【干貨】探究光品質(zhì)背后的關(guān)鍵要素——熒光粉

　　白光LED具有光效高、耗電小、體積小、壽命長、不含汞、鉛等有害物質(zhì)，無紅外線和紫外線等優(yōu)點(diǎn)，是公認(rèn)的第四代綠色節(jié)能環(huán)保光源。隨著人們對節(jié)能環(huán)保意識的日益重視，白光LED取代傳統(tǒng)光源進(jìn)入普通照明市場，已經(jīng)成為照明行業(yè)的大趨勢。

　　目前，制備白光LED的方式主要有兩種，一種是以“紅光芯片+綠光芯片+藍(lán)光芯片(RGB)”混合的方式得到白光，另一種是以“藍(lán)光芯片+熒光粉”得到白光，而后者在白光LED中占主導(dǎo)地位。對于這種主要的封裝方式來說，熒光粉的好壞決定了光源的色溫、顯色指數(shù)、顏色均勻性和光通量等參數(shù)。最近，人們對白光LED光源光品質(zhì)的要求越來越高，特別在藍(lán)光危害、眩光和顯色性等指標(biāo)方面的要求越來越嚴(yán)格，熒光粉又該如何滿足高品質(zhì)光源的需求呢?

　　光源的光品質(zhì)是一項(xiàng)綜合性的評價(jià)，需要考慮色溫、色坐標(biāo)(顏色偏好度)、Ra、R1-R15(特別是R9)、顏色飽和度、應(yīng)用需求等多種參數(shù)指標(biāo)，而影響這些參數(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素就是熒光粉。目前，市場上常見的商用LED熒光粉主要有八大系列：發(fā)射峰值范圍在545nm-580nm的YAG黃粉、522nm-545nm的GaYAG黃綠粉、520nm-545nm的LuAG綠粉、515nm-575 nm的硅酸鹽綠粉/黃粉、580 nm -600 nm的硅酸鹽橙粉、612 nm-675 nm的氮化物紅粉、490 nm -500 nm的氮氧化物藍(lán)綠粉和629nm-632 nm的氟化物體系紅粉。這些商用熒光粉因其發(fā)射峰值、色坐標(biāo)、半峰寬、激發(fā)效率、粒徑、表面光滑度等參數(shù)指標(biāo)不一樣，其應(yīng)用各有千秋。通俗地說，這如同畫畫用的彩色筆一樣，藍(lán)光LED就像畫紙，熒光粉就像彩色筆，通過不過搭配就可以得到一幅色溫、色坐標(biāo)、Ra、R1-R15(特別是R9)、NTSC、光均勻度等參數(shù)指標(biāo)不一樣的絢麗的“光彩畫”。

　　1、 熒光粉激發(fā)光譜范圍對光品質(zhì)的影響

　　LED熒光粉最根本的意義是實(shí)現(xiàn)光轉(zhuǎn)換，也就是說把藍(lán)光轉(zhuǎn)換成其他波長的可見光，其轉(zhuǎn)換效率與其激發(fā)光譜密切相關(guān)。圖1-圖5是一些熒光粉的激發(fā)光譜：

　　熒光粉的激發(fā)光譜范圍決定了其在440nm-470nm藍(lán)光LED芯片激發(fā)下的轉(zhuǎn)換效率，如圖所示，市面上常見的某些熒光粉只是激發(fā)光譜范圍包含了藍(lán)光LED芯片波長范圍，但并非所有系列的熒光粉在藍(lán)光LED芯片波長范圍內(nèi)有最強(qiáng)的激發(fā)，也就是說某些熒光粉只是能被藍(lán)光LED芯片激發(fā)，而非其最佳的激發(fā)應(yīng)用，所以在選用高光效熒光粉時(shí)，需要根據(jù)藍(lán)光芯片波長與熒光粉激發(fā)波長的匹配性進(jìn)行選擇。

　　2、 熒光粉發(fā)射光譜范圍及半峰寬對光品質(zhì)的影響

　　白光LED光源的發(fā)射光譜主要由所使用熒光粉的發(fā)射光譜所決定，市面上常見的商用熒光粉發(fā)射范圍在490nm-675nm，對應(yīng)不同體系的熒光粉。如下圖6所示，根據(jù)白光LED的“杠桿配光原則”，只要藍(lán)光芯片的波長和光源的色坐標(biāo)確定了，在色度圖上把芯片和色坐標(biāo)點(diǎn)連接并延長至與色度圖相交，所得到的波長A就是要搭配的熒光粉波長。對于沒有顯色性Ra及R1-R15要求的光源而言，直接搭配能發(fā)射該波長A的單個(gè)系列的熒光粉就可以了；對于有顯色性Ra及R1-R15要求的光源而言，則需要根據(jù)顯色性Ra及R1-R15的具體參數(shù)要求搭配長波段B和短波段C的兩種甚至多種熒光粉，在色度圖上各熒光粉波長與藍(lán)光芯片波長所連接成的多邊形的面積大小，決定了其顏色飽和度，換句話說：更短波的和更長波的兩種甚至多種熒光粉搭配藍(lán)光芯片所得到的白光LED的顯色性Ra和顏色飽和度更高，但是發(fā)射范圍在530nm-560nm的熒光粉的光效能高，而更短波和更長波的熒光粉的光效能一般會隨著波長的藍(lán)移或紅移而降低，所要一般來說，LED的顯色性Ra和顏色飽和度越高，其光效能越低。此外，熒光粉的半峰寬對于LED的顯色性Ra、顏色飽和度、色純度影響也很大，一般來說，半峰寬越寬，其覆蓋的顏色范圍越寬，LED的顯色性Ra、顏色飽和度會越高，但是其色純度會越低。

