趙見國， 索博研， 徐 儒， 王書昶， 張惠國， 常建華

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 江蘇 南京 210044；2.常熟理工學(xué)院 電子信息工程學(xué)院， 江蘇 常熟 215500）

1 引 言

白色發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）作為一種已經(jīng)普及的照明技術(shù)，在照明行業(yè)中展現(xiàn)出了高效、節(jié)能[1-3]以及環(huán)保[4-6]等諸多優(yōu)勢。隨著LED 技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，白光LED 的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大。人們對LED 的要求越來越高，用單一標(biāo)準(zhǔn)評判LED 的性能無法體現(xiàn)高品質(zhì)LED 的優(yōu)勢所在。

顯色指數(shù)（Ra）代表了光源對于物體顏色的顯現(xiàn)能力[7-9]，是評判LED 品質(zhì)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。光譜功率分布的藍(lán)光危害占比指數(shù)（下文簡述為藍(lán)光危害占比指數(shù)，Br，定義見補(bǔ)充文件）也成為考量LED 是否為高品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)之一。自從LED 照明產(chǎn)品廣泛應(yīng)用以來，人們對藍(lán)光危害越來越關(guān)注。因此，出現(xiàn)了很多評價藍(lán)光危害的標(biāo)準(zhǔn)。例如，國際上制定了對燈具和燈具系統(tǒng)的光生物安全性評價標(biāo)準(zhǔn)：IEC/EN 62471[10]，其中提出了視網(wǎng)膜風(fēng)險光譜加權(quán)函數(shù)；此外，IEC/TR 6277[11]對照明產(chǎn)品的藍(lán)光危險等級分類提供了指導(dǎo)。國內(nèi)也提出了針對光源和燈具的藍(lán)光危害評價標(biāo)準(zhǔn)：GB/T 20145[12]。目前，LED健康照明光源的研究重點(diǎn)主要集中在光生物輻射安全、光的視覺和非視覺效應(yīng)方面[13-15]。LED的光譜連續(xù)度（Cs，定義見補(bǔ)充文件）也是一個重要標(biāo)準(zhǔn)，目前白光LED 光譜普遍存在460～490 nm 波段缺失以及620～750 nm 波段不足[16]的問題，從而導(dǎo)致光譜中存在光峰或光谷現(xiàn)象，其光譜連續(xù)度較低，影響人眼對顏色辨識的能力[17]。因此，提高LED 的光譜連續(xù)度可以獲得更準(zhǔn)確、更自然的顏色表現(xiàn)。此外，光效反映了LED 的能源利用率和能源消耗情況，是衡量LED 性能的重要指標(biāo)之一，也是高品質(zhì)白光LED 必須要考慮的標(biāo)準(zhǔn)之一[18-19]。

本文使用商用普通藍(lán)光LED 芯片激發(fā)優(yōu)化后的熒光粉制備白光LED，研究了熒光粉配比、激發(fā)波長和驅(qū)動電流對白光LED 的顯色指數(shù)、藍(lán)光危害占比指數(shù)、光譜連續(xù)度和光效等指標(biāo)的影響。最終獲得了在額定功率下，顯色指數(shù)、光譜連續(xù)度和光效分別達(dá)到97.4、93.6%和98.75 lm/W，而藍(lán)光危害占比指數(shù)僅為26.3% 的高品質(zhì)白光LED，可用于高品質(zhì)生活健康照明、教育照明等領(lǐng)域。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)用品及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用品：芯片尺寸為30 mil×30 mil、額定功率為1 W 的商用藍(lán)光LED，峰值波長分別為450，460，480 nm，并分別記為L450、L460 和L480，其額定功率下的電光轉(zhuǎn)換效率分別為43%、26%和42%（具體性能參數(shù)見補(bǔ)充文件圖4）；如表1 所示的普通商用熒光粉；深圳市盟科技有限公司的SCR-1018 硅膠（A 膠∶B 膠=1∶4 配合使用）。測試設(shè)備采用的是杭州遠(yuǎn)方光電的LED 自動溫控光電分析測量系統(tǒng)——ATA-500 以及熒光粉激發(fā)光譜與熱猝滅分析系統(tǒng)——EX-1000。

