白光led發(fā)光性能的研究

1世紀(jì)最有價(jià)值的led照明源隨著科學(xué)技術(shù)、材料生長(zhǎng)和設(shè)備工藝水平的不斷發(fā)展和改進(jìn)，不同顏色的高亮度綠燈取得了突破。1991年，nic-ura等人首先以藍(lán)莓為基礎(chǔ)，開發(fā)了混合細(xì)胺的gan共藍(lán)綠色屋頂。1993年，藍(lán)光燈的發(fā)光強(qiáng)度增加到1cd，1995年達(dá)到2cd。同年，實(shí)現(xiàn)了綠色光燈的商業(yè)化，光強(qiáng)達(dá)到6c。1995年11月,Nakamura展示了用于交通信號(hào)燈的LED。1997年,Nichia公司研制成功連續(xù)波工作、壽命超過10000h的藍(lán)光LED,發(fā)光效率達(dá)到50lm/W,光色已實(shí)現(xiàn)可見光波段的全彩色化,包括白色LED。這給白光照明光源提供了新的途徑,是21世紀(jì)最有價(jià)值的一種新光源。1998年,日本通商產(chǎn)業(yè)省投資50億日元啟動(dòng)國(guó)家項(xiàng)目“21世紀(jì)的照明”,在世界率先開展日光色LED照明光源實(shí)用化的研究,計(jì)劃從2005年起,逐步取代白熾燈和熒光燈。同時(shí),Philips,Osram,Siemens等多家公司也全力角逐這一市場(chǎng)。目前,世界上生產(chǎn)LED的半導(dǎo)體公司紛紛和老牌燈泡制造商結(jié)盟,搶占這個(gè)可以說是未來最大的照明市場(chǎng)。美國(guó)HP公司聯(lián)合了日本Nichia和德國(guó)Siemens;美國(guó)Cree公司、德國(guó)Siemens又和Osram聯(lián)合;美國(guó)EMCORE公司和GE電器公司聯(lián)合等。其中德國(guó)Osram和美國(guó)GE電器公司都是世界三大燈泡制造商之一。因此,目前LED照明燈對(duì)傳統(tǒng)的照明燈發(fā)起了挑戰(zhàn)。業(yè)內(nèi)人士預(yù)計(jì)2005～2010年全球LED照明市場(chǎng)規(guī)模將逾10億美元。白光LED與其他照明光源相比,在使用方便、安全、光色穩(wěn)定性能、壽命等方面已經(jīng)做得非常好;并且白光LED光源部分代替熒光燈,減少了汞污染、節(jié)能、減少了二氧化碳和其他溫室氣體的產(chǎn)生,在環(huán)保方面有其明顯的優(yōu)勢(shì)。主要的研究集中在白光LED照明光源的色坐標(biāo)、顯色指數(shù)、色溫和發(fā)光效率等參數(shù)。2led光色參數(shù)的確定LED產(chǎn)生白光有兩個(gè)途徑:(1)紅綠藍(lán)三基色LED組成像素?zé)?通過按紅綠藍(lán)三基色發(fā)光的比例混合得到白光。它由四塊芯片組成,一紅一綠二藍(lán)(或二紅一綠一藍(lán)),用6根引腳分別尋址。其中兩根中心引腳公用,另外,每一芯片各一根引腳,發(fā)射的顏色根據(jù)加到每塊芯片上的不同功率控制而改變。產(chǎn)生白光主要是控制通過紅色、綠色和藍(lán)色LED的電流而獲得。其發(fā)光的相對(duì)光譜功率分布P(λ)如圖1(a)所示。(2)利用藍(lán)光LED作為基礎(chǔ)光源,將藍(lán)光LED發(fā)出的一部分藍(lán)光用來激發(fā)熒光粉,使熒光粉發(fā)出黃光或紅光和綠光,另一部分藍(lán)光透射出來,由熒光粉的黃綠色光或紅光和綠光與透射的藍(lán)光組成白光,見圖1(b)。這時(shí)對(duì)熒光粉有兩個(gè)要求:一是熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)與藍(lán)光發(fā)光二極管的發(fā)射波長(zhǎng)相匹配,以確保獲得高的轉(zhuǎn)換效率,二是要求熒光粉的發(fā)光與藍(lán)色LED的發(fā)光可以配成白光。只要選好熒光粉,然后調(diào)整熒光粉發(fā)光和藍(lán)光的比例,就可以很容易地實(shí)現(xiàn)白光。作為照明光源,它的光色參數(shù)有:總光通量Φ,色品坐標(biāo)x,y或u,v;色溫Tc;顯色指數(shù)Ra和發(fā)光效率η。