新型高亮度高显色指数LED的光源模型研究_朱小清.pdf

2023 年 2 月第 34 卷第 1 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOFeb2023Vol.34No.1新型高亮度高显色指数 LED 的光源模型研究朱小清(宁波升谱光电股份有限公司，浙江 宁波315040)摘要:对于白光 LED 光源，其亮度和显色指数很难同步提升。本文从 LED 蓝光激发红色荧光粉和绿色荧光粉混合体的角度进行分析，通过蓝光在 LED 支架内分别对不同荧光粉进行分离激发，避免了荧光粉之间的相互吸收，从而同步提高白光 LED 的亮度和显色指数，为 LED 在未来照明应用市场的升级提供了方案。关键词:高亮度;高显色指数;LED;荧光粉分离激发;不同波长中图分类号:TN305.94文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1004-440X.2023.01.002esearch on LED Model of New High Brightnessand High Color endering IndexZHU Xiaoqing(Ningbo Sunpu-opto Co，Ltd，Ningbo315040，China)Abstract:For white LED light source，it is difficult to improve its brightness and color rendering indexsimultaneously In this paper，we analyze the LED blue light excitation of red phosphor and green phosphormixture from the perspective of the blue light in the LED holder to separate the excitation of differentphosphors，avoiding the mutual absorption between phosphors，so as to improve the brightness and colorrendering index of white LED simultaneously，providing a solution for the upgrade of LED in the futurelighting application marketKey words:high brightness;high color rendering index;LED;phosphor separation excitation;differentwavelengths引言自 1997 年，Schlotter 和中村修二等人先后发明了用蓝光 LED 芯片加黄光 YAG 荧光粉实现白光LED 开始，LED 光源已经从最初的发光发展到如今的健康光，甚至在未来需要发智能的光1。作为继白炽灯、荧光灯之后的第三次光源革命，随着 LED在应用领域的全面渗透，人类文明与 LED 照明已经牢不可分。住建部发布的“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划中提出，围绕碳达峰碳中和目标，到 2025 年城镇新建建筑全面建成绿色建筑，加快 LED 照明灯具普及2，LED 应用市场将会迎来新成长机遇，这会对 LED 光源的光品质(如光效、显色指数等)提出更高的要求，因此高光效、高显色指数 LED 光源仍然是重要的发展方向3-5。目前实现高显色指数白光 LED 的常规做法是通过蓝光 LED 芯片激发红色与绿色等多色荧光粉6。其原理是由蓝光 LED 芯片发出蓝光，激发不同的荧光粉分别发出红光和绿光，红光和绿光与 LED 芯片发出的蓝光混合得到白光，这种方式制备得到的白光在显色性上会有一定程度的提高，但会牺牲发光效率，且由于荧光粉之间的二次吸收会增加出光损耗7。因此，随着发光材料量子效率的逐步提升和封装工艺的日益成熟，传统的光源封装方式提升光效变得愈加困难。第 34 卷第 1 期朱小清:新型高亮度高显色指数 LED 的光源模型研究71新的模型及实施方案鉴于在传统的光源封装方式中一定会出现荧光粉发光的二次吸收损耗，本文采取将红色荧光粉和绿色荧光粉分离激发的技术方案，即在不影响色温和显色指数的情况下，通过在不同的支架内涂覆不同颜色的荧光粉，再进行混合测试，涂覆红色荧光粉胶体的支架发出激发后的红光和剩余的蓝光，而涂覆绿色荧光粉胶体的支架发出激发后的绿光和剩余的蓝光，再汇合形成高显色指数白光，这样就能避免荧光粉之间的相互影响，从而达到提高 LED 光源亮度的目的。实验 方 案:选 用 三 款 波 长 分 别 为 525 nm、530 nm、536 nm 的 Ga-YAG 绿色荧光粉，编号依次设定为 G1、G2、G3 和 五 款 波 长 分 别 为 618 nm、625 nm、628 nm、638 nm、648 nm 的氮化物红色荧光粉，编号依次设定为 1、2、3、4、5，进行相互混合实验测试，具体的组合方式见表 1。