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| 相關(guān)8000-4000K的白光LED的發(fā)射光譜和色品質(zhì)特性介紹 |
| 2013-04-01 |
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1、實(shí)現(xiàn)相關(guān)色溫原理和實(shí)驗(yàn)
市場上可以很方便地購得多家公司提供的不同等級的InGaN藍(lán)光LED芯片。這些芯片樣品可分為發(fā)射波長455-460nm、460-465nm及465-470nm；光強(qiáng)一般在40mcd以上。藍(lán)芯片尺寸大多為320X320um左右。依據(jù)發(fā)光學(xué)光轉(zhuǎn)換和色度學(xué)原理，采用藍(lán)光LED芯片和可被藍(lán)光有效激發(fā)的熒光粉有機(jī)組合成白光LED技術(shù)實(shí)現(xiàn)白光。熒光粉選擇是多樣性的，可以是一種黃色熒光粉或黃色和紅色混合熒光粉。調(diào)控各發(fā)光顏色強(qiáng)度比，實(shí)現(xiàn)各種色溫的白光。將含有熒光粉的優(yōu)質(zhì)高透過率樹脂膠仔細(xì)涂覆在藍(lán)芯片周圍，用常規(guī)的封裝工藝和環(huán)氧樹脂封裝成常規(guī)Ф5mm子彈型和半球型白光LED。白光LED的發(fā)射光譜，色品技及其他光電特性由相關(guān)公司生產(chǎn)的型號為SPR-920D型光譜輻射分析儀測試記錄。該儀器配有一個(gè)0.5m的積分球及直流電源。所有實(shí)驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，白光LED的發(fā)射光譜在正向電流IF=20mA下測試。
2、不同色溫白光LED的光譜特性
2．1 8000K的白光LED 7000-10000K白光呈現(xiàn)發(fā)藍(lán)高色溫的白光。在照明光源標(biāo)準(zhǔn)中沒有這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。它是不能有作普通家庭照明光源的。這種高色溫發(fā)藍(lán)的白光LED可以用于要求不嚴(yán)的特殊照明和指示中，有一定用途。 相關(guān)色溫為8070K的半球Ф5白光LED的發(fā)射光譜，它是由InGaN藍(lán)光LED的電致發(fā)光光譜和稀土YAG：Ce體系黃色熒光體被藍(lán)光激發(fā)的光致發(fā)光光譜所組成，兩光譜的本質(zhì)是不同的。這樣構(gòu)成相關(guān)色溫為8070K的發(fā)藍(lán)的白光光譜，色品坐標(biāo)x=0.2979，y=0.2939，在黑體軌跡的附近。
2．2 6400K的白光LED 在正向電流IF=20mA下的色溫為6450K的白光LED的發(fā)射光譜，它是屬于色溫為6400K的日光色,是目前照明光源使用的最廣泛的色溫之一。 其光譜所組成與2.1光譜相比，黃成份的光譜增強(qiáng)，色溫降低。此時(shí)白光LED中的藍(lán)光EL光譜和只有InGaN LED的藍(lán)光光譜相比是有差異的，因?yàn)榘l(fā)生熒光體高效的吸收藍(lán)光和光轉(zhuǎn)換的輻射傳遞。而這種光吸收（激發(fā)）與熒光體的激發(fā)光譜密切相關(guān)。由于這種熒光體光轉(zhuǎn)換過程致使白光LED中的藍(lán)光光譜的能量分布、發(fā)射峰以及半高寬等性質(zhì)發(fā)生變化。所涂覆的熒光粉越多，藍(lán)色光譜變化越嚴(yán)重，在低色溫的白光LED中更為明顯。 該白光LED的色品坐標(biāo)X=0.3146，Y=0.3360，它們落在CIE標(biāo)準(zhǔn)色度圖6400K標(biāo)準(zhǔn)色溫的色容差圖的最內(nèi)圈，其色容差1.9，很滿意，顯色指數(shù)Ra為82，完全符合照明光源的要求。
2．3 5000K的白光LED 色溫5118K的白光LED的發(fā)射光譜，它屬于標(biāo)準(zhǔn)色溫為5000K的中性白光。光譜性質(zhì)和上述相同，只是光譜中的黃成份的比例增加。該白光LED的色品坐標(biāo)X=0.3422，Y=0.3543，其色容差在5000K標(biāo)準(zhǔn)色溫的色域中為2.1，很滿意，Ra=81。完全符合照明光源的光色參數(shù)要求。若要提高顯色指數(shù)Ra，需要增加光譜中的紅成份，可能犧牲光效。此外，在IF=20mA下，白光LED的光轉(zhuǎn)換倍數(shù)高達(dá)4.9倍。這里所說的光轉(zhuǎn)換倍數(shù)（B）定義是在某一正向電流IF和不同的色溫下，是不同的。
