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摘要:随着国内外白光LED用荧光粉的研究进展，利用黄色、红色和黄绿色3种荧光粉混合的方法制备了一系列大功率平面发光LED光源，深入研究了黄色、红色和黄绿色3种荧光粉分别对大功率白光LED光源的发光效率、显色指数以及色温的影响规律。
关键词：荧光粉配比；发光特性；白光LED
白光LED是一种新型固体光源，与白炽灯和荧光灯等光源相比，具有低能耗、长寿命、体积小、响应快、无污染等优点，被称为继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯后的第4代绿色光源，受到极大关注。
1 慨况
随着其性价比的不断提高，白光LED在众多照明领、域，尤其是家用照明领域中展现了广阔的应用前景。1997年日亚(Nichia)公司生产出第一支商用白光二极管(LightEmittingDiode,LED)以来,白光LED的研究得到蓬勃发展。白光LED相对于传统照明技术具有低能耗、发光效率高、无污染、寿命长等优点,使LED在照明领域取代白炽灯和荧光灯成为可能。根据预测,美国55%的白炽灯及55%的日光灯被LED取代,每年节省350亿美元电费,每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。可见白光LED在民用照明方面的前途无可估量,势必逐步替代荧光灯、白炽灯成为下一代绿色照明光源。
2 实验
采用平面发光的COB（Chip on board）封装方式获得大功率白光LED，芯片采用0.5 W的三安蓝光芯片，其发射波长为456 nm，每个LED光源包含6颗串联的LED芯片，黄色、红色和黄绿色荧光粉分别采用YAG黄色荧光粉、氮氧化物红色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉。每组实验中只改变其中一种荧光粉的含量而固定胶水量和另外两种荧光粉含量，并且使每个COB光源具有相同的点胶量。目前市场上一般采用的黄色、红色和黄绿色3种荧光粉和胶水的配比为黄色∶红色∶黄绿色∶胶水=0.28∶0.04∶0.048∶1，文章在此基础上对荧光粉配比进行重新设计，每种荧光粉按质量的-20%、-10%、0、10%、20%分别进行单独增减，测试条件为直流恒流30 mA，在相同的荧光粉配比条件下，选取5个样品数据取其平均值进行对比。最后通过比较不同荧光粉配比条件下样品的发光特性，对黄色、红色和黄绿色3种荧光粉分别对大功率白光LED发光特性的影响规律进行研究。
3 结果与讨论
3.1 3种荧光粉的荧光特性分析。图1所示为在波长456 nm的蓝光激发下，YAG黄色荧光粉、氮氧化物红色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉的发射光谱图，其色坐标分别为(x=0.439，y=0.524)、(x=0.656，y=0.342)、(x=0.355，y=0.570)。根据色坐标计算色温公式：（1）其中，A=(x-0.329)/(y-0.1897)，各系数分别为a 1=160.55，a 2=-796.56，a 3=3999.88，
a 4=-7903.56，a 5=5705。由式（1）可得YAG黄色荧光粉的色温值约为3511 K，氮氧化物红色荧光粉的色温值约为2702 K，LuAG黄绿色荧光粉的色温值约为5183 K。由图1可知，在波长为456 nm的蓝光激发下，LuAG黄绿色荧光粉的激发效率最高，YAG黄色荧光粉次之，氮氧化物红色荧光粉最弱，其发射峰值波长分别为521 nm、538 nm和630 nm。光通量（luminous flux）是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积，在明视觉与暗视觉下，人眼对不同波长光的相对视见率不同，明视觉下的视觉函数如图1中所示。
3.2 YAG黄色荧光粉对白光LED发光性能的影响。图2所示为YAG黄色荧光粉对白光LED发光特性的影响。由图2可知，当YAG黄色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其发光效率从129 lm/W增大到140 lm/W，可见YAG黄色荧光粉对白光LED的发光效率具有明显的提升作用。其原因为虽然YAG黄色荧光粉的激发效率不如LuAG黄绿色荧光粉，但是由于人眼对黄光的相对视见率大于黄绿光的相对视见率，所以YAG黄色荧光粉发射的黄光具有更高的光通量和发光效率。
3.3氮氧化物红色荧光粉对白光LED发光性能的影响。当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其显色指数从78.7增加到83.2，可见氮氧化物红色荧光粉对白光LED的显色指数具有明显的提升作用。从色度学角度分析，由于氮氧化物红色荧光粉的含量增加，LED出射的光谱中，红光分量也随之增多，其中代表饱和红色的显色指数R9值明显上升，使其显色指数也随之上升。对于其发光效率，当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，发光效率从144.1 lm/W降低到123.6 lm/W，原因是在456 nm的蓝光激发下，红色荧光粉的激发效率远不及YAG黄色荧光粉和LuAG黄绿色荧光粉，而且氮氧化物红色荧光粉激发的红光的相对视见率也远远低于黄光及黄绿光。所以，氮氧化物红色荧光粉激
发的红光的光通量以及发光效率远远不及YAG黄色荧光粉与LuAG黄绿色荧光粉。同时，由于蓝光芯片出射的蓝光是一定的，红色荧光粉吸收的越多，那么YAG黄色荧光粉跟LuAG黄绿色荧光粉吸收的蓝光便相应地减少。因此，随着氮氧化物红色荧光粉含量的增加，其发光效率反而随之降低；对于色温，当氮氧化物红色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，色温从2 820 K下降到2 511 K，其下降幅度非常明显。
3.4 LuAG黄绿色荧光粉对白光LED发光性能的影响随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，其发光效率、显色指数与色温都下降。当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，其发光效率从136.4 lm/W降低到131.1 lm/W，其原因是在波长为456 nm的蓝光激发下，尽管LuAG黄绿色荧光粉比YAG黄色荧光粉具有更高的激发效率，但是由于相对视见率低于YAG黄色荧光粉，所以人眼所感觉到的辐射功率反而不如YAG黄色荧光粉激发的黄光。所以随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，其发光效率下降，但幅度不大。对于显色指数，当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，显色指数从81.7缓慢降低到80.7，变化幅度很小。原因是随着LuAG黄绿色荧光粉含量的增加，由于荧光粉之间对蓝光的竞争吸收关系，导致氮氧化物红色荧光粉出射的红光减少，使其显色指数降低，但是由于LuAG黄绿色荧光粉对绿光光谱的补偿作用，所以其显色指数下降幅度较之YAG黄色荧光粉较小；对于色温，当LuAG黄绿色荧光粉含量从-20%增加到+20%时，色温从2774 K下降到2675K，其幅度较之YAG黄色荧光粉较小。这是由于LuAG黄绿色荧光粉发射的黄绿光色温约为5183 K，但高于YAG黄色荧光粉发射的黄光（约3511 K），所以其色温降低，但幅度较YAG黄色荧光粉略小。
荧光粉作为荧光转换型白光LED的重要组成部分,近几年发展非常迅速,但仍有较大的提升空间,尤其是高效稳定红色荧光粉的研制,对半导体照明技术的发展起着重要的作用。
参考文献：
[1]刘晓霞．白光LED的使用寿命的定义和测试方法[J]．光源与照明，2017(4)：16—22．
[2]李丽．白光LED封装材料对其光衰影响的实验研究[J]．光学学报．2017，25(8)：1091—1094．
论文作者:姜春霞 尹斌
论文发表刊物:《中国电业》2019年第9期
论文发表时间:2019/9/20
标签：荧光粉论文; 黄绿色论文; 黄色论文; 红色论文; 氧化物论文; 色温论文; 显色论文; 《中国电业》2019年第9期论文;