L E D技術，大多采用C e 3 +激活的稀土石榴石(Y A G:C e 3+)黃色熒光粉，由于該熒光粉的發(fā)射光譜中缺少紅光成分，難以同時實現(xiàn)低色溫和高顯色性。但人們在日常生活中已經(jīng)習慣了低色溫(3 O O O K左右)的照明光源，而且高顯色性光源在博物館、外科手術等特殊照明場所有其潛在的應用前景。因此無論從學術意義，還是應用角度，發(fā)展低色溫高顯色性白光L E D都具有十分重要的意義。
[0028]筆者在實驗中采用大功率藍光LED芯片作為激發(fā)光源，分別用熒光粉轉換法和紅光L E D補償法制備了低色溫及高顯色性白光L E D，并對器件的發(fā)光特性進行了研究。
[0029]2實驗內(nèi)容
采用同一批大功率藍光L E D芯片進行了如下實驗:
(I )采用大功率藍光L E D芯片同時激發(fā)黃色熒光粉和紅色熒光粉，通過調(diào)整熒光粉中紅粉的比例，得到了不同色溫和顯色指數(shù)的白光L E D。研究了器件的發(fā)光特性隨工作電流及紅色熒光粉含量的變化。(2 )用大功率藍光L E D激發(fā)Y A G: C e 3+黃色熒光粉，同時用紅光L E D進行補償，通過調(diào)整L E D芯片發(fā)射的藍光、紅光及熒光粉的發(fā)光強度，制備出低色溫和高顯色性白光L E D。需要說明的是，在這部分實驗中采用的是市場上一般水平的大功率藍光L E D芯片，如果采用較高水平的L E D芯片，實驗效果會更好。
[0030]3結果與討論
文集I給出了采用藍光L E D芯片同時激發(fā)黃色和紅色熒光粉得到的白光L E D的光譜分布。該白光L E D以紅色熒光粉的發(fā)射光譜為主，光譜峰值波長位于6 I O ηm，色坐標x = Q.4093，y = Q.3678。其色溫和顯色指數(shù)分別為3 2 O O K和8 3.2。但由于目前紅色熒光粉的轉換效率較低，在同樣的工作電流下，器件的光通量和發(fā)光效率只有I 4.1 I m和I 2.7 2 I m / W。通過調(diào)整兩種熒光粉的比例，可以得到不同色溫的白光L E D。文集2和文集3分別給出了大功率白光L E D的相對光譜、光通量(Φ )和顯色指數(shù)(R a )隨紅色熒光粉百分含量(C)的變化。隨著熒光粉中紅粉含量的增加，更多的紅色熒光粉吸收L E D芯片產(chǎn)生的藍光后發(fā)生輻射躍遷并發(fā)出紅光，導致了相對光譜的紅移，同時器件的色溫逐漸降低，而顯色指數(shù)逐漸升高。但是，由于所用紅色熒光粉的量子效率較低，要產(chǎn)生較多的紅光就必須吸收更多的藍光，這導致了器件光譜中的藍光和黃光成分減少，器件整體光輸出減少。
[0031]采用G a N基倒裝焊大功率藍光L E D芯片激發(fā)黃色熒光粉，同時采用A I G aI η P高亮度小功率紅光L E D進行補償也可制備白光L E D。文集4給出了采用這種方法制備大功率白光L ED器件的結構示意文集。為了使器件結構更為緊湊，可以將小功率紅光L E D芯片粘結在大功率L ED芯片的Submoun t上，根據(jù)器件的實際情況，兩者可以共用P電極或N電極。實驗中共用了 I支大功率藍光L E D芯片和5支小功率紅光L E D芯片，在大功率藍光L E D芯片上涂敷熒光粉時，應盡量避免將熒光粉覆蓋到紅光L E D芯片上，避免由于熒光粉的散射和吸收降低紅光L E D的光輸出。
