探究光品质背后的关键要素——荧光粉

白光LED具有光效高、耗电小、体积小、寿命长、不含汞、铅等有害物质,无红外线和紫外线等优点,是公认的第四代绿色节能环保光源。随着人们对节能环保意识的日益重视,白光LED取代传统光源进入普通照明市场,已经成为照明行业的大趋势。

文章来源: 中国半导体照明网

目前,制备白光LED的方式主要有两种,一种是以“红光芯片+绿光芯片+蓝光芯片(RGB)”混合的方式得到白光,另一种是以“蓝光芯片+荧光粉”得到白光,而后者在白光LED中占主导地位。对于这种主要的封装方式来说,荧光粉的好坏决定了光源的色温、显色指数、颜色均匀性和光通量等参数。最近,人们对白光LED光源光品质的要求越来越高,特别在蓝光危害、眩光和显色性等指标方面的要求越来越严格,荧光粉又该如何满足高品质光源的需求呢?

光源的光品质是一项综合性的评价,需要考虑色温、色坐标(颜色偏好度)、Ra、R1-R15(特别是R9)、颜色饱和度、应用需求等多种参数指标,而影响这些参数指标的关键因素就是荧光粉。目前,市场上常见的商用LED荧光粉主要有八大系列:发射峰值范围在545nm-580nm的YAG黄粉、522nm-545nm的GaYAG黄绿粉、520nm-545nm的LuAG绿粉、515nm-575 nm的硅酸盐绿粉/黄粉、580 nm -600 nm的硅酸盐橙粉、612 nm-675 nm的氮化物红粉、490 nm -500 nm的氮氧化物蓝绿粉和629nm-632 nm的氟化物体系红粉。这些商用荧光粉因其发射峰值、色坐标、半峰宽、激发效率、粒径、表面光滑度等参数指标不一样,其应用各有千秋。通俗地说,这如同画画用的彩色笔一样,蓝光LED就像画纸,荧光粉就像彩色笔,通过不过搭配就可以得到一幅色温、色坐标、Ra、R1-R15(特别是R9)、NTSC、光均匀度等参数指标不一样的绚丽的“光彩画”。

1、荧光粉激发光谱范围对光品质的影响

LED荧光粉最根本的意义是实现光转换,也就是说把蓝光转换成其他波长的可见光,其转换效率与其激发光谱密切相关。图1-图5是一些荧光粉的激发光谱:

探究光品质背后的关键要素——荧光粉

荧光粉的激发光谱范围决定了其在440nm-470nm蓝光LED芯片激发下的转换效率,如图所示,市面上常见的某些荧光粉只是激发光谱范围包含了蓝光LED芯片波长范围,但并非所有系列的荧光粉在蓝光LED芯片波长范围内有最强的激发,也就是说某些荧光粉只是能被蓝光LED芯片激发,而非其最佳的激发应用,所以在选用高光效荧光粉时,需要根据蓝光芯片波长与荧光粉激发波长的匹配性进行选择。

2、荧光粉发射光谱范围及半峰宽对光品质的影响

白光LED光源的发射光谱主要由所使用荧光粉的发射光谱所决定,市面上常见的商用荧光粉发射范围在490nm-675nm,对应不同体系的荧光粉。如下图6所示,根据白光LED的“杠杆配光原则”,只要蓝光芯片的波长和光源的色坐标确定了,在色度图上把芯片和色坐标点连接并延长至与色度图相交,所得到的波长A就是要搭配的荧光粉波长。对于没有显色性Ra及R1-R15要求的光源而言,直接搭配能发射该波长A的单个系列的荧光粉就可以了;对于有显色性Ra及R1-R15要求的光源而言,则需要根据显色性Ra及R1-R15的具体参数要求搭配长波段B和短波段C的两种甚至多种荧光粉,在色度图上各荧光粉波长与蓝光芯片波长所连接成的多边形的面积大小,决定了其颜色饱和度,换句话说:更短波的和更长波的两种甚至多种荧光粉搭配蓝光芯片所得到的白光LED的显色性Ra和颜色饱和度更高,但是发射范围在530nm-560nm的荧光粉的光效能高,而更短波和更长波的荧光粉的光效能一般会随着波长的蓝移或红移而降低,所要一般来说,LED的显色性Ra和颜色饱和度越高,其光效能越低。此外,荧光粉的半峰宽对于LED的显色性Ra、颜色饱和度、色纯度影响也很大,一般来说,半峰宽越宽,其覆盖的颜色范围越宽,LED的显色性Ra、颜色饱和度会越高,但是其色纯度会越低。

