白光LED的解决方案

中心议题：
    * 在蓝光LED上加荧光粉制成LED的结构
    * 荧光粉涂层对白光LED发光均匀性的影响
    * 高演色性白光LED及商品化白光LED的演色性

最简单的白光LED是在蓝光LED上加**荧光粉得到的，又称其为1-PCLED（Phosphor Converted LED），其基本构造如图1所示。因为这种LED采用了环氧树脂封装，所以光易于放出，所用荧光粉主要成分是YAG：Ce，其化学组成是（Y1-aGda）3(Al1-bGab)O12：Ce3+，Gd(Gadolinum，钆)可以改变Ce3+晶体电场，使光的波长增加而发黄光，图2(a)是465nm蓝光LED在室温20mA时的电致发光（EL：Electroluminescence）光谱，图2(b)是蓝光LED激发YAG：Ce荧光粉所产生的光谱，产生555nm黄光，此黄光与蓝光混合而成白光。图3是不同含量YAG：Ce荧光粉在色度图中的位置，图中并有蓝光LED与不同含量荧光粉所产生白光在图中的位置。







R.Mueller-Mach等人用理论计算出，当LED与荧光粉发光功率不同比例时，460nm蓝光LED加YAG：Ce荧光粉所产生白光的色温CCT值、演色性Ra值及发光效率列在图4的插表中，图4是其光谱图。当色温大于5000K时，Ra>80。图5(a)是同一成分P7193荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值，图5(b)则是同一波长蓝光LED但成分不同的YAG荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值，由图可知，Ra的值均在60~80范围的值，似乎不太理想。







R.Mueller-Mach等人又用理论计算出，pn结温度对1-pcLED的影响，其结果如图6 (a)所示，图6 (b)是实验结果，两者颇为相近，由图可见，温度上升时，色温及Ra值均上升。



M.R.Kramas等人发现，如果将荧光粉随意放在LED芯片上，如图7(a)所示发光均匀性不佳，所以改变方式如图7(b)所示，将荧光粉均匀地涂在LED表面上，图7(c)则比较两者的CCT及Ra值，发现用图7(b)方法者其CCT值变动甚少。图8是Lumiled公司2002年发表的最佳白光结果，光输出在350mA时大于40 lm。





YAG：Ce荧光粉因为缺少红色，所以Ra值不高，G.O.Mueller等人加强YAG：Ce的红色使Ra值>90，其光谱如图9所示。



因为一个荧光粉的Ra值较低，R.Mueller-Mach等人利用了两种荧光粉，一种荧光粉产生绿光TG：Eu(SrGa2S4：Eu2+)，另一种荧光粉产生红光SrS：Eu2+，图10是此两种荧光粉的激发及辐射光谱。图11所示是TG：Eu荧光粉特性以及激发与辐射光谱。







R.Mueller-Mach等人又用理论计算出，在蓝光LED加以上两种荧光粉后的、在不同B/G/R发光功率时的光谱，如图12所示，图中有插表，可见其Ra值大于90。图13是蓝光LED及TG：Eu与SrS：Eu荧光粉在CIE色度图中的位置。图14所示是实验结果，图14(a)是用不同R/G/B发光功率做成白光的光谱，Ra>85，CCT=3200~4400K，图14(b)是2pcLED的Ra与CCT值的关系，大部分Ra大于80。







H.Wu等人用SrGaS4：Eu2+作蓝色荧光粉、用Ga1-xSrxS：Eu2+作红色荧光粉得到的白光LED的CCT约为5937K，Ra约为92.2，K约为15 lm/W。

最近R.Mueller-Mach等人用6组两种荧光粉、用Ga1-xSrxS：Eu2+作红色荧光粉得到CCT=3000K的白光，这6种组合的光谱如图15所示，图中附表是此6种组合产生的白光在3000K时的Ra及发光效率K值，并有详细的R1到R8值及平均值Ra，另附有R9值以表示其红色的反应在32~86之间，红色似乎不够高。



因为1pc缺乏红色，所以R.Mueller-Mach等人在YAG：Ce荧光粉上加深红色荧光粉CaS：Eu2+改变其比例，得到如图16所示的不同色温的光谱，图中附表有R1到R8的值及Ra平均值，以及R1至R14的R平均值，在CCT 2880K时Ra约为91.9、R约为88.9， CCT=3300K时Ra约为93.2、R约为90.9，CCT=3800K时，Ra约为94.4、R约为92.8。



Nichia公司的I.NiKi等人利用最新发展的蓝光LED（19.3mW@20mA，ηext~35.8%）与YAG荧光粉制成高功率白光LED，其光强度、发光效率与电流的关系如图17(a)所示，CCT=5470K，ηL=61.4 lm/W，在CIE色度图中的坐标是当0.333mA、0.346mA、20mA时4.22 lm(3.44V)，比白炽灯亮四倍，在低电流时ηL约为 100 lm/W。图17(b)所示是Ra值与色温CCT的关系，在色温高是Ra尚可，但是在低色温时，Ra因缺少红色而下降。本想建议用有硫（S）的荧光粉以增加红色，但因有硫的材料不稳定故另行发展了新的荧光粉，图17(c)中比较了短YAG（黄光540nm）、长YAG（黄光570nm）及新的红色荧光粉(655nm)的PLE光谱，图17(d)是短YAG、长YAG、新的红色荧光粉受蓝光激发时的放射光谱。





图18(a)中比较了高演色性白光LED与目前已商品化的白光LED的光谱，高演色性白光LED是在蓝光LED上加短YAG及新的红荧光粉而制成的。由图可知，高演色性白光LED的红色部分增加。图18(b)中比较此两种LED的演色性，可见高演色性白光LED的Ra值较高，图18(c)中则比较高功率及高演色性白光LED的光谱，这两种LED是比较暖和的白光LED，高功率白光LED在20mA时1.49 lm，CCT约为2810K，ηL约为23.1 lm/W，Ra=72.5，高演色性白光LED在20mA时1.23 lm，CCT约为2830K，ηL约为18.9 lm/W，Ra=87.5。图18(d)中比较高及高演色性白光LED的Ra值，高演色性白光LED的Ra值较高。

最近H.Y.Chou等人在蓝光LED上加YAG荧光粉得到的Ra值约为70，然后再加上625nm红光LED或者617nm红橘光LED，将Ra值提高到80以上，而CCT接近3500K。