表1 熒光粉參數(shù)表Tab.1 Table of parameters for phosphors

2.2 實(shí)驗(yàn)流程

制備白光LED 的實(shí)驗(yàn)流程如下。

（1）芯片分組：首先，根據(jù)不同熒光粉的發(fā)射、激發(fā)光譜選用適合每個LED 的熒光粉組合，以減少熒光粉之間的二次吸收（熒光粉參數(shù)測試及選擇策略見補(bǔ)充文件第3 節(jié)）。按照所用藍(lán)光LED和熒光粉的不同，制備了表2 所示的4 組白光LED系列樣品。其中，A 系列使用L450 激發(fā)熒光粉；B系列使用L450 激發(fā)熒光粉后串聯(lián)未激發(fā)熒光粉的藍(lán)光LED：L480，用于補(bǔ)充460～490 nm 波段的光譜；C 系列使用L460 激發(fā)熒光粉；D 系列為雙芯片方案，即A 系列與C 系列白光LED 串聯(lián)而成。

表2 實(shí)驗(yàn)樣品概述表Tab.2 Summary table of experimental samples

（2）配比熒光膠：A 系列樣品：使用L450 激發(fā)BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538、GaAlSiN3∶Eu-650 共制備了17 個白光LED 樣品，用于研究熒光粉配比對白光LED 顯色指數(shù)和光效的影響。具體過程如下：根據(jù)已報道的研究[20-21]和實(shí)驗(yàn)室前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將熒光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 的初始比例設(shè)定為0.183∶1∶0.17。在此基礎(chǔ)上，保持Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 的質(zhì)量不變，改變Ba-Si2O2N2∶Eu-495 的質(zhì)量制備了10 個LED 樣品，測試 得 到BaSi2O2N2∶Eu-495 與Lu3Al5O12∶Ce-538 的最佳比例。后續(xù)采用該比例，改變GaAlSiN3∶Eu-650 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比例制備了7 個LED，測試得到GaAlSiN3∶Eu-650 與Lu3Al5O12∶Ce-538 的最佳比例，最終獲得三種熒光粉的最佳配比，制備了A 系列樣品中性能最好的白光LED，并記為EFPR-A(Excellent fluorescent powder ratio-A)。 B、C系列樣品：采用上述熒光粉配比優(yōu)化策略，分別制作多個白光LED 獲得最佳熒光粉比例，并將基于最佳比例制備的白光LED 分別記為：EFPR-B 和EFPR-C。D 系列樣品：在EFPR-A 基礎(chǔ)上，串聯(lián)不同熒光粉配比的C 系列樣品，獲得D 系列樣品，并將性能最佳的D 系列白光LED 記為EFPR-D。

完成熒光粉稱量后，稱取SCR-1018 硅膠與抗沉淀粉，其中熒光粉∶硅膠為1∶1.108，抗沉淀粉為硅膠總質(zhì)量的0.12%[17]。隨后放入勻膠機(jī)進(jìn)行勻膠，然后放入真空泵內(nèi)消除氣泡，完成熒光膠配比。

（3）點(diǎn)膠：將熒光膠倒入點(diǎn)膠機(jī)中，均勻地將熒光膠點(diǎn)入固晶焊線好的支架中。

（4）烘烤：將點(diǎn)膠后的LED 放入烤箱，在80，120，150 ℃條件下依次烘烤90，90，180 min，完成白光LED 制備。

（5）測試：利用ATA-500 對樣品進(jìn)行測試。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同熒光粉配比對白光LED 的影響

圖1 展 示 了BaSi2O2N2∶Eu-495 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比例改變時，A 系列樣品的顯色指數(shù)及光效。顯 然，隨 著BaSi2O2N2∶Eu-495 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比例的增加，A 系列白光LED 的顯色指數(shù)和光效先增加后減小。在BaSi2O2N2∶Eu-495 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比例為0.223∶1 時，光效和顯色指數(shù)分別達(dá)到98.82 lm/W 和95.3。