[0032]文集5為采用紅光LED補償法得到的白光LED的發(fā)射光譜。實驗中大功率藍光L E D采用3 5 O mA直流驅動，消耗的電功率為1.1 5 W，5支紅光L E D的工作電流均為2 O mA，消耗的電功率之和為0.2 2 W。其色溫和顯色指數(shù)分別為3 4 5 O K和9 3.9，色坐標X = 0.3630，y = 0.3721。器件的光通量和發(fā)光效率分別為26.61m和19.421m / W，遠遠高于采用藍光L E D同時激發(fā)黃色和紅色兩種熒光粉得到的器件水平。隨著發(fā)光二極管(LED)芯片和封裝技術的提升，白光LED作為普通照明光源逐步受到人們的青睞。它具有低壓、低功耗、高可靠性、長壽命等一系列優(yōu)點，已廣泛應用于LED路燈、LED燈具等領域，是一種符合國家“節(jié)能減排”政策的綠色新光源，有望取代目前在照明領域占統(tǒng)治地位的熒光燈和白熾燈。熒光燈在發(fā)光過程中需利用汞蒸氣作為放電介質，對人體產(chǎn)生危害。2006年開始已在歐盟地區(qū)禁售。白熾燈由于電光轉換效率低，2009年9月，歐盟率先出臺白熾燈禁售的政策，各國也紛紛發(fā)布禁售的進程，使得白光LED向普通照明尤其是室內(nèi)照明又向前推進了一大步。然而，白光LED的顯色性是制約其進入室內(nèi)照明，特別是閱讀照明、醫(yī)療照明的技術瓶頸。長期以來，人們采用InGaN基藍光LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石(YAG = Ce3+)黃色熒光粉組合來制備冷白光LED (Tc>5000K),可實現(xiàn)顯色指數(shù)高于80，但制備暖白光LED (Tc<5000 K)時，由于白光LED光譜的不均衡使得人們在技術上難以同時實現(xiàn)低色溫和高顯色性。本文通過探討制備低色溫、高顯色性大功率白光LED方法，分析其優(yōu)缺點，并從中總結實現(xiàn)低色溫、高顯色大功率白光LED的最佳方案。2制備低色溫高顯色性白光LED的方法2.1 RGB三基色芯片混合成白光將紅、綠、藍三色LED功率型芯片集成封裝在單個器件之內(nèi)，調(diào)節(jié)三基色的配比，理論上可以獲得各種顏色的光。通過調(diào)整三色LED芯片的工作電流可產(chǎn)生寬譜帶白光。吳海彬等人自行設計的集成功率型I W白光LED色溫可以覆蓋2700?13000 K，顯色指數(shù)均可做到80以上。Yoshi Ohno等人[6]通過模擬仿真三基色芯片和四基色芯片LED模型獲得了色溫Tc為3000-4000 K，顯色指數(shù)Ra分別為80-89和90以上的白光。也就是說通過多芯片集成的方法能獲得低色溫高顯色性的白光LED。這種方法的缺點是它的封裝結構比較復雜，電路實現(xiàn)上較困難，白光穩(wěn)定性較差，成本比較高。由于紅、綠、藍三種顏色LED芯片的量子效率不同，紅、綠、藍三種顏色LED芯片它們各自隨溫度和驅動電流變化不一樣，且隨時間的衰減也不同，所以輸出白光的色度不穩(wěn)定。為了保持穩(wěn)定，需要對三種顏色分別加反饋電路進行補償，所以封裝結構設計電路比較復雜。這種方法的優(yōu)點是效率高和使用靈活，由于發(fā)光全部來自紅、綠、藍三種LED，不需要進行光譜轉換，因此，其能量損失最小，效率最高。同時由于RGB三色LED可以單獨發(fā)光，其發(fā)光強度可以單獨調(diào)節(jié)，故具有相對較高的靈活性。選擇RGB三基色合成白光技術實現(xiàn)功率型白光LED，主要應用于顯示行業(yè)，如動態(tài)廣告牌、商業(yè)等大型和超大型全色顯示屏的信息顯示。