【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(zhǎng)、不含汞、鉛等有害物質(zhì)，無(wú)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(duì)節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日益重視，白光LED取代傳統(tǒng)光源進(jìn)入普通照明市場(chǎng)，已經(jīng)成為照明行業(yè)的大趨勢(shì)。

　　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(duì)于這種主要的封裝方式來(lái)說(shuō)，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(duì)白光LED光源光品質(zhì)的要求越來(lái)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(lái)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(píng)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(chǎng)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(shuō)，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(guò)不過(guò)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(duì)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(shuō)把藍(lán)光轉(zhuǎn)換成其他波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍，但并非所有系列的熒光粉在藍(lán)光LED芯片波長(zhǎng)范圍內(nèi)有最強(qiáng)的激發(fā)，也就是說(shuō)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(zhǎng)與熒光粉激發(fā)波長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)至與色度圖相交，所得到的波長(zhǎng)A就是要搭配的熒光粉波長(zhǎng)。對(duì)于沒(méi)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(zhǎng)A的單個(gè)系列的熒光粉就可以了；對(duì)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(zhǎng)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(zhǎng)與藍(lán)光芯片波長(zhǎng)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(shuō)：更短波的和更長(zhǎng)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(zhǎng)波的熒光粉的光效能一般會(huì)隨著波長(zhǎng)的藍(lán)移或紅移而降低，所要一般來(lái)說(shuō)，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(duì)于LED的顯色性Ra、顏色飽和度、色純度影響也很大，一般來(lái)說(shuō)，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(huì)越高，但是其色純度會(huì)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(jué)強(qiáng)度不同，其強(qiáng)弱用輻射光譜效能K(λ)評(píng)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(duì)于同一光譜成分的輻射，視覺(jué)的靈敏度不同，因此，光效率分成明視覺(jué)光效率和暗視覺(jué)光次效率兩種。當(dāng)光強(qiáng)度大于10 cd/m²時(shí)，是明視覺(jué)條件，此時(shí)人眼最大的視覺(jué)響應(yīng)波長(zhǎng)為555nm，該波長(zhǎng)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(jué)條件，此時(shí)人眼最大的視覺(jué)響應(yīng)波長(zhǎng)為507nm，該波長(zhǎng)的光譜效率為1，K_max為1725 lm/W，圖7是人眼對(duì)光譜的相對(duì)靈敏度：

　　圖7 人眼對(duì)光譜的視覺(jué)靈敏度

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

　　式中，K_max、V(λ)分別對(duì)應(yīng)明視覺(jué)條件和暗視覺(jué)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(shì)。

　　3、 熒光粉晶形圓滑度、粒徑大小及分布對(duì)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(guò)程除受到熒光粉本身的能級(jí)效應(yīng)影響，熒光粉的晶形圓滑度、粒徑大小及分布也會(huì)直接影響其光轉(zhuǎn)換過(guò)程，其主要表現(xiàn)在對(duì)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(guò)程示意圖。

　　圖8 熒光粉光轉(zhuǎn)換過(guò)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(guò)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(huì)對(duì)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(guò)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(lái)了更多的可見光會(huì)被熒光粉散射或者反射，會(huì)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(huì)下降。

　　熒光粉的分布一般用離散度S來(lái)評(píng)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(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(hào)豐富，其所覆蓋的激發(fā)波長(zhǎng)、發(fā)射波長(zhǎng)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(chǎng)歡迎的實(shí)力雄厚的公司。