白光LED封装 色坐标分析

白光LED封装

由于高辉度蓝光LED的问世，因此利用荧光体与蓝光LED的组合，就可轻易获得白光LED。目前白光LED已成为可携式信息产品的主要背光照明光源，未来甚至可成为一般家用照明光源。此外最近几年出现高功率近紫外LED，同样的可利用荧光体变成白光LED，LED的特点是小型、低耗电量、寿命长，若与具备色彩设计自由度、稳定、容易处理等特点的荧光体组合时，就可成为全新的照明光源。

通常LED与荧光体组合时，典型方法是将荧光体设于LED附近，主要原因是希望荧光体能高效率的将LED产生的光线作波长转换，而将荧光体设于光线放射密度较高的区域，对波长转换而言是最简易的方法。此外荧光体封装方法决定白光LED的发光效率与色调，因此接着将根据白光化的观点，深入探讨LED与荧光体的封装技术。

蓝色LED+YAG荧光体的白光化封装

图1是目前已商品化白光LED，具体而言它是将可产生黄光的YAG:Ce荧光体分散于透明的环氧树脂内，再用设于碗杯内的蓝色LED产生的光线激发转换成白光，这种方式的白光发光机制是利用LED产生蓝色光线，其中部份蓝光会激发YAG荧光体变成黄色发光，剩余的蓝光则直在外部进行蓝光与黄光混色进而变成白光，这种方式的特点是结构简单，只需在LED的制作过成中追加荧光体涂布工程即可，因此可以大幅抑制制作成本，此外另一特点是色度调整非常单纯。

图1 蓝光LED+YAG荧光体

图2是改变树脂内YAG荧光体浓度之后，LED色坐标plot的结果，由图可知只要色坐标是在LED与YAG荧光体两色坐标形成的直线范围内，就可任意调整色调，依此可知YAG荧光体浓度较低时，蓝色穿透光的比率较多，整体就会呈蓝色基调白光；相对的如果YAG荧光体浓度较高时，黄色转换光的比率较多，整体呈黄色基调白光。

如上所述将部份蓝色LED当作互补色的方式，不需要高密度(与树脂的百分比)的荧光体涂布，因此可以有效降低荧光体的使用量。一般而言荧光体与树脂的百分比，虽然会随着YAG荧光体的转换效率，与碗杯的形状而改变，不过10～20wt%左右低配合比就能获得白光。此外由于蓝光LED放射的光强度，在中心轴与周围的分布并不相同，即使LED芯片周围的YAG荧光体的密度完全相同，仍然会造成轴上与周围的光线不均等问题，这也是今后必需克服的课题之一。

图3是蓝光LED+YAG荧光体白光LED制作流程；图4典型的发光频谱，由图可知Lead Frame Type与Chip Type都是将蓝光LED设于碗杯内，再用混有定量YAG荧光体的树脂涂布封装。由于LED具备小型、省电、长寿等特征，因此已经广泛应用于行动电话、PDA等可携式信息产品的背光照明光源，以及步道引导灯等领域。

图2 蓝光LED+YAG荧光体的色度调整方法

图3 荧光体的涂布工程

图4 YAG荧光体+蓝光LED的发光频谱

近紫外LED+RGB荧光体的白光化封装

有关LED芯片与荧光体组合构成白光LED的方式，除了以上介绍的蓝色LED+YAG荧光体以外，近紫外LED+RGB荧光体的组合方式，最近也越来越受到重视，这种方式的特征是将LED产生的近紫外光，分别转换成R、G、B再合成变成白光，它所cover的白光领域比蓝色LED+YAG 荧光体方式更宽广，此外紫外光转换成R、G、B的动作原理与传统荧光灯相同，因此没有色彩不均的困扰而且演色性非常优秀。

利用R、G、B荧光体产生白光的场合，通常事先会根据一定的混合比率调整各荧光体，因此接着要介绍荧光体的调整方法。一般而言评鉴光源色彩时，若使用XYZ表色系(CIE1931)作说明会比较容易理解。基本上它是根在XYZ表色系再用下式求得光源色彩的三个刺激值:

S(λ):光源放射量的相对分光分布。

此外XYZ表色系的等色关数，相当于标准比视感度V(λ)，因此利用式(1)求得的Y刺激值成为表示亮度的尺寸。一般光源的色彩是用(Y，x，y)方式表示，因此又称为CIE表色值。

RGB荧光体的场合，若欲利用各荧光体的CIE表色值作简计算，必需先用荧光分光器量测相对分光分布，再代入式(1)与式(2)就可获得各表色值，这种情况通常会希望激发各荧光体的波长，都能落在LED发光中心波长附近，如此一来就能以相同的测试条件，利用各荧光体的相对分光分布使表色值作相对性处理。此处假设RGB荧光体的表色(Y，x，y)分别如下:

R荧光体:(YR，xR，yR)

G荧光体:(YG，xG，yG)

B荧光体:(YB，xB，yB)

有关白色目标色度坐标W(xW，yW) 的各Y刺激值比率(YR，YG，YB) ，根据加法混色法则下列关系就能成立:

Y:YG:YB=

此处(x0，y0) 表示直线R-G与直线R-W的交点坐标。

图5 RGB荧光体的色度调整方法

实际混合制程是将RGB荧光体的色度坐标代入式(3)，依此方式所求得的Y刺激值比率可用混合率加以调整。假设各荧光体的Y刺激值量

测结果为Y

Y ，Y

g

，Y

b

，如此一来可变成白色目标色度坐标W的混合比率(R:G:B) 就可用下式表示:

通常混合制程大多采用重量比方式，因此各荧光体之间的借贷密度差很大时就必需修正式(4)。

假设RGB各荧光体之间的借贷密度分别是(D

Y ，D

g

，D

b

)，则混合比率(R:G:B) 可用下式表示:

图6是调整后的RGB混合荧光体混入适当的透明胶合剂(binder)，并涂布在透明基板上，制成试样时的近紫外LED(发光峰值波长为384nm)发光特性。一般荧光体膜层的穿透辉度有所谓的峰值厚度，如果膜厚超过峰值厚度，穿透辉度会随着厚度的增加逐渐降低。造成该现象主要原因是激发光照射方向与取光方向相同有关，尤其是激发照射面附近密度较高的光线，会随着厚度的增加容易被遮蔽；相较之下反射辉度则是随着膜层厚度而增加，如同穿透辉度一样它不会因为膜层厚度增加而减少，该现象与上述的情况不同，主要原因是激发光照射方向