　　圖6 LED熒光粉“杠桿配光圖”

　　在光學(xué)輻射中，不同光譜所引起的視覺強(qiáng)度不同，其強(qiáng)弱用輻射光譜效能K(λ)評價(jià)，在可見光波段中，K(λ)具有最大值Kmax,光譜的光視效能歸一化后，稱為輻射光譜效率V(λ)：

　　V(λ)=K(λ)/ K_max

　　對于同一光譜成分的輻射，視覺的靈敏度不同，因此，光效率分成明視覺光效率和暗視覺光次效率兩種。當(dāng)光強(qiáng)度大于10 cd/m²時(shí)，是明視覺條件，此時(shí)人眼最大的視覺響應(yīng)波長為555nm，該波長的光譜效率為1，K_max為680 lm/W;當(dāng)光強(qiáng)度小于0.01 cd/m²時(shí)，是暗視覺條件，此時(shí)人眼最大的視覺響應(yīng)波長為507nm，該波長的光譜效率為1，K_max為1725 lm/W，圖7是人眼對光譜的相對靈敏度：

　　圖7 人眼對光譜的視覺靈敏度

　　在380-780nm可見光區(qū)域，視覺條件下的輻射能量引起的視覺光能量φ_vλ為：

　　式中，K_max、V(λ)分別對應(yīng)明視覺條件和暗視覺條件下最大的光視效能和光譜效率。因此，可以看到，一般上發(fā)射555nm附件的光譜的熒光粉所得到的白光光能量高，而往兩端的則呈下降趨勢。

　　3、 熒光粉晶形圓滑度、粒徑大小及分布對光品質(zhì)的影響

　　LED白光的實(shí)現(xiàn)是靠熒光粉吸收藍(lán)光轉(zhuǎn)換出其它可見光，再由該可見光與藍(lán)光復(fù)合而得到，而這個(gè)光轉(zhuǎn)換過程除受到熒光粉本身的能級效應(yīng)影響，熒光粉的晶形圓滑度、粒徑大小及分布也會直接影響其光轉(zhuǎn)換過程，其主要表現(xiàn)在對藍(lán)光的散射、折射、反射、吸收等作用的大小，圖8為熒光粉光轉(zhuǎn)換過程示意圖。

　　圖8 熒光粉光轉(zhuǎn)換過程示意圖

　　從圖中能看到，若熒光粉的晶形圓滑度不好，其反射截面增大，產(chǎn)生的反射量增大，降低出光量。理論上，熒光粉的晶形越接近球形，其反射效應(yīng)越弱，光轉(zhuǎn)換效果越好。

　　由圖7可知，熒光粉發(fā)射的光比芯片所發(fā)出的藍(lán)光具有更高的光視效能，所以藍(lán)光通過熒光粉轉(zhuǎn)換成其它可見光后整個(gè)光譜的光視效能提高了，LED光源的光通量增大。但同時(shí)，熒光粉體本身會對藍(lán)光以及其所轉(zhuǎn)換出的可見光有反射作用。其中，熒光粉的粒徑越小，平均自由程越小(平均自由程為光在傳播過程中光子與熒光粉顆粒之間二次碰撞之間的平均距離，平均自由程越小，碰撞次數(shù)和概率越大)，其反射率越大，增加了能量損失，不利于光線的出射。隨著熒光粉粒徑的增大，光散射的角分布變小，能量向前集中，有更多的光能量出射，光通量增大。但是，要實(shí)現(xiàn)相同的色溫，熒光粉顆粒越大，所需要的熒光粉濃度越高，隨著熒光粉濃度的增大，其轉(zhuǎn)換出來了更多的可見光會被熒光粉散射或者反射，會導(dǎo)致熒光粉的陷光作用占主導(dǎo)，光被反射損耗的作用大于吸引轉(zhuǎn)換的作用，光能量反而會下降。

　　熒光粉的分布一般用離散度S來評價(jià)：

　　S=(D90-D10)/D50

　　式中，D90、D10、D50分別為熒光粉累積分布為90%、10%、50%時(shí)所對應(yīng)的粒徑大小，其中D50又稱為熒光粉的中心粒徑。熒光粉顆粒的離散度越大，其粒徑分布范圍越廣，由于不同粒徑的熒光粉散射能力不同，顆粒間的散射失配，散射截面變大，熒光粉對光線的散射能力越強(qiáng)，陷光作用越明顯，出光量越小。此外，隨著熒光粉陷光作用的增強(qiáng)，更多光能量會被LED芯片、封裝膠等材料吸引并以熱量的形式釋放，造成結(jié)溫的升高，降低芯片光電轉(zhuǎn)換效率和熒光粉的光轉(zhuǎn)換效率。

　　科恒股份是一家以發(fā)光材料為主題材、在深圳創(chuàng)業(yè)板掛牌的上市公司，連續(xù)十四年保持全球最大的發(fā)光材料生產(chǎn)商地位，是一家集研發(fā)、生產(chǎn)、銷售于一體的高新技術(shù)企業(yè)，對于熒光粉的研發(fā)生產(chǎn)及應(yīng)用具有深厚的經(jīng)驗(yàn)。在LED熒光粉產(chǎn)品方面，科恒股份的產(chǎn)品品種系列齊全，規(guī)格型號豐富，其所覆蓋的激發(fā)波長、發(fā)射波長范圍廣，粒徑大小可客制化，粉體的晶形晶貌和離散度好，持續(xù)研發(fā)提升速度快，是一家深受市場歡迎的實(shí)力雄厚的公司。