高显色指数白光LED用组合荧光材料的研究

颜色
红色 绿色 蓝色 黄色
表 1 荧光粉组成
组成
Y2O2S : Eu BaMg2Al16O27 : Eu ,Mn (Sr ,Ca ,Ba) 5 ( PO4) 3Cl : Eu
ZnS :Pb
x
y
0146
0135
0116
0160
0117
0107
0136
0154
在 峰 值 波 长 约 375nm 的 UV2LED ( 氮 化 物 :
NS375L) 上涂敷 RΠYΠGΠB 荧光粉 。UV2LED 外形图及
光谱分布曲线分别如图 2 、图 3 所示 。为使实验更容
易一些 ,我们制作了一种 CRI 模拟器 ,模拟方法流程
如图 4 所示 。
每种荧光粉光谱数据值 R ,Y,G,B
光谱求和 S = αR + βY + γG + δB
白色 ? 最佳 CR ?
是 得到最佳光谱 S 和平均 CRI
否 更改 α,β,γ,δ
图 4 模拟流程图
图 2 UV2LED 外形图
图 3 UV2LED 光谱分布图
首先 需 测 量 每 一 种 RΠYΠGΠB 荧 光 粉 在 375mm
UV-LED 下的光谱分布情况 , R 、Y、G、B 分别代表红
色 、黄色 、绿色和蓝色 。测量所得的分布图如图 5 所
示。
其次 ,RΠYΠGΠB 光谱的密度可适当变化并累计加
在一起 ,S 为累计光谱分布 ,由公式 (1) 表示 。
S = αR + βY + γG + δB
(1)
在模拟过程中 α, 、β、γ和δ可分别在数值 1～100
之间变化 。
图 5 各种荧光粉波长
计算累计光谱分布可得出 CRI。计算方法见日 本工业标准 (J ISZ 872621975) [8] 。
另外应解决的问题是通过使用紫光 LED 和某些 荧光粉以提高白光 LED 的显色性 (CRP) 。
当前 ,在蓝光 LED 上涂敷黄色荧光粉 ( Ra = 55) 制成的白光 LED 显色性 (CRP) 不够理想 。Ra 是平均 显色指数 ,是描述评估 CRP 的参数 。高显色性荧光 灯平均显色指数已达到 Ra = 99[5] 。在最近的研究 中 ,通过将橙色 、黄色 、绿色和蓝色荧光粉涂敷在近紫 外 LED (UV2LED) [6] 上 ,白光 LED 平均显色指数 Ra = 93 。此时色温为3 700K ,颜色为很淡的红色 。光谱如 图 1 所示 。
译自 J . Light &LVis . Env 2006. 1 (本文编辑 王立洪)
当前标准 LED 发光强度较弱 ,我们只有将荧光 粉涂敷 UV2LED 的技术水平提高 ,才可能把白光 LED
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
最后 ,检验有最佳 CRI 的最好光谱分布是否色温 在 5 000～6 500K范围内 ,色温值近似等于色度值 。
我们得到的模拟结果是 Ra = 9417 的最佳 CRI , 如图 6 所示 。在这种情况下 ,色度值 ( x , y) = (0134 , 0135) (5 500K) α, ∶β∶γ∶δ= 90∶19∶11∶22 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
3 2
中国照明电器
2006 年第 9 期
时色度值 ( x , y) = (0133 ,0135) (5 700K) 。实验结果
高杉楠 译 :高显色指数白光 LED 用组合荧光材料的研究
3 3
图 9 实验结果
照明推广到实际应用当中 。
总之 ,我们制作的这种模拟器可以精确的模拟白 光光谱分布 ,同时该产品可较容易的估计出 Ra 、CRI 数值并确定合适的荧光粉配比 。根据这种模拟结果 我们可以在使用商用荧光粉的基础上使 Ra 值 在 5 700K时达到最大值 Ra = 9412 。
如图 9 所示 ,在光谱分布和色温上 ,试验结果和 模拟结果之间有非常小的区别 ,这个相同的结果可重 新确定模拟器的精度 。该图显示 ,我们可以通过改变 荧光粉摩尔比 ,使用光谱分布模拟结果作为最终实验 的目标值 。
我们可以通过将其与荧光灯的 AAA 评价值相比 较估计出这些特定的 CRI(R9 ～R15 ) 值 ,特定 CRI 的实 验结果如表 3 所示 。表中阴影部分的 CRI 表示不满 足荧光灯 (N2NEL) AAA 评价值的 CRI 实验结果 。此 时需 要 增 加 波 长 为 R9 ( 600 ～ 700mm) , R10 ( 550 ～ 700nm) ,特别是 R12 (450～500mm) 的颜色以补偿光谱 波谷部分 ,以完全达到 AAA 评价值的要求 。
将模拟结果作为我们预期的白光 LED 光谱分布 的标准 ,和 RΠYΠGΠB 荧光粉比例的试验变化指标 ,我 们直接将 RΠYΠGΠB 荧光粉应用在 UV2LED 装置的顶 面上 ,并使用分光镜测量光谱分布 。UV2LED 工作在 316V (20mA) 的额定电压下 。
表 2 、图 7 、图 8 为 R∶Y∶G∶B 不同摩尔比的实验
Quantum- Well Blue Light- Emitting Diodes on Si (111) Using AINΠGaN. Multilayers with a Thin ALNΠALGaN Buffer Layer ,Jpn. J . Appl . Phys , 2003 ,42 (3A) :L266～L288 5 General Lamp Catalogue of Toshiba , Toshiba Light Tech Co. ,2004 , (one example) 6 T. Taguchi : Preparationand characterization of phosphor materials for semiconductor lighting applications , Proc. of the Int . Conf . on. EL2002 ( Ghent ,Sept) :245～250 7 J ISZ9112 8 Color Science Handbook ,4th ed. Color Science Association of Japan ,1982 : 1410～1413
