摘要：本文首次完整的研究了采用蓝光芯片与13种荧光粉组合制备高显色性正白光和暖白光LED时，其粉胶比、发射光谱、光通量、显色指数等参数的差别及变化规律。研究结果表明：采用绿粉、黄绿粉和黄粉三种主粉分别与红粉搭配形成色温3000K和6000K的组合1～6，随着主粉峰值波长逐渐变长，发射光谱中红色发光主峰都出现蓝移现象，粉胶比、显色指数均大幅减小，光通量则逐渐增大；采用主峰波长由长到短的四款红粉与绿粉搭配形成组合4、7～9，在6000K时，粉胶比基本相当，显色指数很高，在96.2～88.7之间变化，光通量逐渐增大；采用两种和三种荧光粉搭配形成6000K色温的组合10～13，经过优化比例，显色指数均在80附近，光通量差距则较大，其中由黄绿粉与短波红粉的双色组合10光通量最佳。

关键词：荧光粉；白光LED；发射光谱；光通量；显色指数

一  引言

目前，白光LED作为一种高转换效率的照明光源，具有低碳、节能及超长寿命等众多优点已成为世界各国学术界与产业界的宠儿，正在引起一场巨大的科技革命。在日常生活中，白光LED主要应用在照明和显示背光源两个领域，其中白光LED作为普通照明的应用，具有很深远的意义。目前，实现白光LED的主流是采用蓝光芯片+黄色荧光粉^[1-3]，一般来说，这样搭配得到白光LED的显色指数较低，不能达到现在普遍使用节能灯国标中显色指数达到80或以上的要求，故很难进入室内照明，特别是阅读照明、橱窗照明及医疗照明等。因此，有必要通过高效的荧光粉组合，提升现有白光LED的性能，尤其是正白光LED的显色指数，同时又要保证其具有较高的光通量，这是当前高性价比白光LED照明研究和应用的重要任务。

    本文首次完整的研究了分别采用固定的蓝光芯片与13种荧光粉组合制备高显色性白光LED，当色温分别在3000K和6000K时，其粉胶比、发射光谱、光通量和显色指数等参数的差别及其变化规律，揭示了影响正白和暖白光LED性能的原因，旨在探索蓝色芯片与荧光粉组合的最佳条件。这对开发光电性能良好的正白光和暖白光LED有着很好的借鉴作用。

二  试验

    本试验选用如下材料，蓝光芯片：晶元光电，参数是10*23mil，波长452-455.5nm；荧光粉：有研稀土铝酸盐绿粉G、主峰波长在525nm，黄绿粉Y1、主峰波长在540nm，黄粉Y2、主峰波长在549nm以及黄粉Y3、主峰波长在556nm，四款氮化物红粉R1、R2、R3及R4：主峰波长分别在620nm、630nm、640nm和650nm；硅胶：信越SCR-1018A/B硅胶。封装的白光LED工作电压V_F=3.0-3.2V，工作电流I_F=20mA，在室温25℃下，测试仪器为杭州远方PMS-50光谱测试系统。本实验采用常规工艺生产3528白光LED，严格保证点胶量和荧光粉粉层厚度基本一致，试验中采取13种荧光粉组合，每种组合做样品10颗，具体参数统计取平均值。

三  试验结果与讨论

就白光LED（蓝光芯片＋黄色荧光粉体系）而言，有文献资料^[4]指出，目前此类白光LED的发射光谱中，蓝光波段部份约占白光总光能的31％，而经由荧光粉转换的黄光则约占白光总光能的69％的比例。这些荧光粉都需要吸收蓝光芯片的能量而发光，同时红粉也会再吸收一部分黄粉的能量而发光。

1、LED蓝光芯片+主粉、固定红粉双色组合

从表1可以看出，采用蓝光芯片分别与绿粉G、黄绿粉Y1或黄粉Y2（简称主粉）和红粉R3搭配组合，当实现相近色坐标，即x=0.434±0.003，y=0.400±0.003，色温为3000K附近时，所使用粉胶比呈现大幅降低的趋势，其中采用组合1的粉胶比最大为25.26%，这一方面与荧光粉颗粒大小有关，（这里G绿粉D50=15.6μm、Y1黄绿粉D50=8.9μm、Y2黄粉D50=9.5μm），一般来讲，由于支架中金属碗的体积是相同的，使用粗颗粒的荧光粉，当达到某个色温平衡时，粗粉不容易遮蔽蓝光，这样需要使用的荧光粉就较多，反之较少；另一方面则与荧光粉覆盖的光谱有关，对比组合2和组合3，尽管两种组合的粒度基本相当，甚至前者的粒度还略小，但所使用的粉胶比较大，如图1发射光谱所示，这主要是因为组合2的光谱集中度比组合3更高，这样就会有较多的能量重叠，因此，在一定范围内，需要提高粉胶比来完善能量平衡以达到相同的光参数。

