摘要 : 分析 了荧光粉转换型 白光 LE D 照 明光源色 坐 标 、 显色 指数 、 色温和 发光效 率与驱 动 电流 和温度 的关 系 。 驱动 电流 的增加将 引起 蓝光波峰 的长 移 , 并随电流的增大而增大 ; 但其对色坐 标 、 色温和 显色指数并未引 起较大的变化 , 而发 光效率发生下降 。 主要原 因为蓝光波峰 的红 移导致荧光粉 与激发波 长的不 匹配 , 引起荧 光 粉发光效率的下降 。 这个现象在不 同环境温度 下的发光也 得到证 实 。 实验 结果 认为 LE D 的驱动 电流为 20 m A , 温度低于 50 ℃ 时具有较好的发光效率 。 而 显色指数要通过增加红色成分来改善 。

关 键 词 : 白光 LE D ; 照 明光源; 显色 ; 发光效率

1   引 言

随 着半导体 科 学 技 术 、 材 料 生长 和 器 件工 艺 水 平 的 不 断 发 展 和 完 善 , 各 种 颜 色 的超 高 亮 度 LE D 取得 突破性 进展 , 1 9 91 年 Ni ch ia 公 司 N ak a - m ur a 等 人首 先 以 蓝宝 石 为衬 底 , 研制 成 掺 Mg 的 Ga N 同质结 蓝 光 L E D , 1 9 9 3 年将 蓝 光 发光 强 度提 高到 Icd , 19 9 5 年达到 Zcd , 并于 同年 实现绿 光 1卫I〕 商品化 , 其 光强达 到 6 cd 。 19 9 5 年 1 月 , N a k a n l ura 展示了用于交通信号灯的 L E D 。 19 97 年 , Ni ch ia 公 司研制成 功连续 波 工 作 、 寿 命超 过 10 0 0 0h 的 蓝 光 LE D , 发光效率达到50 1时W , 光色 已实现可 见光波 段 的全彩色化 , 包括 白色 L E D 。 这给 白光照 明光源 提供 了新的途 径 , 是 21 世 纪最 有 价值的一 种 新光 源 。 1 9 9 8 年 , 日本通 商产业 省投 资 50 亿 日元 启动 国家项 目 “ 21 世纪 的照 明 ” , 在世 界 率先 开 展 日光 色 L E D 照 明光 源 实 用 化 的 研 究 , 计 划 从 20 05 年 起 , 逐 步取 代 白炽 灯 和 荧 光 灯 。 同时 , Phil iPs , 压 - ~ , Si ~ ns 等多家公 司也 全力 角逐这一市 场 。 目 前 , 世界上 生产 LE D 的半 导体 公 司纷 纷 和 老牌 灯 泡制造商结盟 , 抢占这个 可以说是未来最大的照 明 市场 。 美 国 I于 公 司联 合 了 日 本 Ni ch ia 和 德 国 Si ~ ; 美 国 C r e 公 司 、 德 国 Si ~ ns 又 和 压~ 联合; 美 国 E MCO R E 公司和 (;E 电器公 司联 合等 。 其中德国 压~ 和 美 国 G E 电器公 司 都是 世 界 三 大灯泡制造 商之 一 。 因此 , 目前 I.E D 照 明灯对 传 统的 照 明 灯 发 起 了挑 战 。 业 内 人 士 预 计 2 0 05 一 2 01 0 年 全 球 L E I) 照 明 市 场 规 模 将 逾 10 亿 美 元 [ l一 3 ] 。

白光 LE D 与其 他 照 明光 源 相 比 , 在 使 用方 便 、 安 全 、 光 色 稳 定性 能 、 寿 命等方面 已 经做得非 常 好 ; 并且 白光 LE D 光 源 部 分 代替 荧 光 灯 , 减少 了汞污染 、 节能 、 减少 了 二氧 化碳 和其他 温室气体 的产生 , 在环 保方面 有 其 明显 的 优 势 。 主要 的 研 究集 中在 白光 I , E D 照 明 光 源 的色 坐 标 、 显 色 指 数 、 色温和 发光 效率等参数 。

2 实 验

I _ E D 产 生 白光有 两个途径 :

(1) 红 绿蓝 三 基 色 L E D 组 成 像 素灯 , 通过 按 红绿 蓝三基 色发 光的 比例 混合得 到 白光 。 它 由四 块芯 片组成 , 一红 一绿 二蓝 (或二 红一 绿一 蓝) , 用 6 根 引脚 分 别 寻 址 。 其 中两 根 中心 引脚公 用 , 另 外 , 每一芯 片各 一根 引脚 , 发 射 的颜色根 据加 到每 块 芯 片上 的不 同功 率控 制而 改变 。 产 生 白光 主要 是控制 通 过 红 色 、 绿 色 和 蓝 色 LE D 的 电流 而 获 得 。 其发光 的相对 光谱功率分布 尸 (又)如 图 1 (a) 所示 。

(2) 利 用 蓝 光 LE D 作 为 基 础 光 源 , 将 蓝 光 L E D 发 出的一 部分蓝光 用 来激 发荧 光 粉 , 使荧 光 粉发 出黄光或红 光和 绿 光 , 另一 部 分蓝 光透 射出 来 , 由荧光 粉 的黄 绿 色 光 或红 光 和 绿 光 与透 射 的蓝光组 成 白光[s] , 见 图 1 (b) 。 这 时对 荧 光粉有两 个要求 : 一是 荧光 粉的激 发 波长 与蓝光 发 光 二极 管的发 射波 长相 匹配 , 以确保获得 高的转换 效率 , 二是 要求荧光 粉 的发 光 与 蓝色 I , E D 的发 光 可 以 配成白光 。 只要 选好 荧光 粉 , 然 后 调整 荧光 粉 发 光和 蓝光 的 比例 , 就可 以很容易地实现 白光 。

