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| 相關8000-4000K的白光LED的發射光譜和色品質特性介紹 |
| 2013-04-01 |
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1、實現相關色溫原理和實驗
市場上可以很方便地購得多家公司提供的不同等級的InGaN藍光LED芯片。這些芯片樣品可分為發射波長455-460nm、460-465nm及465-470nm；光強一般在40mcd以上。藍芯片尺寸大多為320X320um左右。依據發光學光轉換和色度學原理，采用藍光LED芯片和可被藍光有效激發的熒光粉有機組合成白光LED技術實現白光。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。調控各發光顏色強度比，實現各種色溫的白光。將含有熒光粉的優質高透過率樹脂膠仔細涂覆在藍芯片周圍，用常規的封裝工藝和環氧樹脂封裝成常規Ф5mm子彈型和半球型白光LED。白光LED的發射光譜，色品技及其他光電特性由相關公司生產的型號為SPR-920D型光譜輻射分析儀測試記錄。該儀器配有一個0.5m的積分球及直流電源。所有實驗均在室溫下進行，白光LED的發射光譜在正向電流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白光呈現發藍高色溫的白光。在照明光源標準中沒有這個標準。它是不能有作普通家庭照明光源的。這種高色溫發藍的白光LED可以用于要求不嚴的特殊照明和指示中，有一定用途。 相關色溫為8070K的半球Ф5白光LED的發射光譜，它是由InGaN藍光LED的電致發光光譜和稀土YAG：Ce體系黃色熒光體被藍光激發的光致發光光譜所組成，兩光譜的本質是不同的。這樣構成相關色溫為8070K的發藍的白光光譜，色品坐標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，色溫降低。此時白光LED中的藍光EL光譜和只有InGaN LED的藍光光譜相比是有差異的，因為發生熒光體高效的吸收藍光和光轉換的輻射傳遞。而這種光吸收（激發）與熒光體的激發光譜密切相關。由于這種熒光體光轉換過程致使白光LED中的藍光光譜的能量分布、發射峰以及半高寬等性質發生變化。所涂覆的熒光粉越多，藍色光譜變化越嚴重，在低色溫的白光LED中更為明顯。 該白光LED的色品坐標X=0.3146，Y=0.3360，它們落在CIE標準色度圖6400K標準色溫的色容差圖的最內圈，其色容差1.9，很滿意，顯色指數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的發射光譜，它屬于標準色溫為5000K的中性白光。光譜性質和上述相同，只是光譜中的黃成份的比例增加。該白光LED的色品坐標X=0.3422，Y=0.3543，其色容差在5000K標準色溫的色域中為2.1，很滿意，Ra=81。完全符合照明光源的光色參數要求。若要提高顯色指數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的光轉換倍數高達4.9倍。這里所說的光轉換倍數（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 迄今有關符合照明光源標準要求的4000K白光LED光譜和色品質的報告很少。這是因為僅用稀土YAG：Ce體系黃色熒光體難以制作合乎要求的Tc≤4000K的白光LED，顯色指數低，色品質差。為此，需要加入適量的紅色熒光體，補足光譜中紅成份。 4019K白光LED的發射光譜，它屬于標準的色溫為4000K的暖白色。光譜中黃和橙成份增加，相對光譜中藍成份的比例進一步下降。該白光LED的色品坐標X=0.3810，Y=0.3815，在標準4000K色溫的色容差的最內圈中，其色容差為0.6，顯色指數Ra=82。色品質甚佳，完全符合照明光的嚴格要求。
3、白光LED的性質與IF的關系
3．1 色品坐標 光源的色品坐標是一個重要參數。 在不同正向電流IF驅動下的色品坐標X和Y值的變化曲線：隨IF增加，色品坐標X和Y值逐漸偏離，到IF=70，80mA時，偏離非常嚴重。
3．2 相關色溫 由上述色品坐標X和Y值隨IF的變化，指明發生色漂移，這必然在相關色溫中也呈現反映。白光LED在不同IF工作下的相關色溫變化規律：隨著IF增加，相關色溫Tc（K）逐漸增加，由日光色變為藍白色。這是因為隨正向電流IF的增加，白光LED的發射光譜，特別是InGaN LED藍芯片的發射光譜發生很大變化，導致白光的發光顏色、色品質等性能改變。
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，藍光InGaN芯片的發光效率隨IF增加而逐漸降低的因素是多方面的：
首先，藍光InGaN芯片的發光效率隨IF增加而逐漸下降；
第二，隨著IF增加，P-N結溫快速升高，結溫和環境溫度上升，對半導體藍光芯片和熒光粉的發光將產生嚴重的溫度猝滅；
第三，由于在白光LED中發生藍光→黃光光轉換過程，產生光吸收的輻射傳遞，不僅使白光光譜中的藍芯片的EL的發射光譜形狀和發射峰發生變化，而且藍光效率下降在熒光體的光效下降和光衰程度似乎比InGaN藍芯片更快。實際上是熒光體的發光效率受藍芯片下降的“誅連”和強烈的制約。
4、結束語
綜上所述，采用藍光LED芯片和熒光體有機結合是可以成功地開發出8000-4000K不同色溫段，顯色指數高，色品質優良，符合照明光源CIE嚴格標準要求的白光LED。制作的白光LED的色容差可以達到很小。8000K、6400K、5000K和4000K四種色溫的白光LED的發射光譜、色品坐標、顯色性等光色特性與工作條件密切相關。隨著白光LED的正向電流增加，色品坐標X和Y值逐漸減小，而相關色溫逐步增大，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中發生光轉換過程，產生光吸收的輻射傳遞，致使白光中InGaN芯片的藍色EL光譜的形狀和發射峰發生變化。白光LED的上述特性與InGaN藍光LED芯片性能密切相關，在很大程度上受其制約。
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