表1  色温3000K时，采用不同主峰波长的主粉和红粉组合制备白光LED的光参数

当白光LED色温为3000K时，每种荧光粉组合相对用粉量都较大，如图1，在整个可见光谱中，当荧光粉成为主要白光转化能时，能量将超过蓝光主峰而成为新发光主峰，且随着主粉峰值波长逐渐变长，其红色发光主峰出现蓝移现象，即从621nm移动到612nm，直到606nm，其中组合3的蓝移最大，这意味着影响高显色指数R1-R15中最关键的R9值较小，故平均显色指数也较小，如表1，其显色指数只有80.1，不过光通量最大达到6.0lm，这里由于图1已经归一化，并不能看出3种粉组合实际发光强度的大小，但是一般来讲，光通量越大，其覆盖光谱面积的积分强度越大^[5]，也就是说，如果没有进行归一，在黄、红色主能量区域，其发射强度呈现的趋势是：组合1<组合2<组合3。在480～510nm蓝绿色区域，受绿粉G用量较多的影响，

图1 蓝光芯片+主粉、固定红粉双色组合的发射光谱（3000K）

组合1光谱抬起幅度最大，组合3抬起幅度最小。尽管随着主粉峰值波长逐渐变长，主粉相对于的红粉比例逐渐增大，然而综合粉胶比来看，波长最短的主粉G与R3搭配组合1中，其R3的绝对用粉量仍然最多，这样在使用相同蓝光芯片的情况下，其吸收的蓝光能量也较多，同时单位体积内荧光粉密度较大，蓝光的透过率也变小，所以原本组合1相对组合2和3的黄、红色光谱强度较低，即使经过放大归一后，其蓝光区域的发射强度依然最弱，且出现了一定的蓝移现象，即随着主粉峰值波长逐渐变长，蓝色发光主峰从451nm移动到448nm，直至移动到447nm。

表2展示出，采用蓝光芯片分别与绿粉G、黄绿粉Y1或黄粉Y2（简称主粉）和红粉R3搭配组合，当实现相近色坐标，即x=0.322±0.003，y=0.333±0.003，色温为6000K附近时，随着主粉波长逐渐变长，尽管组合5略有波动，但总体来说，红粉相对于主粉的比例呈现减小的趋势，这与实现3000K暖白光LED正好相反；不过3000K和6000K两种色温的粉胶比的变化趋势相同，即随着主粉峰值波长逐渐变长，粉胶比均大幅减小。

表2  色温6000K时，采用不同主峰波长的主粉和红粉组合制备白光LED的光参数

从图2发射光谱可以直观看到，在蓝光区域以及黄红区域，组合3的半峰宽都最窄，即在可见光谱中的覆盖范围最小，而组合4覆盖光谱范围最大，其显色指数将最高，这同上述表2中该组合显色指数较高达到91.7相对应，不过此时光通量较低，只有5.9lm。另外，与3000K色温时不同的是，图2并未展示出蓝色芯片的发光主峰移动的现象，这可能时因为6000K色温时，蓝光是主要能量态，其受主粉的影响较小，有所变化的只是影响蓝光发射光

图2 蓝光芯片+主粉、固定红粉双色组合的发射光谱(6000K)

谱尾部抬起高低的问题；在后面黄红光谱范围内，组合4形成了一高一低的双峰结构，这主要是因为该组合中，粉胶比较大，且红粉相对于主粉比例也较大，从而使其红光能量较强的缘故。进一步发现，如表1，当色温为3000K时，随着使用的主粉峰值波长逐渐变长，其使用主粉相对于红粉的比例，逐渐减小，即主粉比例从88.5%减小到81.8%；然而如表2，当色温为6000K时，与上述趋势正好相反，即随着使用主粉峰值波长逐渐变长，其相对于红粉比例从92.2%增加到96.3%。

2、LED蓝光芯片+红粉、固定绿粉双色组合

从表3与图3可以看出，采用蓝光芯片分别与红粉R4、R3、R2或R1和绿粉G搭配组合，当实现相近色坐标，即x=0.320±0.003，y=0.330±0.003，色温6000K附近时，发现所用的粉胶比相差不大，这其中与绿粉G固定不变，四种红粉的粒度也基本相当有关。在图3整个可见光谱中，四种组合的蓝色发光主峰波长都没有变化，而在后面的黄红光谱区域内，组合9的光谱在红色区域延伸最短，组合7延伸最长，这说明随着红粉发光主峰波长越长，其对显色指数R1-R15中的R9贡献就越大，与此对应表3中显色指数逐渐增大相呼应，即从88.7增大到96.2，而光通量则从6.3lm降低到5.5lm。

表3  色温6000K时，采用不同主峰波长红粉和绿粉组合制备白光LED的光参数

图3 蓝光芯片+红粉、固定绿粉双色组合的发射光谱(6000K)