2009年5月份歐司朗光電半導體公司新開發(fā)出體積最小的RGB Mult1-Chip LED，特別適合應用于大尺寸高分辨率的全彩屏幕，確保畫面近距離觀看依然清晰。2.2近紫外LED芯片激發(fā)熒光粉采用高亮度的近紫外LED (?400 nm)激發(fā)RGB三基色熒光粉，產(chǎn)生紅、綠、藍三基色，通過調(diào)整三色熒光粉的配比可以形成白光。Katsuya Kobashi等人采用405 nm近紫外LED芯片激發(fā)混合的三基色(紅色、綠色和藍色)熒光粉，獲得了白光LED的Tc和Ra分別為3900K和96。采用類似方法TakeshiFUIWI等人[9]的研究表明近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉(ML-R/G/B)產(chǎn)生的白光LED效果比激發(fā)混合的三基色熒光粉所產(chǎn)生的白光要好。實驗測得近紫外LED激發(fā)分層的三基色熒光粉(R/G/B)獲得的白光的Tc和Ra分別為2613 K和94，光通量為8.22 lm，而激發(fā)混合的三基色熒光粉獲得的白光的Tc和Ra分別為4375 K和83，光通量為7.82 Im0這是因為在混合RGB熒光粉的LED中，紅色熒光粉會吸收周圍附近藍、綠色熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光，而在分層的R/G/B熒光粉的LED中，由于紅色熒光粉是在最底層，不會吸收上層的藍、綠熒光粉被紫外激發(fā)的藍、綠光。除了用近紫外LED激發(fā)三基色熒光粉外，Jong SuKim 等人采用 375nm 近紫外 LED 芯片激發(fā) Sr3MgSi2O8 = Eu2+ (藍和黃)或 Sr3MgSi2O8: Eu2+，Mn2+(藍、黃和紅)單一白光熒光粉，獲得了白光LED在Tc=5892 K下的Ra=82和在Tc=4494 K下的Ra=92。這種方法的優(yōu)點是:(1)在低色溫情況下，顯色指數(shù)高；(2)光色與色溫可調(diào)。其缺點是:(I)高發(fā)光效率的功率型近紫外LED芯片不容易制作，價格昂貴；(2)封裝材料(如硅膠等)在紫外光的照射下容易老化，壽命縮短；(3)近紫外激發(fā)的RGB熒光粉光轉換效率不高；(4)存在紫外線泄漏的安全隱患。2.3藍光LED芯片激發(fā)熒光粉2.3.1藍光LED激發(fā)單色熒光粉目前，白光LED主流的制備方法是藍光LED芯片激發(fā)YAG = Ce3+黃色熒光粉。鄭代順等人采用藍光LED分別激發(fā)兩種單色黃色熒光粉YAG = Ce3+得到的白光LED的Tc和Ra分別為5000 K、4000 K和64.6,69.3，但其器件的光通量Φ和發(fā)光效率η達到了 27.7lm、25.5 Im和23.98 lm/W、22.91 lm/W。該方法的優(yōu)點是可獲得光通量和發(fā)光效率較高的白光。此方法缺點是難以得到低色溫高顯色性的白光，由于光譜中缺少紅光成分，所以色溫高而顯色性差。目前，藍光LED芯片和YAG =Ce3+黃色熒光粉混合方案難以實現(xiàn)在4000 K以下的低色溫且Ra>80高顯色性的白光LED。 2.3.2藍光LED激發(fā)雙色熒光粉鄭代順等人采用藍光LED芯片激發(fā)黃色和紅色熒光粉得到的白光LED的Tc和Ra分別為3200 K和83.2，但由于目前紅色熒光粉的轉換效率較低，在同樣的工作電流下，器件的Φ