全新高性能的LED高显YAG成份绿粉

摘要

本发明全新高性能的LED高显YAG成份绿粉的化学成分：石榴石型稀土化合物，(Y1-xGdx)3(Al1-yGay)5O12:Ce。化学稳定性：遇水稳定，常温下不分解、不变质，可耐受-50℃到300℃。安全性能：符合欧盟RoHS标准，不含任何放射性物质，无毒，不会对人体产生危害，不污染环境。

主权项

全新高性能的LED高显YAG成份绿粉氮化镓（ＧａＮ）基蓝色、绿色及紫外发光二极管（ＬＥＤ）的出现，为ＬＥＤ的应用开辟了巨大的新市场，其中之一就是半导体照明；半导体照明的核心在于白光ＬＥＤ；制作白光ＬＥＤ的方法有红、绿、蓝三基色ＬＥＤ合成、蓝光ＬＥＤ＋黄色荧光粉、紫外ＬＥＤ＋三基色荧光粉以及多层有机电致发光（ＯＬＥＤ）等；基于技术和成本的优势，目前，蓝光ＬＥＤ芯片＋荧光粉成为白光ＬＥＤ技术的主流 ；通过荧光粉转换的白光ＬＥＤ技术，大多采用Ｃｅ３＋激活的稀土石榴石（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋）黄色荧光粉，由于该荧光粉的发射光谱中缺少红光成分，难以同时实现低色温和高显色性；但人们在日常生活中已经习惯了低色温（３０００Ｋ左右）的照明光源，而且高显色性光源在博物馆、外科手术等特殊照明场所有其潜在的应用前景； 笔者在实验中采用大功率蓝光ＬＥＤ芯片作为激发光源，分别用荧光粉转换法和红光ＬＥＤ补偿法制备了低色温及高显色性白光ＬＥＤ，并对器件的发光特性进行了研究；高性能的LED高显YAG成份绿粉（１）采用大功率蓝光ＬＥＤ芯片同时激发黄色荧光粉和红色荧光粉，通过调整荧光粉中红粉的比例，得到了不同色温和显色指数的白光ＬＥＤ；研究了器件的发光特性随工作电流及红色荧光粉含量的变化；（２）用大功率蓝光ＬＥＤ激发ＹＡＧ：Ｃｅ３＋黄色荧光粉，同时用红光ＬＥＤ进行补偿，通过调整ＬＥＤ芯片发射的蓝光、红光及荧光粉的发光强度，制备出低色温和高显色性白光ＬＥＤ； 需要说明的是，在这部分实验中采用的是市场上一般水平的大功率蓝光ＬＥＤ芯片，如果采用较高水平的ＬＥＤ芯片，实验效果会更好；全新高性能的LED高显YAG成份绿粉给出了采用蓝光ＬＥＤ芯片同时激发黄色和红色荧光粉得到的白光ＬＥＤ的光谱分布；该白光ＬＥＤ以红色荧光粉的发射光谱为主，光谱峰值波长位于６１０ｎｍ，色坐标ｘ＝０．４０９３，ｙ＝０．３６７８；其色温和显色指数分别为３２００Ｋ和８３．２；但由于目前红色荧光粉的转换效率较低，在同样的工作电流下，器件的光通量和发光效率只有１４．１ｌｍ和１２．７２ｌｍ/Ｗ； 通过调整两种荧光粉的比例，可以得到不同色温的白光ＬＥＤ；文集２和文集３分别给出了大功率白光ＬＥＤ的相对光谱、光通量（Φ）和显色指数（Ｒａ）随红色荧光粉百分含量（Ｃ）的变化；随着荧光粉中红粉含量的增加，更多的红色荧光粉吸收ＬＥＤ芯片产生的蓝光后发生辐射跃迁并发出红光，导致了相对光谱的红移，同时器件的色温逐渐降低，而显色指数逐渐升高；但是，由于所用红色荧光粉的量子效率较低，要产生较多的红光就必须吸收更多的蓝光，这导致了器件光谱中的蓝光和黄光成分减少，器件整体光输出减少；采用ＧａＮ基倒装焊大功率高性能的