封装支架采用市场上常规的贴片支架，组合中不同波长的荧光粉都先进行荧光粉独立调配;晶片采用常规 3 V 左右的蓝光晶片，驱动电流绿色荧光粉和红色荧光粉各为150 mA，混合后总功率为 1 W，蓝光晶片波长为450 452.5 nm，其他基础封装材料如固晶胶、金线、封装胶等都选用市场上主流的同厂家同批次物料，LED 的封装采用常规固晶、焊线、点胶、烘烤的生产工艺。为了验证新方案的参数效果，本文增加常规红粉和绿粉混合的光源数据为基准，结合目标显色指数90 以上，选择绿粉530 nm 加红粉648 nm 作为基准组方案(以下简称 G)进行调配。表 1实验方案Table 1The experimental scheme项目G1G2G31G11G21G312G12G22G323G13G23G334G14G24G345G15G25G35实验方法:首先将绿色荧光粉 G1、G2、G3按照粉胶比例 1 2调配好荧光胶，涂覆在 LED 支架碗杯中，然后在另外一颗 LED 支架碗杯中分别涂覆按照粉胶比 1 3调配好的不同波长的红色荧光胶 1、2、3、4、5，调整胶量使组合后色温落在3 500 K左右，烘烤成型后即可得到相应的实验样品。按照常规方案采用红色荧光粉和绿色荧光粉混合后涂覆在相同的 LED 支架碗杯中，调整胶量也使色温落在 3 500 K 左右，烘烤成型后可获得基准组 G 样品，样品示意如图 1 所示。按照相同的调配方法可以获得其他两款绿色荧光粉 G2、G3 分别与 1、2、3、4、5 进行组合的实验样品8。图 1样品图片Fig.1The sample images2实验数据及分析将绿色荧光粉 G1、G2、G3 分别与红色荧光粉1、2、3、4、5 进行组合后的实验样品，通过远方 HAAS-2000 快速光谱测试仪进行测试，测试方式如图 2 所示。在相同的测试条件下测试，可得到不同方案组合的光电参数数据，如表 2 所示。不8照明工程学报2023 年 2 月同方案对应的光谱曲线如图 3 所示。结合表 2 和图 3 可以看出:(1)采用荧光粉分离激发的方式，显色指数达到 90 以上，红色荧光粉可以选择更短波长，这样也能大幅度提升亮度;(2)在绿色荧光粉相同的情况下，红色荧光粉的波长越长，亮度越低，而显色指数是先上升后下降，红色荧光粉波长在 625 628 nm 时，显色指数达到最高;(3)在红色荧光粉相同的情况下，绿色荧光粉的波长越长，亮度越高，而显色指数和与之匹配的红色荧光粉波长影响较大;(4)综合考虑荧光粉组合的方案来看，G12(525 nm 和 625 nm)和G22(530 nm 和 625 nm)显色指数能达到 95 左右，亮度也较高。因此，通过采用红色荧光粉和绿色荧光粉分离激发的方案确实可以提升 LED 光源产品的亮度和显色指数。图 2不同组合测试示意图Fig.2The test schematic diagram of different combinations表 2不同组合的测试数据Table 2The test data of different combinations项目G1G2G3色温/K光通量/lm显色指数色温/K光通量/lm显色指数色温/K光通量/lm显色指数13 466136.790.33 433138.689.03 451142.284.723 416134.195.33 405134.194.63 348136.692.933 469127.095.33 349127.695.33 333130.594.643 587120.491.73 449117.490.33 404125.094.254 136113.193.53 848121.191.53 647120.589.6G3 502121.591.8图 3不同组合光谱曲线Fig.3The spectral curve of different combinations3结束语本文创建了新的结构模型，利用荧光粉分离激发的方式，避免了红色荧光粉和绿色荧光粉之间存在的二次吸收，减少了光的相互影响及能量损失，从而实现整体光通量的提高。通过样品制作并进行对比实验，验证了这种兼顾改善光通量和显色指数在技术上具有可行性，同时需要通过优化更精细的粉胶比例、增加组合的波长范围等方式，找到更准确的方案组合，实现更好的产品参数。