圖1 不 同BaSi2O2N2∶Eu-495/Lu3Al5O12∶Ce-538 對 白 光LED 性能的影響Fig.1 The influence of different BaSi2O2N2∶Eu-495/Lu3Al5-O12∶Ce-538 on the performance of white light LED

從 圖2 可 以 發(fā) 現(xiàn)，隨 著GaAlSiN3∶Eu-650 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比例的增加，A 系列白光LED 的顯色指數(shù)和光效也先增加后減小。在GaAlSiN3∶Eu-650 與Lu3Al5O12∶Ce-538 比 例 為0.145∶1 時，白光LED 的發(fā)光效率為102.2 lm/W，顯色指數(shù)為95.5，效果最佳，此時熒光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 與GaAlSiN3∶Eu-650 的 比 例 為0.223∶1∶0.145。在熒光粉配比優(yōu)化之后，相較于本系列的初始比例，白光LED 的顯色指數(shù)增加了14.6，光效增加了12.8 lm/W。圖3 展示了EFPRA 的光譜。根據(jù)計(jì)算，EFPR-A 的藍(lán)光危害占比指數(shù)為36.79%，光譜連續(xù)度為87.1%。

圖2 不同GaAlSiN3∶Eu-650/Lu3Al5O12∶Ce-538 對白光LED性能的影響Fig.2 The influence of different GaAlSiN3∶Eu-650/Lu3Al5-O12∶Ce-538 on the performance of white light LED

圖3 最佳配比下制備的EFPR-A 光譜Fig.3 The spectrum of EFPR-A prepared at the optimal ratio

3.2 不同激發(fā)波長對白光LED 的影響

雖然EFPR-A 的顯色指數(shù)已經(jīng)達(dá)到了95.5，然而，由于缺乏了460～490 nm 青光部分光譜，光譜連續(xù)度僅為87.1%，仍有提升空間。從圖3 可以看出其LED 光譜存在明顯的“光谷”以及“光峰”現(xiàn)象，這種光譜不連續(xù)性會導(dǎo)致色差問題[17]。為了解決這個問題，B 系列樣品在EFPR-A 的基礎(chǔ)上串聯(lián)L480 用于補(bǔ)充青光波段以提高光譜連續(xù)度。然而，串聯(lián)L480 導(dǎo)致光譜中綠光部分增多，因此我們減少了EFPR-A 配比中Lu3Al5O12∶Ce-538 的比例。最終，B 系列樣品中最佳的熒光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 與GaAlSiN3∶Eu-650 的比例為0.25∶1∶0.16。制備的EFPR-B具有更加連續(xù)的光譜（圖4），其顯色指數(shù)、藍(lán)光危害占比指數(shù)、光譜連續(xù)度和光效分別為96.1、35.23%、95.1%和43.38 lm/W。

圖4 最佳配比下EFPR-B 的光譜Fig.4 The spectrum of EFPR-B prepared at the optimal ratio

與EFPR-A 相比，EFPR-B 的藍(lán)光峰值被小幅度削弱，并且460～490 nm 部分的光譜獲得了補(bǔ)全，其顯色指數(shù)提高了0.6，藍(lán)光危害占比指數(shù)降低了1.56%，光譜連續(xù)度提升了8%。然而，串聯(lián)L480 后光效降低，僅為43.38 lm/W。這是因?yàn)槿搜蹖Σ煌ㄩL光的感知效果不同，根據(jù)明視覺函數(shù)，人眼對550 nm 波段的光感知最強(qiáng)，而對460～490 nm 波段的青光感知較弱[22-23]。因此，單獨(dú)補(bǔ)充青光會犧牲整體的光效。