探究光品质背后的关键要素——荧光粉

在光学辐射中,不同光谱所引起的视觉强度不同,其强弱用辐射光谱效能K(λ)评价,在可见光波段中,K(λ)具有最大值Kmax,光谱的光视效能归一化后,称为辐射光谱效率V(λ):

V(λ)=K(λ)/ Kmax

对于同一光谱成分的辐射,视觉的灵敏度不同,因此,光效率分成明视觉光效率和暗视觉光次效率两种。当光强度大于10 cd/m2时,是明视觉条件,此时人眼最大的视觉响应波长为555nm,该波长的光谱效率为1,Kmax为680 lm/W;当光强度小于0.01 cd/m2时,是暗视觉条件,此时人眼最大的视觉响应波长为507nm,该波长的光谱效率为1,Kmax为1725 lm/W,图7是人眼对光谱的相对灵敏度:

探究光品质背后的关键要素——荧光粉

在380-780nm可见光区域,视觉条件下的辐射能量引起的视觉光能量φvλ为:

式中,Kmax、V(λ)分别对应明视觉条件和暗视觉条件下最大的光视效能和光谱效率。因此,可以看到,一般上发射555nm附件的光谱的荧光粉所得到的白光光能量高,而往两端的则呈下降趋势。

3、荧光粉晶形圆滑度、粒径大小及分布对光品质的影响

LED白光的实现是靠荧光粉吸收蓝光转换出其它可见光,再由该可见光与蓝光复合而得到,而这个光转换过程除受到荧光粉本身的能级效应影响,荧光粉的晶形圆滑度、粒径大小及分布也会直接影响其光转换过程,其主要表现在对蓝光的散射、折射、反射、吸收等作用的大小,图8为荧光粉光转换过程示意图。

探究光品质背后的关键要素——荧光粉

从图中能看到,若荧光粉的晶形圆滑度不好,其反射截面增大,产生的反射量增大,降低出光量。理论上,荧光粉的晶形越接近球形,其反射效应越弱,光转换效果越好。

由图7可知,荧光粉发射的光比芯片所发出的蓝光具有更高的光视效能,所以蓝光通过荧光粉转换成其它可见光后整个光谱的光视效能提高了,LED光源的光通量增大。但同时,荧光粉体本身会对蓝光以及其所转换出的可见光有反射作用。其中,荧光粉的粒径越小,平均自由程越小(平均自由程为光在传播过程中光子与荧光粉颗粒之间二次碰撞之间的平均距离,平均自由程越小,碰撞次数和概率越大),其反射率越大,增加了能量损失,不利于光线的出射。随着荧光粉粒径的增大,光散射的角分布变小,能量向前集中,有更多的光能量出射,光通量增大。但是,要实现相同的色温,荧光粉颗粒越大,所需要的荧光粉浓度越高,随着荧光粉浓度的增大,其转换出来了更多的可见光会被荧光粉散射或者反射,会导致荧光粉的陷光作用占主导,光被反射损耗的作用大于吸引转换的作用,光能量反而会下降。

荧光粉的分布一般用离散度S来评价:

S=(D90-D10)/D50

式中,D90、D10、D50分别为荧光粉累积分布为90%、10%、50%时所对应的粒径大小,其中D50又称为荧光粉的中心粒径。荧光粉颗粒的离散度越大,其粒径分布范围越广,由于不同粒径的荧光粉散射能力不同,颗粒间的散射失配,散射截面变大,荧光粉对光线的散射能力越强,陷光作用越明显,出光量越小。此外,随着荧光粉陷光作用的增强,更多光能量会被LED芯片、封装胶等材料吸引并以热量的形式释放,造成结温的升高,降低芯片光电转换效率和荧光粉的光转换效率。

科恒股份是一家以发光材料为主题材、在深圳创业板挂牌的上市公司,连续十四年保持全球最大的发光材料生产商地位,是一家集研发、生产、销售于一体的高新技术企业,对于荧光粉的研发生产及应用具有深厚的经验。在LED荧光粉产品方面,科恒股份的产品品种系列齐全,规格型号丰富,其所覆盖的激发波长、发射波长范围广,粒径大小可客制化,粉体的晶形晶貌和离散度好,持续研发提升速度快,是一家深受市场欢迎的实力雄厚的公司。