和传统光源相比 ,例如荧光灯 ,白光 LED 有很多 优点 ,如下 :
●功率消耗几乎是荧光灯的一半 ; ●装置中不使用有害物质 ,例如汞 ; ●寿命长达 100 000h ,11 年 ; ●尺寸小 ,重量轻 ; ●结实 ,不易损坏 。 然而白光 LED 仍有一些问题有待解决 ,如下 : ●由于当前其使用的材料以及低效率的电发光 率导致其成本较高 ; ●显色性差 ,特别是在使用黄色荧光粉的情况 下。 上述问题是实际应用白光 LED 照明必须解决的 问题 。 预计白光 LED 的光效在未来 5 年内可从 30 lmΠ W 提高到 120 lmΠW(荧光灯水平) 。现在正在研究使 用其他 材 料 取 代 蓝 色 底 衬 从 而 降 低 费 用 的 相 关 技 术[4] 。
图 1 各种光源光谱
本研究的目的是通过使用 UV2LED 以及红色 、黄
色 、绿色和蓝色荧光粉开发出显色性能良好的白光 LED 。本研究使用的荧光粉成分如表 1 所示 。在该 表中 ( x , y) 表示色度值 。
基于荧光灯的 AAA CRI 评价值[7] ,色温在5 000 ～6 500K时 Ra 的期望值为 95 ,用于照明的荧光灯色
关键词 白光 LED 光谱 显色性 CRI Ra 色度值
如今荧光灯已广泛用于照明 。但其还有很多问 题有待解决 ,例如 :有害物质汞的使用以及较低的光 效等问题 。蓝光 LED 和紫外 LED 经过多年的发展已 商品化 。正是这些 LED 产品 ,使得通过将黄色荧光 粉涂敷在蓝光 LED 或者将某些荧光粉涂敷在近紫外 LED 上 ,从而开发出白光 LED 成为可能 。直到现在 对黄色荧光粉应用的研究仍占主导地位 ,这是因为其 制造方法相对容易[2] 。然而为了研制显色性良好的 白光 LED ,最好用其他种类荧光粉 。
(1 YR6Π4)
95
88
88
93
90
93
93
93
94
82
81
98
76
96
92
95
图 8 在色度坐标上实验结果中不同的 Ra 值
如图 9 所示 。作为比较 ,标准照明体 D57 、D55 以及模
拟结果也在该图中显示 。如我们所知 ,白光 LED 的 Ra = 9412 是在色温 5 500K左右所得的最高值 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
高杉楠 译 :高显色指数白光 LED 用组合荧光材料的研究
3 1
温大多为 5 000～6 500K。
为了进行对比 ,我们也模拟了色温目标范围边界 值的 光 谱 , 即 色 温 为 5 000K 和 6 500K , ( x , y ) =
(0131 ,0133) 时 Ra = 8516 (6 500K) , ( x , y) = (0135 , 0135) 时 Ra = 9116 时 (5 000K) 。以上数值如图 6 所 示。
中国照明电器
3 0
CHINA LIGHT &LIGHTING
2006 年第 9 期
高显色指数白光 L ED 用组合荧光材料的研究
高杉楠 译
(北京电光源研究所 北京 100022)
摘 要
介绍高显色性的白光 LED 。通过涂敷红色 、黄色 、绿色和蓝色荧光粉的近紫外 LED 制成的白光 LED 平均显色指数 (CRI) 达 9412 ,是迄今为止白光 LED 在色温为 5500K 的情况下获得的最高值 。为 更好的了解 Ra (平均 CRI) ,制作一个 CRI 模拟器 ,模拟高显色性白光 LED 的光谱分布 。通过这种模 拟方法获得的光谱分布是非常实用的了解标准高显色性白光 LED 性能的样例 。
图 7 实验结果的光谱分布
表 3 整理过的 CRI
CRI
颜色 AAA 估计值 (最小值)
实验结果
Ra
R9
R10
R11
R12
R13
R14
R15
红色
黄色
绿色

蓝色
西方肤色 叶绿色 日本女性肤色
-
(415R4Π13) (5Y8Π10) (415 G5Π8) (3PB3Π11) ( TYR8Π4) (5 GY4Π4)
图 6 模拟结果
数值 。表 2 为 R∶Y∶G∶B 荧光粉不同摩尔比的 Ra 值 , 图 7 为光谱分布 ,图 8 为不同 Ra 值在色度坐标中的 位置 。由表 2 可看出通过改变荧光粉摩尔比 ,可在相 当程度上改变 Ra 值和色度值的大小 ,最终我们在 R∶ Y∶G∶B 摩尔比为 40∶40∶2∶5 时得出最佳 Ra = 9412 ,此
参考文献
1 S. Nakamura , Stephen Pearton , Garhard Fasol . The Blue Laser Diode. Springer ,2000
2 www. nanoelectronics. jp 3 Nikker Electronics. 2003 ,3 (88) :128～133 4 B. zhang T. Egawa. H. Ishikawa et al . High-Bright InGaN Multiple-
表 2 RΠYΠGΠB 荧光粉各种摩尔比的 Ra 值
摩尔比 R∶Y∶G∶B
1∶1∶1∶1 40∶10∶2∶215 40∶30∶2∶3 40∶40∶2∶5
色度值 ( x , y)
(0120 ,0131) (0130 ,0136) (0133 ,0138) (0133 ,0135)
平均 CRI Ra
2419 7912 8716 9412