確的對光譜進行預測，近年來對多熒光粉構(gòu)成的白光LED的光譜優(yōu)化已然成為了研究熱點[8]。本文采用在藍光LED芯片上涂覆綠、紅熒光粉的方法來實現(xiàn)白光LED，且制備了大量不同濃度和比例的樣品，并最終實現(xiàn)了在已知實際熒光粉質(zhì)量比與濃度的情況下就能得出目標光譜圖，并與實驗光譜圖吻合效果良好。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

杭州螢鶴光電材料有限公司硅酸鹽系列的YH-S525M綠色熒光粉；高顯粉系列的YH-C640E紅色熒光粉；道康寧公司的A膠與B膠；GaN藍光LED芯片。杭州遠方色譜有限公司帶有夾具的積分球的HAAS-2000高精度快速光譜輻射計；英國Edinburgh FLS920P型熒光光譜儀。

1.2 藍光芯片的發(fā)光光譜與熒光粉的激發(fā)、發(fā)射光譜

使用高精度快速光譜輻射計測量了藍光LED芯片的發(fā)光光譜(圖1)，發(fā)射峰位置在455 nm。使用熒光光譜儀測量紅色熒光粉與綠色熒光粉的激發(fā)與發(fā)射光譜(圖2)，圖2中綠色熒光粉的發(fā)射峰位置在527 nm，紅色熒光粉的發(fā)射峰位置在641 nm。

圖1 發(fā)射峰在455 nm的藍光LED光譜

圖2 兩種熒光粉的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜

1.3 樣品制備與光譜方程

將熒光粉與AB膠混合，攪拌均勻后涂覆于帶凹槽的藍光LED芯片上，然后放在150 ℃的烘烤箱里固化1.5 h，將固化后的樣品冷卻至室溫后，使用帶有夾具的積分球測量其發(fā)光光譜。

圖3 不同熒光粉涂覆的LED樣品

優(yōu)化光譜的主要影響因素是不同濃度和比例的兩種熒光粉的吸收和發(fā)射的相互作用。濃度是指熒光粉的質(zhì)量與熒光粉和AB膠總質(zhì)量的比值。比例是指兩種熒光粉的質(zhì)量比。這一過程可以被分解為一系列的光譜方程[9]，他們可以被寫成

yr=(yrsyrryrm+ygsygrygm)yrplyrp

(1)

yg=(yrsyrryrm+ygsygrygm)ygplygp

(2)

其中，yrr和ygr是紅色熒光粉和綠色熒光粉占總熒光粉的比例。

2 結(jié)果與討論

光譜方程的獲得分為3步，第一步是測量單一熒光粉隨濃度增加的光譜?？紤]到熒光粉的封裝以及色溫的影響，選擇的濃度范圍是7%～17%。單一的紅色熒光粉和單一的綠色熒光粉濃度從7%增加到17%(濃度間隔為2%)的總光譜都歸一化到藍光峰，如圖4和圖5所示。

圖4 歸一化到藍光峰的紅色熒光粉總光譜

圖5 歸一化到藍光峰的綠色熒光粉總光譜

然后記錄下歸一化后的峰值強度值。對歸一化到藍光峰之后的綠、紅峰值進行曲線擬合，結(jié)果如圖6和圖7所示。

因此，單一熒光粉的光強與濃度的經(jīng)驗公式可表示為

yrs=0.004 44x2-0.166 77x

(3)

ygs=-0.000 477 679x2+0.461 6x

(4)

第二步是測量兩種恒定比例的熒光粉隨濃度增加的吸收和發(fā)射相互作用的光譜?？紤]到顯色性要較高，實驗中使得綠色熒光粉和紅色熒光粉的恒定比例為3∶1[10]。同樣，在恒定綠色熒光粉和紅色熒光粉比例為3∶1的情況下，熒光粉的濃度也是從7%增加17%，并將測得的光譜歸一化到藍光峰，如圖8所示。并記錄歸一化到藍光峰后的綠峰值和紅峰值。