另一方面，EFPR-A 與EFPR-B 的藍(lán)光危害占比指數(shù)均大于30%，這是因?yàn)樗{(lán)光危害加權(quán)函數(shù)中，440 nm 為視網(wǎng)膜色素上皮組織最危險的藍(lán)光波長[17]，而峰值波長為450 nm 的藍(lán)光LED 芯片L450 發(fā)出了較大功率的“危險藍(lán)光”波段。為了減少440 nm 波段的藍(lán)光，我們采用L460 避開440 nm 波段制備C 系列樣品。C 系列樣品中最佳的熒光粉BaSi2O2N2∶Eu-495、Ga-YAG∶Ce-538 與GaAl-SiN3∶Eu-650 的比例為0.29∶1∶0.11。圖5 為L460激發(fā)熒光粉所制備的EFPR-C 的光譜。此時的EFPR-C顯色指數(shù)、藍(lán)光危害占比指數(shù)、光譜連續(xù)度和光效分別為91.7、20.62%、86.7%和51.19 lm/W。

圖5 最佳配比下EFPR-C 的光譜Fig.5 The spectrum of EFPR-C prepared at the optimal ratio

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于EFPR-A，EFPR-C 的顯色指數(shù)和光效下降，光譜連續(xù)度略微下降。但是藍(lán)光危害占比指數(shù)顯著改善，下降了16.17%，這表明使用偏離440 nm 波段的藍(lán)光LED 制備白光LED 可以顯著減小藍(lán)光危害占比指數(shù)，有效提高白 光LED 的品質(zhì)。但是，EFPR-A 和EFPR-C 都顯示出明顯的藍(lán)光峰值，導(dǎo)致較低的光譜連續(xù)度。因此，僅通過調(diào)整熒光粉配比很難有效降低藍(lán)光峰值以提高光譜連續(xù)度，獲得綜合指標(biāo)優(yōu)異的高品質(zhì)白光LED。

為進(jìn)一步提高白光LED 的綜合品質(zhì)，D 系列白光LED采用雙藍(lán)光芯片方案。研究發(fā)現(xiàn)，EFPR-D恰好是EFPR-A 與EFPR-C 串聯(lián)得到的白光LED，圖6 展示了其光譜。EFPR-D 在額定功率下實(shí)現(xiàn)高達(dá)97.4 的顯色指數(shù)，其藍(lán)光危害占比指數(shù)僅為26.3%，光譜連續(xù)度為93.6%，光效為98.75 lm/W。該結(jié)果與2018 年報道的雙藍(lán)光芯片方案的最優(yōu)結(jié)果[24]相比，EFPR-D 的藍(lán)光危害占比指數(shù)降低了7.5%，光譜連續(xù)度提升了11.1%；與2020 年報道的雙藍(lán)光芯片方案的最優(yōu)結(jié)果[17]相比，EFPRD 的藍(lán)光危害占比指數(shù)降低了8.9%，光譜連續(xù)度提升了4.5%。

圖6 最佳配比下EFPR-D 的光譜Fig.6 The spectrum of EFPR-D prepared at the optimal ratio

通過表3 可以發(fā)現(xiàn)，相比于EFPR-A，EFPR-D改善了顯色指數(shù)、藍(lán)光危害占比指數(shù)、光譜連續(xù)度，但由于L460 的電光轉(zhuǎn)換效率比L450 低17%，光效略有降低。與EFPR-B 相比，EFPR-D 改善了顯色指數(shù)、藍(lán)光危害占比指數(shù)、光效，光譜連續(xù)度略有不足。對比EFPR-C，EFPR-D 的顯色指數(shù)、光譜連續(xù)度、光效均有提升，藍(lán)光危害占比指數(shù)略微偏高。這是因?yàn)镋FPR-D 的藍(lán)光峰相較于EFPRC 更靠近“危險藍(lán)光”440 nm，從而造成了藍(lán)光危害占比指數(shù)提高。綜上所述，EFPR-D 綜合品質(zhì)最好，該LED 可用于高品質(zhì)生活健康照明、教育照明燈等領(lǐng)域。

表3 不同藍(lán)光芯片制備白光LED 樣品對比Tab.3 Comparison of white light LED samples prepared with different blue chips

