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采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究pdf

2019-10-06 11:00  作者:admin  
本页关键词:黄色科技光效,

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  2014年12月 照明工程学报 Dec. 2014 第25卷第6期 ZHAOMINGGONCCHENGXUEBAO V01.25No.6 采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的 LED光效和显色指数研究 江 磊,倪凯凯,刘木清 (复旦大学电光源研究所,上海200433) 摘要:借助计算机辅助分析的方法,针对采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白光的应用,通过遍历若干光谱参 数组合,计算出LED光效和显色指数的理论极值,并分析了不同色温下光效、显色指数的相互关系。 关键词:LED;荧光粉;光效;显色指数;色温 中图分类号:TM923文献标识码:A DoI:10.3969/j.issn.1004.440x.2014.06.004 A onLED andCRIBasedonthe 0f Study LES Application BlueLED theYeUow Powder Exciting Phosphor Ni Liu Lei, Kaikai, Jiang Muqing E如c£ric (‰titufe.加r Lig^tSoHrces,FMd口凡U砧i”ersi钞,_S矗Ⅱ,zg矗ni200433,c矗i,善o) Abstract: atthe ofblueLED to white Aiming application excitingyellowphosphorpowderproducelight, thearticleuses toiterate thediffbrentcombinationof computer-assistedanalysis through spectralparameters andthencalculatethemaximumLESandCRI.Basedontheabove the between calculation,relationship LESandCRIunderdif琵rentCCTcanbeanalyzed. Keywords:LED;phosphorpowder;LES;CRI;CCT LES、CRI的关系有何变化。本文将通过计算机仿 引言 真,从理论角度对此进行相关计算和讨论。 考虑到目前市场上的白光LED器件以蓝光LED 作为新一代光源,LED得到了人们越来越多的 芯片加黄色荧光粉的形式为主流,本文仅讨论这种 关注。从照明工程的角度而言,光效(1uminous形式下白光LED光效、显色指数和色温之间的 ofa c010r LES)、色温 (correlative关系。 e佑cacy source, CCT)和显色指数 temperature, (color_rendering index,CRI)是评价LED的三个重要指标。1实验概述及假设 近年来,随着LED技术的发展,LED光效得到 长足的提升,并一再突破人们的期待。另外,随着 为进行理论分析,本文假设蓝光LED芯片的外 人们对生活质量要求的提高,光源的显色指数显得 量子效率为l。 越发重要,室内照明的显色指数普遍要求80以上。 目前已有很多相关文献对单色LED光谱分布进 由此引申出三方面的问题:(1)白光LED的光效和 行了建模¨“。。但考虑到对结果的影响不大,本文 显色指数之间究竟存在怎样相互制约的关系。(2) 将蓝光LED光谱和经过黄色荧光粉后产生的黄光光 当光效或显色指数中的一个参量确定时,另一个参 谱均简化为高斯分布。 量的理论最高值是多少。(3)在不同CCT下, 蓝光LED光谱高斯分布函数为: 第25卷第6期 江磊等:采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究 17 Db(A)=—兰·e—可(1) q’2屯ob 由于本文研究对象是白光LED,因此在计算中,对 式(1)中,A。,吼分别为蓝光LED的主波长和分于某一组计算出的光谱能量分布,仅当其色坐标u, 布的标准差。 移满足如式(5)所示的判据,才认为当前色温有 假设蓝光LED获得的总能量为1,则蓝光LED 效,否则丢弃此结果。 的光谱能量分布为: 、厅再iy了万可o.05(5) 1 (^一^h)2 中“。,%分别为ccT对应黑体的色坐标。 E。(A)=(1一K)·—兰·e一1:尹(2)式(5) ~/21T吼 式(2)中,K为用以与黄色荧光粉转换的比例。 3 实验结果 假设黄色荧光粉的转换效率为100%,即蓝光 光子可以转化为同等数目的黄光光子,并且荧光粉 经过程序遍历,共计算组数110110组,其中有 层对光线没有额外的吸收,则黄光光谱能量分布为: 效组数为26499组。 数据中最高光效为3761m/w,对应的显色指数 Ey(A,一害。去.e-等㈩ 为51,具体参数取值如表1所示。 式(3)中,A。,盯。分别为生成黄光的主波长和分 表1 数据中最高光效对应的参数组合 布的标准差。 Table1 ParameterstO LEDofmaximumLES generate LED器件整体光谱能量分布为: E(A)=Eb(A)+E,(A) :(1-K).占.e-等 对应最高光效的光谱能量分布图如图1所示。 √2订矿h +K.叁.士.e-半 (4) /\ ^1 、』2可口f 厂\ / \ 对于式(4)中的5个变量A。,吼,A,,盯。和 ,V \ K,本文将其分别限制在一定范围内,用计算机以 t I 特定步长遍历所有组合,计算出每个组合下的光谱 / \ ./。 .