LED高显YAG成份绿粉，同时采用ＡｌＧａＩｎＰ高亮度小功率红光ＬＥＤ进行补偿也可制备白光ＬＥＤ；文集４给出了采用这种方法制备大功率白光ＬＥＤ器件的结构示意文集；为了使器件结构更为紧凑，可以将小功率红光ＬＥＤ芯片粘结在大功率ＬＥＤ芯片的Ｓｕｂｍｏｕｎｔ上，根据器件的实际情况，两者可以共用Ｐ电极或Ｎ电极；实验中共用了１支大功率蓝光ＬＥＤ芯片和５支小功率红光ＬＥＤ芯片，在大功率蓝光ＬＥＤ芯片上涂敷荧光粉时，应尽量避免将荧光粉覆盖到红光ＬＥＤ芯片上，避免由于荧光粉的散射和吸收降低红光ＬＥＤ的光输出；为采用红光ＬＥＤ补偿法得到的白光ＬＥＤ的发射光谱；实验中大功率蓝光ＬＥＤ采用３５０ｍＡ直流驱动，消耗的电功率为１．１５Ｗ，５支红光ＬＥＤ的工作电流均为２０ｍＡ，消耗的电功率之和为０．２２Ｗ；其色温和显色指数分别为３４５０Ｋ和９３．９，色坐标ｘ＝０．３６３０，ｙ＝０．３７２１；器件的光通量和发光效率分别为２６．６ｌｍ和１９．４２ｌｍ/Ｗ，远远高于采用蓝光ＬＥＤ同时激发黄色和红色两种荧光粉得到的器件水平；随着发光二极管（LED）芯片和封装技术的提升，白光LED作为普通照明光源逐步受到人们的青睐；它具有低压、低功耗、高可靠性、长寿命等一系列优点，已广泛应用于LED路灯、LED灯具等领域，是一种符合国家“节能减排”政策的绿色新光源，有望取代目前在照明领域占统治地位的荧光灯和白炽灯；荧光灯在发光过程中需利用汞蒸气作为放电介质，对人体产生危害；2006年开始已在欧盟地区禁售；白炽灯由于电光转换效率低，制备低色温高显色性白光LED的方法 2.1 RGB三基色芯片混合成白光 将红、绿、蓝三色LED功率型芯片集成封装在单个器件之内，调节三基色的配比，理论上可以获得各种颜色的光；通过调整三色LED芯片的工作电流可产生宽谱带白光； 吴海彬等人自行设计的集成功率型1 W白光LED色温可以覆盖2700～13000 K，显色指数均可做到80以上；Yoshi Ohno等人^[ 6]通过模拟仿真三基色芯片和四基色芯片LED模型获得了色温Tc为3000‑4000 K，显色指数Ra分别为80‑89和90以上的白光；也就是说通过多芯片集成的方法能获得低色温高显色性的白光LED；这种方法的缺点是它的封装结构比较复杂，电路实现上较困难，白光稳定性较差，成本比较高；由于红、绿、蓝三种颜色LED芯片的量子效率不同，红、绿、蓝三种颜色LED芯片它们各自随温度和驱动电流变化不一样，且随时间的衰减也不同，所以输出白光的色度不稳定；为了保持稳定，需要对三种颜色分别加反馈电路进行补偿，所以封装结构设计电路比较复杂；这种方法的优点是效率高和使用灵活，由于发光全部来自红、绿、蓝三种LED，不需要进行光谱转换，因此，其能量损失最小，效率最高；同时由于RGB三色LED可以单独发光，其发光强度可以单独调节，故具有相对较高的灵活性； 选择RGB三基色合成白光技术实现功率型白光LED，主要应用于显示行业，如动态广告牌、商业等大型和超大型全色显示屏的信息显示；2009年5月份欧司朗光电半导体公司新开发出体积最小的RGB Multi‑Chip LED，特别适合应用于大尺寸高分辨率的全彩屏幕，确保画面近距离观看依然清晰。