如何制造用于LED的熒光粉照明

今天的大多數(shù)照明標(biāo)準(zhǔn)“白色”LED使用InGaN半導(dǎo)體，在光譜的藍(lán)色部分發(fā)光，并與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉（摻雜鈰）結(jié)合。大多數(shù)LED的藍(lán)色光子被磷光體吸收，并在光譜的黃色部分重新發(fā)射。殘留的藍(lán)色光子和黃色照明的混合為眼睛提供了良好的白光近似。

這種LED和熒光粉的組合是一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)，性能良好，但并不完美。一個(gè)值得注意的缺陷是由于系統(tǒng)輸出中缺少紅色成分而限制了高相關(guān)色溫（CCT）和較低顯色指數(shù)（CRI）。將YAG熒光粉與其他材料結(jié)合使用會(huì)增加紅色發(fā)光，從而導(dǎo)致“暖”白色LED的可用性，但代價(jià)是來(lái)之不易的功效。

本文詳細(xì)介紹了該問(wèn)題，探討了如何制造用于LED的熒光粉照明正在迎接挑戰(zhàn)，然后考慮他們的熒光粉研究將對(duì)固態(tài)照明的效能，CCT和CRI產(chǎn)生什么影響。

藍(lán)色LED加YAG熒光粉等于白光

用于高熒光粉 - 亮度LED是一種高度專(zhuān)業(yè)化的材料，包括摻雜有稀土元素鈰的YAG（科學(xué)地標(biāo)記為Y3Al5O12：Ce3 +）。該材料是從用于CRT的熒光粉演變而來(lái)，并于1967年首次合成。

在操作中，LED的藍(lán)色光子被YAG熒光粉中的原子或分子吸收，從而將組成電子提升到更高的能級(jí)。然后，電子通過(guò)重新發(fā)射能量部分地作為比吸收的光子更長(zhǎng)波長(zhǎng)（略微紅色，一些綠色和大量黃色）的光子而部分地作為熱量快速回落到較低水平。

YAG熒光粉的主要黃色發(fā)光和直接來(lái)自LED的藍(lán)色輻射通過(guò)YAG：Ce涂層“泄漏”結(jié)合在一起，可以很好地近似白光通過(guò)磷光體的吸收和再發(fā)射將藍(lán)光轉(zhuǎn)換為“白光”背后的現(xiàn)象被稱(chēng)為斯托克斯移位，以愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·G·斯托克斯的名字命名，他在1852年的論文中描述了這種效應(yīng)。圖1顯示了如何通過(guò)YAG熒光粉的吸收和發(fā)射曲線發(fā)生斯托克斯位移。

圖1：暴露在藍(lán)光下的YAG熒光粉的吸收和發(fā)射光譜。1

圖2顯示了使用YAG熒光粉的現(xiàn)代白光LED的相對(duì)光譜發(fā)射曲線（在這種情況下，OSRAM OSLON SSL 150 LED產(chǎn)生136 lm（正向電流350 mA，正向電壓3.1 V），效率為125 lm/W.虛線是眼睛的靈敏度函數(shù)，說(shuō)明眼睛如何對(duì)不同波長(zhǎng)的光作出反應(yīng)。雖然第一個(gè)峰值（對(duì)應(yīng)于直接來(lái)自LED的藍(lán)色光子）較大，但它不太明顯，因?yàn)檠劬?duì)光線不敏感相比之下，熒光粉發(fā)出的光子以560 nm為中心 - 眼睛最佳感應(yīng)光的點(diǎn)。

圖2：現(xiàn)代白光LED（歐司朗OSLON SSL 150）的光譜發(fā)射曲線。

由于它是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的技術(shù)可產(chǎn)生可接受的結(jié)果，因此YAG的特性代表了其他LED熒光粉的基準(zhǔn)。只有YAG熒光粉強(qiáng)烈吸收藍(lán)色光子，它還具有快速的“衰減時(shí)間”（吸收藍(lán)色光子的電子“放棄”黃色光子和熱量的能量所需的時(shí)間），可以防止稱(chēng)為飽和猝滅的現(xiàn)象。這是一個(gè)過(guò)程，通常發(fā)射的光子被“淹沒(méi)”并防止熒光體基質(zhì)內(nèi)的高光子通量逸出.YAG熒光粉具有許多其它LED應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。首先，在藍(lán)色LED激發(fā)下YAG磷光體的量子效率（來(lái)自磷光體的總輸出光子能量與來(lái)自LED的輸入光子能量的量度）大約為健康的80％。其次，研究人員報(bào)告說(shuō)，沒(méi)有跡象表明YAG熒光粉在長(zhǎng)期藍(lán)光LED激發(fā)或暴露于濕氣下會(huì)降解。最后，YAG熒光粉的合成相對(duì)簡(jiǎn)單，并使用相同的高純度前體（Y2O3，Al2O3，CeO2），這些前體已經(jīng)多年用于傳統(tǒng)的CRT熒光粉.2

