相关色温8000-4000K的白光LED的发射光谱和色品质特性

摘要：文章报告和分析了8000K、6400K、5000K和4000K四种色温的白光LED的发射光谱、色品质和显色性等特性，它们与工作条件密切相关。随着正向电流IF的增加，色品坐标x和y值逐渐减小，色温增大，发生色漂移，而光通量呈亚线性增加，光效逐渐下降。由于在白光LED中发生光转换过程，产生光吸收的辐射传递，致使白光中InGaN芯片的蓝色EL光谱的形状和发射峰发生变化。白光LED的特性在很大程度上受InGaN蓝光LED芯片性能的制约。人们可以实现8000-4000K四种色温白光LED，显色指数高，且制作的白光LED的色容差可以达到很小，实现优质的白光照明光源。
从上世纪90年代末到现在，白光发光二极管的出现和快速发展，引起人们极大的热情，白光LED具有低压、低功耗、高可靠，长寿命及固体化等优点。其量大的吸引力和期望是作为继白炽灯泡、荧光灯及高强度气体放电灯（HID）后的第四代照明新光源——具有庞大的照明市场和显著的节能前景的光源，是符合环保、节能要求的绿色照明光源。因此，受到日美和欧洲各国政府和商家的重视，他们制定发展规划和目标，且大集团公司在技术和资金上进行联合和重组。2003年6月我国政府也推出“半导体照明工程”，以期大力推动我国白光LED的发展。
尽管短短的几年来，白光LED的研发和应用取得举世瞩目的成绩，但目前还存在诸多问题，只能用于一些特殊的领域中。我们注意到，目前普通的白光LED与用作照明光源白光LED的概念是有质的差异，并不是越“白”越好。人们对用作照明的白光光源有着严格的要求，国际和我国早已制定标准。照明光源有六个严格的标准色温区：6400K、5000K、4000K、3450K、2900K及2700K及其相应的色域，照明光源的色品质参数是相互关联的。必须同时得到满中，方可称为合格的照明光源。尽管目前作为照明光源——白光LEDs还没有国际CIE标准及中国的国家标准，但是应当参照国际CIE和中国国家标准来要求和指导白光LEDs新照明光源的发展和应用。迄今有关不同色温度，高显色性白光LED的色品质和光谱特性报道欠缺。本文按照国家照明光源标准，报告和分析所研发的8000-4000K不同色温的白光LED的发射光谱、色品质及光电特性。
1.实现相关色温原理和实验
从市场上可以很方便地购得多家公司提供的不同等级的InGaN蓝光LED芯片。这些芯片样品可分为发射波长455-460nm、460-465nm及465-470nm；光强一般在40mcd以上。蓝芯片尺寸大多为320X320um左右。依据发光学光转换和色度学原理，采用蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉有机组合成白光LED技术实现白光。荧光粉选择是多样性的，可以是一种黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。调控各发光颜色强度比，实现各种色温的白光。将含有荧光粉的优质高透过率树脂胶仔细涂覆在蓝芯片周围，用常规的封装工艺和环氧树脂封装成常规Ф5mm子弹型和半球型白光LED。白光LED的发射光谱，色品技及其他光电特性由浙大三色仪器有限公司生产的型号为SPR-920D型光谱辐射分析仪测试记录。该仪器配有一个0.5m的积分球及直流电源。所有实验均在室温下进行，白光LED的发射光谱在正向电流IF=20mA下测试。
2.不同色温白光LED的光谱特性
2.1 8000K的白光LED
7000-10000K白光呈现发蓝高色温的白光。在照明光源标准中没有这个标准。它是不能有作普通家庭照明光源的。这种高色温发蓝的白光LED可以用于要求不严的特殊照明和指示中，有一定用途。图1给出相关色温为8070K的半球Ф5白光LED的发射光谱。它是由InGaN蓝光LED的电致发光光谱和稀土YAG：Ce体系黄色荧光体被蓝光激发的光致发光光谱所组成，两光谱的本质是不同的。这样构成相关色温为8070K的发蓝的白光光谱，色品坐标x=0.2979，y=0.2939，在黑体轨迹的附近。
2.2 6400K的白光LED
图2是在正向电流IF=20mA下的色温为6450K的白光LED的发射光谱。它是属于色温为6400K的日光色。是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。其光谱所组成。和图1光谱相比，黄成份的光谱增强，色温降低。此时白光LED中的蓝光EL光谱和只有InGaN LED的蓝光光谱相比是有差异的，因为发生荧光体高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。而这种光吸收（激发）与荧光体的激发光谱密切相关。由于这种荧光体光转换过程致使白光LED中的蓝光光谱的能量分布、发射峰以及半高宽等性质发生变化。所涂覆的荧光粉越多，蓝色光谱变化越严重，在低色温的白光LED中更为明显。