圖6 不同濃度紅色熒光粉的光強度

圖7 不同濃度綠色熒光粉的光強度

圖8 綠色熒光粉和紅色熒光粉恒定比例下不同濃度的總光譜

圖9 綠色和紅色熒光粉恒定比例下不同濃度的光強度

圖10 不同濃度的綠色和紅色熒光粉的光強度比例

綠色熒光粉與紅色熒光粉相互作用的經(jīng)驗公式如式(5)和式(6)

yrm=0.121 39x+0.293 65

(5)

ygm=-0.039 51x+1.077 8

(6)

在圖10中，綠色熒光粉和紅色熒光粉在不同濃度下光強比例的經(jīng)驗公式可表述如式(7)和式(8)

yrpl=0.015 67x+0.44

(7)

ygpl=-0.015 67x+0.56

(8)

第三步是測量紅色熒光粉比例不斷增加且在不同濃度下的光譜。并記錄了紅色熒光粉比例不斷增加且在不同濃度下的光譜歸一化到綠色熒光粉和紅色熒光粉比例為3∶1的綠光峰和紅光峰之后的峰值強度。

圖11 不同濃度比例的平均光強度

圖11顯示了不同濃度和比例的平均歸一化峰值。因此，不同比例熒光粉光譜歸一化到綠色熒光粉和紅色熒光粉比例為3∶1的綠光峰和紅光峰之后的經(jīng)驗方程可表述如式(9)和式(10)

yrp=1.574 67x+0.603 59

(9)

ygp=-2.930 79x+1.700 82

(10)

參考文獻中的模擬白光光譜=歸一化的藍光LED芯片發(fā)光光譜+歸一化的綠熒光粉發(fā)射光譜×yg+歸一化的紅熒光粉發(fā)射光譜×yr。

由于不同的熒光粉的原料組成以及各方面的光學性質(zhì)都有區(qū)別，所以該光譜方程需要加以完善才能符合我們選用的這兩種熒光粉。于是對于實驗光譜圖中的綠峰值與紅峰值取值并記錄。將這些實驗綠峰值和紅峰值分別與用參考文獻中的模擬白光光譜的方法得出的光譜圖中的綠峰值和紅峰值做比值。然后將這些數(shù)據(jù)用MATLAB的三維曲面擬合，得出綠修正系數(shù)和紅修正系數(shù)的方程。綠光的修正系數(shù)方程和紅光的修正系數(shù)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分別代表綠紅熒光粉的質(zhì)量比與濃度值。

最終模擬的白光光譜=歸一化的藍光LED芯片發(fā)光光譜+歸一化的綠熒光粉發(fā)射光譜×yg/fg(x,y)+歸一化的紅熒光粉發(fā)射光譜×yr/fr(x,y)。

圖12是光譜方程建立中未用到的濃度與比例的樣品的實驗光譜圖與模擬光譜圖，用以檢驗光譜方程的準確性。由于模擬光譜圖中的綠光和紅光部分用的是由熒光光譜儀測得的綠色熒光粉和紅色熒光粉的發(fā)射譜，而實驗中熒光粉混合后涂抹于LED芯片上的光譜圖是由高精度快速光譜輻射計測得，所以模擬圖與實驗圖對比，模擬圖中的綠光和紅光部分較實驗圖中的綠光和紅光部分有點向長波長方向偏移，這是由于兩種儀器測出來的綠光峰和紅光峰存在幾納米的差別所造成的?？偟膩碚f，模擬的LED光譜圖與實驗的LED光譜圖有較高的吻合度。說明建立的光譜方程能較為準確的模擬出白光LED的光譜圖。

圖12 模擬光譜圖與實驗光譜圖

3 結(jié) 論

建立的光譜方程能較為準確的模擬出白光LED的光譜圖，且在建立了具體的光譜方程之后，可以在沒有實驗儀器和不做實際實驗的情況下，根據(jù)兩種熒光粉的質(zhì)量比，以及與AB膠混合后的濃度直接得出最終的模擬白光光譜，并且這種方法得出的光譜與實際的實驗光譜吻合度較高。為制備具有特定光譜特性的白光LED提供了一種新的思路。同時也對于后續(xù)根據(jù)模擬出的光譜對白光LED的色坐標、色溫、及顯色指數(shù)及其他LED參數(shù)和指標的研究具有一定的參考價值。