在紫外线LED上加荧光粉制作白光LED

中心议题：
* 用不同数目及颜色LED加荧光粉制成的白光LED
* 比较由不同荧光粉组成的白光LED的特性
* 白光LED技术的优缺点比较
* 商品化白光LED的发光效率
解决方案：
* 用紫外光LED及荧光粉做成白光LED时，使用含TiO2 40%的硅阻挡层减少紫外光的漏出

到现在为止，在紫外线LED上加荧光粉制作白光LED的人还很少，图1(a)是T.Nishida等人在350nm UV LED加三色（TBC：Three Basal Color）荧光粉所得的光谱，图1(b)是白光在CIE色度图中的坐标位置，旁边是标准光源A的位置，Ra为86~89。



J.K.Park等人在波长400nm紫色或称n UV LED加Sr2SiO4：Eu2+荧光粉做成白光LED。图2(a)是在410nm光激发时不同Eu含量Sr2SiO4在室温时的PL光谱，波峰在520~540nm之间，图2(b)是在20mA时在400nm波长LED加Sr2SiO4：Eu2+荧光粉以及在460nm LED加YAG：Ce荧光粉的光谱图，两者都产生白光，只是Sr2SiO4：Eu的激发所得波长为560nm，而YAG：Ce的激发所得波长则是550nm。如果增加Sr2SiO4中的SiO2含量，波峰会移动变为长波长。图3是不同Eu含量Sr2SiO4荧光粉加紫光LED所做成的白光在CIE中的坐标位置，由图可知是直线关系。





Y.Narukawa等人做成的400nm LED样品a 在不同电流时的光谱如图4(a)所示。他们另做成的蓝光LED样品b的光谱如图4(b)所示，又在400nm LED加蓝色荧光粉做成的蓝光LED样品c的光谱如图4(c)所示。比较图4(b)及(c)可见，用蓝色荧光粉加紫光做成的蓝光LED不受电流的影响比较稳定。图5是样品a、b及c的光输出功率与电流的关系，在20mA时样品a的400nm LED的光输出功率为12m W(3.2V)，样品b的蓝光LED的光输出功率为8.5m W（3.4V），而用荧光粉将400nm变成458nm的蓝光LED（样品c）的光输出功率为7.2mW(3.2V)，电光转换效率为69%。





图6 (a)是蓝光LED+YAG荧光粉做成的白光LED的光谱(样品d)，而图6 (b)则是用400nm激发蓝光+**荧光粉在20mA时的光谱（样品e），样品d的CCT约为5900K，Ra约为84.9，Vf约为2.4V，ηL约为24.6 lm/W，而样品e的CCT约为5800K，Ra约为85.3，Vf约为3.2V，ηL约为26.1 lm/W，比样品d性能稍佳。图7(a)中比较了样品d及e的光强度、发光效率与电流的关系，样品e的发光效率在高电流时较高而且较稳定，而样品d的发光效率则随电流的增加而下降，图7(b)是样品d及e在色度图中x及y的位置，样品d的位置随电流的增加而改变，但样品e则几乎不变，可见用以400nm激发蓝色荧光粉所产生的蓝光LED加**荧光粉做成的LED比较稳定。








下面是紫光LED加三色荧光粉所做成的白光LED的结果。

Y.Sato等人是最早约1996年宣布用380nm n-UV LED激发ZnCdS：Ag（红色）、ZnS：CuAl（绿色）以及ZnS：Ag（蓝色）荧光粉得到如图8(a)所示的光谱，其所制成白光在CIE色度图中的位置是图8(b)中的d点。





J.Wagner 等人用394nm LED激发红、蓝、绿三色荧光粉得到如图9所示的光谱，其白光在CIE色度图中的坐标是图10中空心方块之处。此LED在20mA 时输入功率为1.12m W，白光LED光输出功率为0.28m W，CCT约为4000~4300K 之间，Ra=78。





J.K.Sheu等人也用400nm LED激发蓝、绿、红三色荧光粉，其中蓝色是BaMgAl14O23：Ru荧光粉，绿色是SrGa2S4：Ru荧光粉，红色是Y2O3：Ru荧光粉，由Nantex公司供给。图11 (a)是400 LED激发在20mA时得到的光谱，波长是450nm、500nm及600nm，图11(b)则是所得白光LED在不同电流时的光谱，CCT约为5900K，Ra约为75，20mA时发光效率为10 lm/W。