3.3 不同驅(qū)動電流對白光LED 的影響

EFPR-D 為EFPR-A 和EFPR-C 串聯(lián)獲得，因此本研究進(jìn)一步測量了EFPR-A 和EFPR-C 在30～300 mA 驅(qū)動電流下的光譜（見補(bǔ)充文件圖8、圖9），并計(jì)算了不同電流下EFPR-A 和EFPR-C 的4項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，如圖7 和圖8 所示。從圖中可以看出，當(dāng)驅(qū)動電流從30 mA 增加至300 mA 時，EFPRA 的光譜連續(xù)度從95.8%降至87.1%，說明其光譜逐漸偏離標(biāo)準(zhǔn)光譜；與此相反，EFPR-C 的光譜連續(xù)度從83.4%增至86.7%，表明其光譜逐漸接近標(biāo)準(zhǔn)光譜；因此，EFPR-A 的顯色指數(shù)從96.8 降至95.5，而EFPR-C 的顯色指數(shù)從88.9增至91.7。實(shí)際上，EFPR-D 的光譜為EFPR-A 與EFPR-C 光譜的疊加，這種疊加使EFPR-D 的光譜更接近于標(biāo)準(zhǔn)光譜，因此EFPR-D 在300 mA 電流下的光譜連續(xù)度和顯色指數(shù)分別達(dá)到93.6%和97.4。

圖7 不同驅(qū)動電流下顯色指數(shù)、光譜連續(xù)度的變化Fig.7 The change of color rendering index and spectral continuity under different driving current

圖8 不同驅(qū)動電流下藍(lán)光危害占比指數(shù)、光效的變化Fig.8 The change of blue light hazard ratio index and light efficiency under different driving current

另外，隨著電流的升高，EFPR-A 和EFPR-C的藍(lán)光危害占比指數(shù)均增大，這歸因于藍(lán)光LED因極化電場導(dǎo)致的量子限制斯塔克效應(yīng)[25-30]引起的3 nm 藍(lán)移（見補(bǔ)充文件圖1 和圖2），使光譜的藍(lán)光峰更靠近“危險藍(lán)光”440 nm。因?yàn)樗{(lán)光LED的電光轉(zhuǎn)換效率隨電流的升高而降低，因此導(dǎo)致了EFPR-A 和EFPR-C 光效降低。

4 結(jié) 論

本研究旨在分析不同熒光粉配比和不同激發(fā)波長對于白光LED 的影響，得出以下結(jié)論：（1）利用L450 激 發(fā) 最 佳 配 比 為0.223∶1∶0.145 的Ba-Si2O2N2∶Eu-495、Lu3Al5O12∶Ce-538 和GaAlSiN3∶Eu-650 熒光粉，獲得顯色指數(shù)、光譜功率分布的藍(lán)光危害占比指數(shù)、光譜連續(xù)度和光效分別為95.5、36.79%、87.1% 和102.2 lm/W 的EFPR-A。（2）相較于傳統(tǒng)藍(lán)光LED，采用L450 芯片搭配L480芯片，有效彌補(bǔ)了460～490 nm 部分的光譜缺失，用其制備的EFPR-B 的光譜連續(xù)度達(dá)到95.1%，緩解了“光谷”、“光峰”帶來的色差問題。 （3）從技術(shù)原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，本研究避免最危險的440 nm 的藍(lán)光波長，轉(zhuǎn)而使用長波長藍(lán)光芯片激發(fā)熒光粉制備藍(lán)光危害占比指數(shù)僅為20.62% 的EFPR-C，有效地減少了藍(lán)光危害。 （4）使用電光轉(zhuǎn)換效率僅為26%(L460)和43%(L450)的雙藍(lán)光LED 芯片激發(fā)優(yōu)化后的熒光粉，成功制備了高品質(zhì)白光LED 樣品EFPR-D。在2 W 的額定功率驅(qū)動下，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)97.4 的顯色指數(shù)，其藍(lán)光危害占比指數(shù)僅為26.3%，光譜連續(xù)度為93.6%，光效為98.75 lm/W。實(shí)現(xiàn)了對藍(lán)光峰值的削減，在保證顯色指數(shù)、光譜連續(xù)度、光效的同時改變藍(lán)光功率分布，有效減少了藍(lán)光危害占比指數(shù)。該LED 可用于高品質(zhì)生活健康照明和教育照明燈領(lǐng)域。

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