為了分析驅(qū)動(dòng)電流和溫度對(duì)LED光色參數(shù)的影響,我們建立了如圖2所示的LED測(cè)試裝置,LED放在一個(gè)直徑180mm的積分球內(nèi),積分球放在恒溫箱內(nèi),LED的發(fā)光通過光纜傳到JS-2000型LED光譜分析系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)量。圖3為驅(qū)動(dòng)LED的方波恒流源,電流在1～1000mA可調(diào),頻率1kHz,占空比1/8。3藍(lán)色led燈的熒光光譜白光LED光源的光色特性除了受芯片和熒光粉的影響外,還受到驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)境溫度的影響,表1示出了不同工作電流下熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED的光色參數(shù),其中IF為白光LED的工作電流;x,y為其色品坐標(biāo);Ra,Tc和λp為其顯色指數(shù)、相關(guān)色溫和峰值波長(zhǎng)?？梢?熒光粉轉(zhuǎn)換白光LED的顯色指數(shù)為80左右,隨著工作電流的增大,藍(lán)峰波長(zhǎng)稍有紅移,顯色指數(shù)稍有增加,但不明顯;工作電流達(dá)到560mA的時(shí)候,其顯色指數(shù)不過為83。所以,通過增大白光LED的工作電流來提高其顯色指數(shù)并不合適。實(shí)際上,從其發(fā)光的相對(duì)光譜功率分布(圖1(b))可看出,它的光譜長(zhǎng)波部分比日光色低很多。我們給該白色LED燈配以波長(zhǎng)為650nm的紅色LED來補(bǔ)充,圖4給出這種白色LED工作電流為25mA,紅色LED工作電流為10mA時(shí)的光譜圖,組合LED的顯色指數(shù)可以達(dá)到93。提高熒光粉的紅光能量將是最佳的方法。對(duì)紅、綠、藍(lán)三基色LED組合發(fā)射的白光,調(diào)節(jié)紅、綠、藍(lán)的工作電流可以獲得一定的顯色指數(shù),甚至也能達(dá)到90。但是這種方法電流的調(diào)節(jié)復(fù)雜,一致性較差。所以,作為照明用的LED光源應(yīng)選用熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED。表2示出白色LED發(fā)光效率與工作電流的關(guān)系,表3給出的是紅、綠、藍(lán)三基色LED組合白光LED發(fā)光效率的變化。可見,熒光粉轉(zhuǎn)換型白光LED的發(fā)光效率要高于三基色組合白光LED光源。表4給出了白色LED與紅色LED組合的情況;從表2、表4可見,白色LED的發(fā)光效率隨電流的增大而減小,這是因?yàn)殡娏髟黾訉?dǎo)致藍(lán)光波峰的長(zhǎng)移,使熒光粉激發(fā)波長(zhǎng)的匹配效率下降。所以減小LED工作電流可以提高其發(fā)光效率,但要達(dá)到同樣光通量所需LED數(shù)量增加,成本上升。隨著功率的增加,光通量也增加,但存在一個(gè)極大值,所對(duì)應(yīng)的電流為20mA左右,從節(jié)省LED數(shù)量出發(fā),對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)的LED燈,可選用40～50mA的電流。綜上所述,我們選用100個(gè)白色LED和20個(gè)紅色LED組成照明光源,每個(gè)LED電流為40mA,測(cè)得其總光通量為307lm,發(fā)光效率為19.88lm/W,顯色指數(shù)為91。我們將這個(gè)LED燈放在恒溫箱中測(cè)量。結(jié)果示于表5,可見溫度升高,發(fā)光效率下降,當(dāng)溫度大于50℃時(shí),色溫偏高,顯色指數(shù)變劣。主要由于溫度升高,藍(lán)光波峰紅移,熒光粉波峰變平坦而劣化。4led光色技術(shù)作為照明用的白光LED光源,應(yīng)選用熒光粉類LED,其光色特性除了受芯片和熒光粉的影響外,還受到驅(qū)動(dòng)電流和環(huán)境溫度的影