以上，不管是3000K暖白光还是6000K正白光LED，添加红粉都会降低光通量，其中使用的红粉主峰波长越长，即红色发光强度越弱，白光LED光通量就越低，显色指数越高；使用红粉对主粉的比例越大，白光LED光通量越低，显色指数越高；使用的粉胶比越大，即红粉相对用量越多，白光LED光通量越低，显色指数越高。这些现象只适用于蓝光芯片＋荧光粉的系统中，而不适合蓝光芯片＋红光芯片的系统中，因为前者，荧光粉，包括红色荧光粉是吸收蓝光能量后才发光的，比如随着粉胶比中红粉含量的增加，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，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黄粉低，要产生较多的红光就必须吸收更多的蓝光，这导致了整个可见光谱中的蓝光和黄光成分减少^[6]，而且红粉会再吸收部分高效黄光转换成低效红光，致使白光LED整体光输出减少。而后者则有所不同，是蓝光芯片和红光芯片分别发光，并不互相影响。

3、LED蓝光芯片+双色、三色荧光粉组合

鉴于上述，在一定范围内，为使显色指数和光通量达到平衡，采用两种和三种荧光粉组合，如表4，实现相近色坐标和显色指数，即当色坐标x=0.324±0.003，y=0.338±0.003，显色指数满足80±1时，此时可以满足作为照明的显色指数要求，也是目前行业内急需解决的。从表中可以看出，采用两种粉搭配时，固定黄绿粉Y1，由于红粉R1主峰波长比R2短，要实现相同的显色指数，就需要多加红粉R1，这也正是表中R1对Y1比例比R2对Y1高1%的原因，此时两种组合的光通量几乎相当，这是由于尽管红粉R1用量偏多，但是R1比R2亮度更高，从而实现了相互抵消的缘故。当采用三种粉组合时，通过调整比例，可以达到上述要求的光参数，这里组合12中R4与G均比组合13中R3和Y1亮度低，尽管组合12中Y3比例大，其亮度也较高，但仍然不能抵消总光通量的损失，即组合12比组合13光通量低4.4％。从这四种组合综合来看，如果不加入亮度更高的黄粉Y3，组合12与13分别与蓝

表4  采用两种或三种荧光粉组合制备显色指数为80白光LED的光参数

光搭配实现显色指数80比较容易，但是光通量较低，在加入Y3后光通量会增大，但仍然没有达到采用两种粉组合的效果好。这里当使用两种粉组合时，相对于三种粉来说，其与硅胶搭配起来更容易，且BIN区集中度以及产品的良率都较好，故可以选择组合10，其搭配效果最佳，充分实现了目前市场对高显色指数80、高光效白光LED照明的急迫需求。

四、结论

（1）采用绿粉、黄绿粉和黄粉三种主粉分别与红粉搭配依次形成3000K和6000K的组合1～6，随着主粉峰值波长逐渐变长，粉胶比、显色指数都大幅减小，光通量则逐渐增大；当色温在3000K时，其蓝色和红色发光主峰整体出现蓝移现象，而当色温在6000K时，只有红色发光主峰整体出现蓝移现象；此时使用相同荧光粉组合分别实现达到3000K与6000K的白光LED时，6000K的粉胶比都较小、显色指数较低、光通量较高；

（2）采用主峰波长不同的红粉与同一绿粉搭配形成组合4、7～9，色温在6000K时，粉胶比基本相当，显色指数在96.2～88.7之间变化，采用发光主峰波长越短的红粉与绿粉组合，光通量越大，其中组合9光通量最大为6.3lm；

（3）采用两种和三种荧光粉搭配形成色温6000K的组合10～13，在优化荧光粉比例情况下，显色指数均可以达到80附近，光通量差距则较大，其中由黄绿粉与短波红粉的双色组合10效果最佳，光通量达到7.0lm。

参考文献

[1]Moghimi S M, Hunter A C H, Murray J C. Long-circulating and target-specific nano-particles: theory to practice. Pharm Rev[J], 2001,53:283-318.

[2]Regina Mueller-mach, Gerd O Mueller, Michael R Krames, et al. High-power phosphor-converted light-emitting diodes based on Ш-nitrides.  IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics[J], 2002,8(2):339-345.

[3] Joung Kyu Park, Mi Ae Lim, et al. White light-emitting diodes of GaN-based Sr₂SiO₄ :Eu and the luminescent properties. Appl Phys Lett[J], 2003, 82(5):683-685.

[4] 无名.白光LED及荧光粉之特性探讨. OFweek半导体照明网[N], 2011.

[5] 林秀华. 白光LED光学性能研究. LED最新产品及技术发展趋势论坛[C], 2009:34-36.

[6] 邓代顺, 钱可元, 罗毅. 低色温高显色大功率白光LED的制备及其发光特性研究. 光电子-激光[J], 2006, 17(12):1422-1426.