2．4 4000K的白光LED 迄今有關(guān)符合照明光源標(biāo)準(zhǔn)要求的4000K白光LED光譜和色品質(zhì)的報(bào)告很少。這是因?yàn)閮H用稀土YAG：Ce體系黃色熒光體難以制作合乎要求的Tc≤4000K的白光LED，顯色指數(shù)低，色品質(zhì)差。為此，需要加入適量的紅色熒光體，補(bǔ)足光譜中紅成份。 4019K白光LED的發(fā)射光譜，它屬于標(biāo)準(zhǔn)的色溫為4000K的暖白色。光譜中黃和橙成份增加，相對光譜中藍(lán)成份的比例進(jìn)一步下降。該白光LED的色品坐標(biāo)X=0.3810，Y=0.3815，在標(biāo)準(zhǔn)4000K色溫的色容差的最內(nèi)圈中，其色容差為0.6，顯色指數(shù)Ra=82。色品質(zhì)甚佳，完全符合照明光的嚴(yán)格要求。
3、白光LED的性質(zhì)與IF的關(guān)系
3．1 色品坐標(biāo) 光源的色品坐標(biāo)是一個(gè)重要參數(shù)。 在不同正向電流IF驅(qū)動(dòng)下的色品坐標(biāo)X和Y值的變化曲線：隨IF增加，色品坐標(biāo)X和Y值逐漸偏離，到IF=70，80mA時(shí)，偏離非常嚴(yán)重。
3．2 相關(guān)色溫 由上述色品坐標(biāo)X和Y值隨IF的變化，指明發(fā)生色漂移，這必然在相關(guān)色溫中也呈現(xiàn)反映。白光LED在不同IF工作下的相關(guān)色溫變化規(guī)律：隨著IF增加，相關(guān)色溫Tc（K）逐漸增加，由日光色變?yōu)樗{(lán)白色。這是因?yàn)殡S正向電流IF的增加，白光LED的發(fā)射光譜，特別是InGaN LED藍(lán)芯片的發(fā)射光譜發(fā)生很大變化，導(dǎo)致白光的發(fā)光顏色、色品質(zhì)等性能改變。
3．3 白光LED的光通和光效 制作的白光LED的光通（Φ）和光效（η）隨施加的正向電流IF的變化曲線：隨IF增加，光通呈亞線性增加，趨向飽和，而光效逐漸下降。白光LED的光通和光效的這種變化，在不同色溫的白光LED中是一致的。對這種小功率白光LED來說，既要照顧光通量，又要考慮光效，故一般選擇在IF=20mA下工作。 藍(lán)光LED的光輸出功率隨IF增加呈亞線性增加。引起白光效隨IF增加逐漸降低的因素是多方面的。
首先，藍(lán)光InGaN芯片的發(fā)光效率隨IF增加而逐漸降低的因素是多方面的：
首先，藍(lán)光InGaN芯片的發(fā)光效率隨IF增加而逐漸下降；
第二，隨著IF增加，P-N結(jié)溫快速升高，結(jié)溫和環(huán)境溫度上升，對半導(dǎo)體藍(lán)光芯片和熒光粉的發(fā)光將產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度猝滅；
第三，由于在白光LED中發(fā)生藍(lán)光→黃光光轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生光吸收的輻射傳遞，不僅使白光光譜中的藍(lán)芯片的EL的發(fā)射光譜形狀和發(fā)射峰發(fā)生變化，而且藍(lán)光效率下降在熒光體的光效下降和光衰程度似乎比InGaN藍(lán)芯片更快。實(shí)際上是熒光體的發(fā)光效率受藍(lán)芯片下降的“誅連”和強(qiáng)烈的制約。
4、結(jié)束語
綜上所述，采用藍(lán)光LED芯片和熒光體有機(jī)結(jié)合是可以成功地開發(fā)出8000-4000K不同色溫段，顯色指數(shù)高，色品質(zhì)優(yōu)良，符合照明光源CIE嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)要求的白光LED。制作的白光LED的色容差可以達(dá)到很小。8000K、6400K、5000K和4000K四種色溫的白光LED的發(fā)射光譜、色品坐標(biāo)、顯色性等光色特性與工作條件密切相關(guān)。隨著白光LED的正向電流增加，色品坐標(biāo)X和Y值逐漸減小，而相關(guān)色溫逐步增大，致使色漂移；而光通量呈亞線性增加，光效卻逐漸下降。由于在白光LED中發(fā)生光轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生光吸收的輻射傳遞，致使白光中InGaN芯片的藍(lán)色EL光譜的形狀和發(fā)射峰發(fā)生變化。白光LED的上述特性與InGaN藍(lán)光LED芯片性能密切相關(guān)，在很大程度上受其制約。
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