GELcore的E.Radkov等人用405nm LED分别激发(SrEu)5(PO4)3、(Sr，Eu)4Al14O25及(Ca，Eu，Mn)5(PO4)3Cl分别得到蓝光、蓝绿光及橙黄光，其光谱如图12(a)所示，图12(b)是白光LED的光谱，Ra=75.3。RadKov又用3.5MgO·0.5MgF2·GeO2：Mn4+(MFG)作红色荧光粉，用Ga5(PO4)3Cl：Eu2+、Mn2+(HALD)作橙色荧光粉，用SrAl2O4：Eu2+作绿色荧光粉，用(Ca，Sr，Ba)5(PO4)3Cl：Eu2+(SECA)作蓝色荧光粉得到的白光LED的CCT约为3000K，Ra约为97，x=0.441，y=0.41，发光效率为23 lm/W。





N.Shibata等人用如图13(a)所示的紫光375nm LED加三色荧光粉做成白光LED，图13(b)是其LED的I-V曲线，图13(c)是紫光加蓝、绿、红三色荧光粉做成的白光的光谱。





Toyoda Gosei的T.Uemura等人用图14(a)面朝上及图14(b)面朝下的结构做成紫光LED，称之为TG（Toyoda Gosei）紫光LED，图14(c)是面朝下的LED的I-V及L-I特性曲线，用此紫光LED加表1中列举不同荧光粉可以得到不同的白光特性，表中并有蓝光LED加YAG的结果，可作比较。图15是高纯度白光的光谱，是紫光LED加蓝、绿、红及新的荧光粉而组成，Ra约为91。







Y.Uchida等人改变O（橘**600nm）、Y（**570nm）、G（绿色540nm）及B（蓝色470nm）四种颜色荧光粉的成分得到不同含量的OYGB荧光粉，其光谱如图16(a)所示，图16(b)所示是用这些荧光粉做成的白光在CIE色度图中坐标的位置。Y.Uchida等人又用382nm n-UV LED在20mA时激发蓝、绿、红三色荧光粉得到如图17(a)所示的光谱，其中蓝色荧光粉（Sr,Ca,Ba,Mh）16Cl：Eu2+发出447nm蓝光，绿色荧光粉ZnS：Cu，Al发出528nm绿光，而红色荧光粉Y2O3S：Eu2+得到628nm红光，其所组成的白光的CCT=7644K，Ra=90。图17(b)是n-UV LED在20mA时激发OYGB荧光粉所得的光谱，波峰是450nm、520nm及580nm，所组成的白光的CCT=3700K，Ra=98，K=30 lm/W。图16是计算结果，而图17是实验结果。





T.Gessmann及Y.L.Li等人用不同数目及颜色LED加或不加荧光粉做成的白光LED如图18所示，其中除以上列举的方法之外，还有用多个多色LED加荧光粉的方法，包括①用蓝光及红光LED加绿色荧光粉；②用蓝光、浅蓝光及红光LED加绿色荧光粉；③用蓝光、红光及浅蓝光LED加绿色荧光粉等。这三种方法都利用绿色荧光粉。当然如果用多个多色LED，则还有其他的选择。



用UV LED及荧光粉做成白光LED时，还要考虑UV光漏出的可能，B.Barune等人采取的方法是使用含TiO2 40%的硅阻挡层减少UV的漏出。图19中比较有无用此阻挡层的结果，由图可知，用了阻挡层，UV的光强度减少很多。



以下是目前商品化白光LED的结果：

① GELcore公司由Gree公司获得由410nm LED做成的白光LED，其CCT约为2700K，Ra约为80，在350mA时光输出功率为32 lm，ηL约为32 lm/W。

② Lumileds公司的白光LED，其CCT约为3200K，Ra约为85+，光输出功率约为22 lm。

③ Toyoda Gosei 公司用蓝光LED加YAG得Ra约为82，光稳定程度为中等。又用374~401nm波长n-UV LED加红、蓝、绿及红色新荧光粉得到Ra约为91，K=240，光极为稳定（参见表1）。

④ Nichia 公司的白光LED的ηL约为50~60 lm/W。

⑤ Cree公司的白光LED 的发光效率K约为74 lm/W。

表2中比较用不同颜色及数目LED加荧光粉所做成的白光LED的优点及缺点，以供参考。