作为照 明光 源 , 它 的光 色 参数 有 : 总 光 通 量 中 , 色 品坐标 x , y 或 “ , v; 色 温 丁 。 ; 显色 指数 R a 和发 光 效率 研 4 ] 。 为 了分 析 驱 动 电流 和 温 度 对 L E D 光色参 数的影 响 , 我们 建立 了如 图 2 所示 的 I 卫D 测试装 置 , I .E D 放在一 个 直径 1 80 m m 的 积 分球 内 , 积 分 球 放 在 恒 温箱 内 , L E D 的发 光 通 过 光缆 传到 JS 一 2 0 0 型 L E D 光谱 分 析 系 统 上 进 行 测量 。 图 3 为 驱 动 LE D 的方 波 恒 流 源 , 电 流 在 1 一 1 0 0 0 m A 可调 , 频率 I k H z , 占空 比 1/ 8 。

3 实验 结 果 和 分 析

白光 L E D 光源 的光 色特性除了 受 芯 片和 荧 光粉的影响 外 , 还 受到 驱 动电流 和环 境 温 度 的影 响 , 表 1 示 出 了不 同工 作 电流 下 荧光 粉转换 白光 LE D 的光色 参数 , 其 中 I F 为 白光 LE D 的工 作 电 流 ; x , y 为其 色 品坐标 ; R 。 , T 。 和 又, 为其 显 色指 数 、 相关色 温和峰值波 长

可 见 , 荧 光 粉转 换 白光 LE D 的 显 色 指 数 为 80 左 右 , 随 着 工 作电流 的 增 大 , 蓝 峰 波 长 稍 有红 移 , 显 色指 数 稍有 增 加 , 但不 明显 ; 工作 电流 达到 5 60 m A 的时 候 , 其 显 色 指 数 不过 为83 。 所 以 , 通过增大 白光 I一D 的 工 作电流 来提 高 其 显色 指 数 并不合适 。 实 际 上 , 从其发 光 的相 对 光谱功率分 布(图 1 (b) )可看 出 , 它 的光谱长 波部 分 比 日光 色 低 很 多 。 我 们给 该 白 色 L E D 灯 配 以 波 长 为 65 0 n m 的 红 色 L E D 来 补 充 , 图 4 给 出这 种 白色 L E D 工 作 电流 为 25 m A , 红 色 L E D 工 作 电流 为 IOm A 时 的光谱图 , 组 合 I _ E D 的显色 指 数 可以达 到 93 。 提高荧光 粉的红 光能量 将是 最佳的方法 。

对红 、 绿 、 蓝三 基色 L E D 组 合发射 的 白光 , 调 节 红 、 绿 、 蓝 的 工 作 电流 可 以 获 得 一 定 的 显 色指 数 , 甚至也 能达到 90 。 但是这 种方法 电流 的调节 复 杂 , 一致性较 差 。 所 以 , 作 为 照 明 用 的 L E D 光 源 应选用荧 光粉转 换型 白光 I卫D 。

表 2 示 出 白色 I卫D 发 光效 率 与工 作电流 的 关 系 , 表 3 给出的是红 、 绿 、 蓝 三基色 I一D 组 合白 光 LE D 发光 效率的变化 。 可见 , 荧光粉转换型 白 光 LE D 的发 光效 率要 高于 三 基色 组 合白光 LE D 光源 。

表 4 给出了 白色 LE D 与红 色 L E D 组 合的情 况 ; 从表 2 、 表 4 可见 , 白色 LE D 的发 光效 率 随电 流 的增大而减小 , 这是 因为 电流 增 加导 致蓝光波 峰的 长 移 , 使荧 光 粉激发 波 长 的匹 配效 率下 降 。 所 以减 小 LE D 工作电流 可 以提 高其发光 效率 , 但 要达到 同 样 光 通 量 所 需 I一D 数 量 增 加 , 成 本 上 升 。 随 着功率的增 加 , 光通 量也增 加 , 但存 在一个 极 大 值 , 所 对 应 的 电 流 为 20 m A 左 右 , 从 节 省 L E D 数 量 出发 , 对恒流 驱动 的 L E D 灯 , 可 选用 40 一 5 0 m A 的 电流 。

综 上 所 述 , 我 们选用 1 0 个 白色 L E D 和 20 个红 色 LE D 组 成 照 明 光 源 , 每个 L E D 电 流 为 40 m A , 测 得 其 总 光 通 量 为 3 07 lm , 发 光 效 率 为 1 9 . 8 8 lm / W , 显 色指数为 9 1 。

我 们将这个 LE D 灯放在恒温 箱 中测 量 。 结 果示 于表 5 , 可见 温度 升高 , 发光 效 率 下 降 , 当 温 度大 于 50 ℃ 时 , 色 温偏 高 , 显色 指 数变 劣 。 主要 由于温度 升高 , 蓝 光波 峰红移 , 荧光粉 波峰变平坦 而 劣化

4 结 论

作为 照 明用 的 白光 L E D 光源 , 应选用 荧光 粉 类 L E D , 其光色 特性除了受 芯 片和 荧光 粉 的影 响 外 , 还受到 驱 动电流和 环境温 度 的影响 , LE D 的 驱 动 电流 以 20 m A 左右为宜 , 温 度低于 50 ℃ 时具 有较 好 的发光效 率 。 而显色指数 要通过 增加红 色 成 分来改 善 。 为了达 到实用 化 , 靠改变 I卫D 白光 照 明光源 的使 用 条 件来提高光 色性 能 还不 成 熟 ; 依赖 技术的改 进 、 材料 和 器 件工 艺 水平 的 发 展才 能提高 白光 I J E D 的光色 特性 。