参 考 文 献1 胡晓东 LED 的历史进程和未来发展 J 中国周刊，2018(7):30-392 住房和城乡建设部 住房和城乡建设部关于印发“十四五”建筑节能与绿色建筑发展规划的通知 EB/OL(2022-03-11)2022-07-01 https:/ 章伟，何梦婷，乔旭升，等 Mn4+激活的典型 LED 红色荧光粉研究进展 J 发光学报，2021，42(9):1345-13464 赵芳仪，刘小浪，宋振，等 超高显色指数全光谱白光 LED 封装技术 J 照明工程学报，2019，30(3):第 34 卷第 1 期朱小清:新型高亮度高显色指数 LED 的光源模型研究975-805 裘金阳，陈磊，王新中，等 全光谱 LED 技术研究进展 J 发光学报，2020，41(2):200-2056 Wierer Jr J J，Tsao J Y，Sizov D S Comparison betweenblue lasers and light-emitting diodes for future solid-statelighting J Laser Photonics eviews，2013，7(6):963-9937 秦永豪 高品质健康 LED 光源的制备与研究 D 北京:北京交通大学，20198 李燕，郑怀文，于飞，等 远程荧光粉薄膜浓度和厚度对白光 LED 性能的影响 J 照明工程学报，2021，32(2):31-35关于征集照明领域 2023 重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题的通知为进一步加强科技前瞻研判，引领原创性科研攻关，打造学术创新高地，推进科技自立自强，根据 中国科协办公厅关于征集 2023 重大科学问题、工程技术难题和产业技术问题的通知(科协办函创字 20238 号)，中国照明学会现开展照明领域前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题征集工作。现就有关事项通知如下:一、征集时间从通知发布之日起，至 2023 年 3 月 31 日止。二、征集内容和领域面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，征集对未来科技发展具有引领作用的前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题。聚焦原创性、引领性问题和关键核心技术问题，特别是制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国建设过程中的重大问题。征集范围原则上覆盖所有自然科学与工程技术领域，重点征集新能源照明、健康照明、智慧照明，以及面向机器视觉、植物生长、紫外消杀等非视觉应用的半导体照明技术等方向内容。三、征集方式推荐单位可单独或者联合推荐，鼓励联合相应国外科技组织或国际专家共同推荐，每个推荐单位可推荐前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题各 3 5 个。每位会员或照明科技工作者可推荐前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题各1 3 个。中国照明学会各个专业委员会须推荐所在专业领域前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题 1 3 个。中国照明学会可向中国科协推荐前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题各 3 5 个。四、征集要求(一)每个问题难题应包括问题题目、所属学科、关键词、问题正文(含问题描述、问题背景、最新进展、重要意义)。正文长度 2 000 字左右。除标题及关键词以中英文双语对照撰写外，其余内容均以中文撰写(附件 1)。不按照规定格式撰写的问题难题将不能进入遴选环节。长按识别二维码，下载附件 1(二)把握问题难题界定，以问题的形式提出前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题;聚焦“点”上的问题，原则上应细化问题颗粒度至少到三级学科以下;对于既需要科学原理创新也需要工程技术应用创新的问题难题，可考虑进一步细化问题;对于跨领域、跨学科、交叉融合的问题难题，视情况考虑明确应用领域和场景。(三)请于 2023 年 3 月 31 日前将征集资料(附件 1 和附件 2)发送至指定邮箱 ，逾期不予受理。五、组织推荐程序长按识别二维码，下载附件 2(一)中国照明学会学术工作委员会按照中国科协要求组建专家推荐委员会，对征集到的问题、难题进行评审，遴选前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题各3 5 个，由学会秘书处统一报送中国科协。(二)中国科协组建领域专家组和终选专家委员会，通过科技工作者初选、领域专家复选、专家委员会终选 3 个环节，对推荐问题进行遴选评议，遴选前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题各 10 个。(三)通过终评遴选的30 个问题难题面向社会发布。通过终评遴选的 30 个问题难题正文及科普文章将分别结集出版。围绕征集遴选的前沿科学问题、工程技术难题和产业技术问题召开系列高层次研讨会，形成建议报告呈送有关部门作为决策参考。六、联系方式中国照明学会秘书处联系人:毕小曼电话:[phone]电子邮箱:中国照明学会学术工作委员会联系人:杨雄电话:[phone]