YAG熒光粉的缺點(diǎn)》盡管LED具有經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的性能，但YAG熒光粉并不完美。兩個(gè)實(shí)際問(wèn)題是“溫度淬火”和相對(duì)較低的化學(xué)穩(wěn)定性。溫度淬火的原因很難掌握，但用外行人的話說(shuō)，升高的溫度會(huì)導(dǎo)致電子通常吸收藍(lán)色光子（然后發(fā)出黃色）一）“失蹤”（換句話說(shuō)，原子被電離）。 YAG熒光粉在大約200°C時(shí)會(huì)受到溫度淬火的影響，在正常工作期間LED不會(huì)出現(xiàn)異常高的溫度。此外，該材料的低化學(xué)穩(wěn)定性限制了LED的使用壽命（定義為器件光度下降的點(diǎn)）當(dāng)新的時(shí)候減去70％的產(chǎn)量。制造商通過(guò)指出現(xiàn)代白光LED能夠運(yùn)行30，000小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間來(lái)反駁這一論點(diǎn)，但研究人員表示，這是在“理想”操作條件下測(cè)量的，化學(xué)不穩(wěn)定性可能會(huì)影響惡劣環(huán)境中使用的設(shè)備的性能。但是，也許YAG熒光粉面臨的最大挑戰(zhàn)是美學(xué)上的挑戰(zhàn)。固態(tài)照明制造商熱衷于讓消費(fèi)者接受這項(xiàng)技術(shù)，但一個(gè)常見(jiàn)的抱怨是，白色LED產(chǎn)生的“刺眼”光線幾乎沒(méi)有傳統(tǒng)白熾燈照明帶來(lái)的“溫暖”。這種感覺(jué)是由于YAG磷光體產(chǎn)生“藍(lán)色”白光而紅光含量很少的事實(shí)。結(jié)果是具有高CCT（5000至8300K）的光。缺少顯著的紅色波長(zhǎng)為YAG磷光體器件引入了另一個(gè)問(wèn)題：CRI差。 CRI是衡量照明光源與太陽(yáng)光（CRI為100）相比再現(xiàn)物體顏色的程度的衡量標(biāo)準(zhǔn)。盡管存在明顯的缺點(diǎn)，但白熾燈泡的CRI約為95.相比之下，冷白光LED通常具有CRI為70到80.（有關(guān)CCT和CRI的更多信息，請(qǐng)參閱TechZone文章“定義白色LED的顏色特征”和“什么是顯色指數(shù)及其重要性？”。）

LED制造商在一定程度上解決了CCT和CRI的挑戰(zhàn)，將YAG熒光粉與另一種添加紅色波長(zhǎng)的熒光粉混合，將CCT擴(kuò)展到更溫暖的區(qū)域并改善CRI。用藍(lán)色LED代替紫外LED可以進(jìn)一步改善CCT和CRI。 LED制造商為此提供商業(yè)紫外線產(chǎn)品。例如，Philips Lumileds提供其Luxeon LED的紫外線版本。該器件發(fā)出的波長(zhǎng)介于395和400 nm之間，在500 mA時(shí)的最小輻射強(qiáng)度為525 mW/sr。 （由于眼睛無(wú)法看到紫外線的原因，紫外線LED的輻射強(qiáng)度（瓦特/球面度）被評(píng)定，而不是白光LED引用的更熟悉的效率（lm/W）數(shù)據(jù)。）

添加“紅色”磷光體的主要缺點(diǎn)是LED功效降低。更糟糕的是，紅色熒光粉的溫度淬滅閾值甚至低于YAG熒光粉，進(jìn)一步降低了典型LED工作溫度下的功效。

Cree的Xlamp?XT-E白光LED工作電壓為350 mA和2.85 V，但冷白色（5000 K）版本的發(fā)光度為135 lm，功效為135 lm/W，而暖白色（2700 K）的亮度分別為97 lm和97 lm/W.與冷白色器件相比，其他制造商的暖白產(chǎn)品表現(xiàn)出相似的低效率。圖3顯示了藍(lán)色LED和YAG熒光粉的CCT和CRI之間的差異以及紫外LED與YAG熒光粉的混合物和紅色熒光粉。

