采用藍光激發黃色熒光粉生成白光技術的LED光效和顯色指數研究

江 磊，倪凱凱，劉木清

(復旦大學電光源研究所，上海 200433)

引言

作為新一代光源，LED得到了人們越來越多的關注。從照明工程的角度而言，光效(luminous efficacy of a source, LES)、色溫(correlative color temperature, CCT)和顯色指數(color-rendering index, CRI)是評價LED的三個重要指標。

近年來，隨著LED技術的發展，LED光效得到長足的提升，并一再突破人們的期待。另外，隨著人們對生活質量要求的提高，光源的顯色指數顯得越發重要，室內照明的顯色指數普遍要求80以上。由此引申出三方面的問題：(1)白光LED的光效和顯色指數之間究竟存在怎樣相互制約的關系。(2)當光效或顯色指數中的一個參量確定時，另一個參量的理論最高值是多少。(3)在不同CCT下，LES、CRI的關系有何變化。本文將通過計算機仿真，從理論角度對此進行相關計算和討論。

考慮到目前市場上的白光LED器件以藍光LED芯片加黃色熒光粉的形式為主流，本文僅討論這種形式下白光LED光效、顯色指數和色溫之間的關系。

1 實驗概述及假設

為進行理論分析，本文假設藍光LED芯片的外量子效率為1。

目前已有很多相關文獻對單色LED光譜分布進行了建模[1-4]。但考慮到對結果的影響不大，本文將藍光LED光譜和經過黃色熒光粉后產生的黃光光譜均簡化為高斯分布。

藍光LED光譜高斯分布函數為：

(1)

式(1)中，λb，σb分別為藍光LED的主波長和分布的標準差。

假設藍光LED獲得的總能量為1，則藍光LED的光譜能量分布為：

(2)

式(2)中，K為用以與黃色熒光粉轉換的比例。

假設黃色熒光粉的轉換效率為100%，即藍光光子可以轉化為同等數目的黃光光子，并且熒光粉層對光線沒有額外的吸收，則黃光光譜能量分布為：

(3)

式(3)中，λy，σy分別為生成黃光的主波長和分布的標準差。

LED器件整體光譜能量分布為：

E(λ) =Eb(λ)+Ey(λ)

(4)

對于式(4)中的5個變量λb，σb，λy，σy和K，本文將其分別限制在一定范圍內，用計算機以特定步長遍歷所有組合，計算出每個組合下的光譜能量分布，并求出LED相應的CRI、LES和CCT。

2 實驗過程

考慮藍光LED和黃色熒光粉的波長范圍，實驗取λb范圍為440～490nm，計算步長為5nm；取λy范圍為550～600nm，計算步長為5nm。

對于高斯分布，半高全寬(FWHM)約為：Δλ=2.355×σ。藍光LED光譜半高全寬范圍取20～40nm，黃光光譜半高全寬范圍取100～160nm[5,6]。由此可知，σb范圍為8～17nm，計算步長為1nm；σy范圍為40～70nm，計算步長為5nm。

考慮K的取值范圍，當K過小時，藍光比例過高，系統光效低；當K過大時，意味著黃色熒光粉厚度較厚，熒光粉對光的吸收已不能忽視[7]，上節中的假設不再成立。故取K范圍為20%～80%，計算步長為5%。

計算過程中，取CCT的范圍為2000～8000K。由于本文研究對象是白光LED，因此在計算中，對于某一組計算出的光譜能量分布，僅當其色坐標u，v滿足如式(5)所示的判據，才認為當前色溫有效，否則丟棄此結果。

(5)

式(5)中ub，vb分別為CCT對應黑體的色坐標。

3 實驗結果

經過程序遍歷，共計算組數110110組，其中有效組數為26499組。

數據中最高光效為376lm/W，對應的顯色指數為51，具體參數取值如表1所示。

表1 數據中最高光效對應的參數組合Table 1 Parameters to generate LED of maximum LES

對應最高光效的光譜能量分布圖如圖1所示。

圖1 數據中最高光效對應的光譜能量分布Fig.1 Spectral energy distribution for LED of maximum LES data

數據中最高CRI為91，對應光效為214lm/W，具體參數取值如表2所示。

表2 數據中最高顯色指數對應的參數組合Table 2 Parameters to generate LED of maximum CRI

對應最高顯色指數的光譜能量分布圖如圖2所示。

圖2 數據中最高顯色指數對應的光譜能量分布Fig.2 Spectral energy distribution for LED of maximam CRI data

根據ANSI C78.377標準將計算所得數據劃分入2700K，3000K，3500K，4000K，4500K，5000K，5700K和6500K 8個標準色溫檔中，可得出各色溫檔中最高顯色指數或最高光效下的相應參數設置，如表3和表4所示。

表3 各標準色溫檔顯色指數的極大值及對應參數組合Table 3 Maximum CRI and corresponding parameersfor each CCT range

表4 各標準色溫檔光效的極大值及對應參數組合Table 4 Maximum LES and corresponding parametersfor each CCT range

光效、顯色指數極大值隨色溫變化的趨勢如圖3所示。

圖3 光效、顯色指數極值隨色溫變化趨勢Fig.3 Peak value of LES and CRI vs.CCT

根據實驗數據，可以進一步整理出各色溫檔下最高光效隨顯色指數變化趨勢，如圖4所示。

圖4 各色溫檔下光效隨顯色指數值變化趨勢Fig.4 Maximum LES vs.CRI for each CCT range

通過分析藍光轉化為黃光的比例K，可得最高光效和最高顯色指數隨K變化的趨勢圖，如圖5和圖6所示。

圖5 各色溫檔下光效隨K值變化趨勢Fig.5 Maximum LES vs.K for each CCT range

圖6 各色溫檔下顯色指數隨K值變化趨勢Fig.6 Maximum CRI vs.K for each CCT range

4 實驗結論和討論

分析實驗數據，可得出如下3點結論：

(1)對于采用藍光LED激發黃色熒光粉產生白光的應用而言，在特定色溫下，光效和顯色指數都存在一個特定的極值。

數據顯示，4500K色溫左右可以取到光效極值的最大值，色溫過高或過低都會影響此極值。因為色溫降低需要黃光的主波長右移，一方面偏離V(λ)曲線，造成光效下降，另一方面使藍光光子轉換為黃光光子的損耗增加。當色溫升高時，藍光主波長左移，可能造成光效的下降。

研究顯色指數隨色溫變化的趨勢，可以發現其并不滿足目前市場大多數LED“色溫越低，可獲得顯色指數越高”的一般規律。相反，當色溫降低時，相應的顯色指數極值大幅降低。究其原因，主要在于黃光主波長的限制。

本文計算所采用的黃光中心波長的上限為600nm，而事實上，為獲得高顯色指數，目前市場上的低色溫LED都會添加紅色熒光粉，使經過熒光粉轉化后的光譜主波長大于600nm，從而獲得較高的顯色指數。

(2)對于采用藍光LED激發黃色熒光粉產生白光的應用而言，在特定色溫下，可實現的光效極值隨顯色指數要求的升高而降低。從本文的數據來看，要達到80的顯色指數，其理論光效不會高于270lm/W。

目前，針對室內照明，Energy Star等標準不僅提出了顯色指數大于80的要求，還要求R9大于0。因此，要達到相應要求，就必須采用添加紅粉等措施。與黃色熒光粉相比，紅粉造成的量子損失更高，因此能夠獲得的理論光效極值也更低。

另一方面，要獲得特定的光效，必定需要犧牲顯色指數作為代價。如要獲得光效300lm/W以上的LED，假設其外量子效率和熒光粉轉化效率均接近100%，則從本文的結果可以推算其顯色指數將低于70。

(3)通過數據分析可以發現，對于不同色溫的LED，隨著藍光LED發出的藍光轉化為黃光的比例K的提高，系統的光效和顯色指數都有所提高。

但如前文所述，高的轉化比例意味著較厚的熒光粉層厚度，會造成光被熒光粉層吸收，降低轉換效率，從而偏離假設條件。

從另一方面來看，如果可以通過技術手段降低熒光粉層對出射光的吸收，則LED光效還有進一步提升的可能性。

本文所做的實驗和分析都基于理想條件，事實上，實際可獲得的藍光的光譜分布模型、藍光與黃色熒光粉的匹配性及加入紅粉后對系統的影響等都會帶來與理想值的一些偏差[8-10]。下一步可以通過增加相應的參數進一步細化研究。

本文通過計算機輔助分析的方法，對于采用藍光LED激發黃色熒光粉產生白光的應用，計算出各色溫檔下光效及顯色指數的理論極值和相關性，并分析了相關的結果，具有一定的指導意義。

[1] Chhajed S, Xi Y, Li Y L, et al, Schubert. Influence of junction temperature on chromaticity and color-rendering properties of trichromatic white-light sources based on light-emitting diodes[J]. Journal of Applied Physics, 2005, 97(5): 054506.

[2] Yoshi Ohno. Color rendering and luminous efficacy of white LED spectra[J]. Proc. of SPIE, 2004, 5530: 88-98.

[3] 沈海平,馮華君,潘建根,等. LED光譜數學模型及其應用(英文)[C]. 走近CIE 26th-中國照明學會(2005)學術年會，2005.

[4] He G X, Zheng L H. A model for LED spectra at different drive currents[J]. Chinese Optics Letters, 2010, 8(11): 1090-1094.

[5] 羅毅，郭文平，邵嘉平，等. GaN基藍光發光二極管的波長穩定性研究[J]. 物理學報，2004，53(8): 2720-2723.

[6] 林介本，郭震寧，陳麗白，等. 瓦級大功率InGaN藍光LED的光色電特性[J]. 發光學報，2009，30(3)：379-384.

[7] 楊正名. 白光LED光效的分析[C]. 2012(杭州)中國長三角照明科技論壇，2012.

[8] 張帆，張寶坦，李茹，等. LED熒光粉發展現狀及趨勢[J]. 照明工程學報，2010，21(3)：46-48.

[9] 趙洪濤，安雪娥，李明金，等. 熒光粉對白光LED色溫和顯色指數影響的研究[J]. 照明工程學報，2013，24(3)：75-78.

[10] 徐國芳，饒海波，余心梅，等. 白光LED的實現及熒光粉材料的選取[J]. 現代顯示，2007，(8)：59-63.