圖3：將紫外線LED與黃色/紅色熒光粉結(jié)合使用可改善CCT范圍和CRI，但會(huì)降低功效。3

提高熒光粉效率

在過(guò)去的十五年中，對(duì)LED效率的追求一直是主要制造商固態(tài)照明組件發(fā)展的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。在光子的初始生成和從模具中提取光子方面都取得了顯著的進(jìn)步。制造商最不希望的是紅色熒光粉的轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，從而影響其暖白光LED的發(fā)光度。制造商正在努力應(yīng)對(duì)生產(chǎn)新材料的挑戰(zhàn)，這些材料有望形成具有更高轉(zhuǎn)換效率的商用熒光粉，同時(shí)支持寬CCT范圍和良好的顯色指數(shù)。最有希望的候選產(chǎn)品是氮化物和氮氧化物材料，它們用另一種稀有元素金屬銪（Eu）代替鈰的電致發(fā)光特性。許多這些新型熒光粉可以用紫色或藍(lán)色LED激發(fā)并與房間相匹配和YAG：Ce熒光粉的高溫量子效率。此外，氮化物熒光粉在高溫/高濕條件下不會(huì)降解，因此適用于惡劣環(huán)境下的LED照明。

一系列高效氮氧化物熒光粉是MSi2O2N2：Eu 2 +（其中M = Ca 2 + ，Sr 2 + ，Ba 2 + ）組合物，其發(fā)射范圍為575至675 nm，在超過(guò)200°C的溫度下，量子效率大于85％（圖4）。來(lái)自這些氮化物磷光體的黃色，橙色和紅色Eu 2 + 發(fā)射可以與YAG：Ce組合用于比當(dāng)前商業(yè)產(chǎn)品更高效率的暖白色LED。 YAG：Ce和CaAlSiN3：Eu 2 + 與藍(lán)色LED結(jié)合的磷光體混合物已經(jīng)被用于制造高CRI暖白光燈。

圖4：氮化物和氧氮化物材料作為暖白光LED的高量子效率熒光粉顯示出前景.2

一個(gè)缺點(diǎn)是雖然這些新材料具有巨大潛力，但合成它們是比傳統(tǒng)的磷光體困難得多。然而，這并沒(méi)有阻止一些有進(jìn)取心的制造商商業(yè)化氮化物熒光粉。 Intematix于2011年在其熒光粉產(chǎn)品系列中增加了紅色氮化物材料。該公司的熒光粉用于普通照明的高效暖白光LED，為客戶(hù)提供額外的獎(jiǎng)勵(lì)，使他們免受某些專(zhuān)利許可問(wèn)題的影響。

該公司聲稱(chēng)新熒光粉將使照明市場(chǎng)能夠創(chuàng)造出比傳統(tǒng)YAG熒光粉解決方案更高效率和更高CRI（高達(dá)98）的暖白應(yīng)用。據(jù)稱(chēng)，使用這種新型熒光粉可以使客戶(hù)（合法地）規(guī)避與YAG熒光粉應(yīng)用相關(guān)的某些專(zhuān)利，否則將會(huì)產(chǎn)生許可費(fèi)用。

即將推出高效暖白光LED ，隨著制造商試圖讓消費(fèi)者相信固態(tài)照明是傳統(tǒng)照明的實(shí)用替代品，LED的功效已大幅提升。然而，光子生產(chǎn)和光提取的進(jìn)一步增長(zhǎng)很難找到，因此LED制造商越來(lái)越多地將注意力轉(zhuǎn)向芯片特性的其他方面以尋求更好的性能。

其中一個(gè)方面是熒光粉，特別是那些用于將紅色波長(zhǎng)添加到白色LED的輸出，以使設(shè)備顯得更暖。傳統(tǒng)的解決方案擴(kuò)展了產(chǎn)品的CCT和CRI，滿(mǎn)足了消費(fèi)者對(duì)各種溫度選擇和忠實(shí)色彩再現(xiàn)的需求，但否定了從引入其他技術(shù)中獲得的一些來(lái)之不易的功效。基于摻雜銪的氮化物和氮氧化物的磷光體有望產(chǎn)生具有良好CCT和CRI的新材料，但具有與現(xiàn)代高效冷白光LED中使用的純YAG磷光體相當(dāng)（或更好）的量子效率。一些材料現(xiàn)在正在推向市場(chǎng)，工程師應(yīng)該期待新一代更高效的暖白光LED即將推出。