\~ 能量分布,并求出LED相应的cRI、LES和ccT。 80 430480 530 波长/m 2 实验过程 图1 数据中最高光效对应的光谱能量分布 distributionforLEDofmaximumLESdata Fig.1Spectralene‘gy 考虑蓝光LED和黄色荧光粉的波长范围,实验 取Ab范围为440~490nm,计算步长为5nm;取A, 具体参数取值如表2所示。 范围为550~600nm,计算步长为5nm。 表2数据中最高显色指数对应的参数组合 Table2 Parametersto LEDofmBximumCRI 对于高斯分布,半高全宽(FwHM)约为:△A generate =2.355×盯。蓝光LED光谱半高全宽范围取20~ 40nm,黄光光谱半高全宽范围取100—160nm’5’6。。 由此可知,(r。范围为8—17nm,计算步长为1nm; 矿。范围为40~70nm,计算步长为5nm。 对应最高显色指数的光谱能量分布图如图2所示。 考虑K的取值范围,当K过小时,蓝光比例过 根据ANsIc78.377标准将计算所得数据划分人 高,系统光效低;当K过大时,意味着黄色荧光粉 5700K和6500K 厚度较厚,荧光粉对光的吸收已不能忽视H。,上节 8个标准色温档中,可得出各色温 档中最高显色指数或最高光效下的相应参数设置, 中的假设不再成立。故取K范围为20%~80%,计 算步长为5%。 如表3和表4所示。 1 8 照明工程学报 2014年12月 A 根据实验数据,可以进一步整理出各色温档下 划 最高光效随显色指数变化趋势,如图4所示。 隧 盎 罘 霞 l/7 \ —◆一2700K 翼 一 / \ —_卜3000K ≥ /......\. j —■r一3500K 三 较 一4000K 波长/IⅧ 舞 —一_一4500K 图2 数据中最高显色指数对应的光谱能量分布 —●一5000K distributionforLEDofmaximamCRIdata 一5700K Fig.2Spectralene。gy 一6500K 表3 各标准色温档显色指数的极大值及对应参数组合 显色指数 Table3 MaximumCRIand 图4 各色温档下光效随显色指数值变化趋势 correspondingparameers 4 MaximuIllI。ESVs Cl{IforeachCCT foreachCCT Fig ra“ge range 通过分析蓝光转化为黄光的比例K,可得最高 光效和最高显色指数随K变化的趋势图,如图5和 图6所示。 ,≯……… 鼻瑚已群…… —●一2700K ≥ .—∥≯歹丐芦 —●卜3000K ≥ —’P 3500K 三 嵌 一4000K 表4 各标准色温档光效的极大值及对应参数组合 哭 。一-一--I前影笛_一o-- 一4500K Table4 MaximumLESand }聿l ? —●一5000K correspOndingparameters Z ◆ 一5700K foreachCCT range 一6500K K/% 罔5各色温档下光效随K值变化趋势 F19.5MaximumLESvs KforeachCCT ra“ge 。矿哆P墨 ∥殄》歹:j……一 —-●一2700K —●-一3000K 彝 口= —咕r·3500K 蝴 ——一4000K 光效、显色指数极大值随色温变化的趋势如图 醇 ℃_翟一 —_.一4500K 3所示。 r —●一5000K 95 90 一-7·冬I一. 一5700K 85 ,厂。。1一 ∞∞鲫加∞如∞如加加O。分析手机号码吉凶, K‰ 一6500K I 羹80 / 一 ≥ 图6 各色温档下显色指数随K值变化趋势 翟75 / 一 裁 MaximumCRIvs. KforeachCCT Fig.6 ra“ge 70’ } 。 争i—●一MaxCRI 。 +MaxLES ◆ 65 60 4 实验结论和讨论 20 色温/K 分析实验数据,可得出如下3点结论: 图3 光效、显色指数极值随色温变化趋势 Fig.3PeakvalueofLESandCRIvs. CCT (1)对于采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白 第25卷第6期 江磊等:采用蓝光激发黄色荧光粉生成白光技术的LED光效和显色指数研究 19 光的应用而言,在特定色温下,光效和显色指数都 从另一方面来看,如果可以通过技术手段降低 存在一个特定的极值。 荧光粉层对出射光的吸收,则LED光效还有进一步 数据显示,4500K色温左右可以取到光效极值提升的可能性。 的最大值,色温过高或过低都会影响此极值。因为 本文所做的实验和分析都基于理想条件,事实 色温降低需要黄光的主波长右移,一方面偏离y 上,实际可获得的蓝光的光谱分布模型、蓝光与黄 (A)曲线,造成光效下降,另一方面使蓝光光子转色荧光粉的匹配性及加人红粉后对系统的影响等都 换为黄光光子的损耗增加。当色温升高时,蓝光主 会带来与理想值的一些偏差。8。1…。下一步可以通过 波长左移,可能造成光效的下降。 增加相应的参数进一步细化研究。 研究显色指数随色温变化的趋势,可以发现其 本文通过计算机辅助分析的方法,对于采用蓝 并不满足目前市场大多数LED“色温越低,可获得 光LED激发黄色荧光粉产生白光的应用,计算出各 显色指数越高”的一般规律。相反,当色温降低 色温档下光效及显色指数的理论极值和相关性,并 时,相应的显色指数极值大幅降低。究其原因,主 分析了相关的结果,具有一定的指导意义。 要在于黄光主波长的限制。 参考文献 本文计算所采用的黄光中心波长的上限为 Y of [1]chhajedS,xiY,LiL,et 600nm,而事实上,为获得高显色指数,目前市场 on and junctiontemperaturechromaticity oftrichromatic sourcesbasedon 上的低色温LED都会添加红色荧光粉,使经过荧光 properties white—light 1ight— diodes of [J].Joumal Physics,2005, 粉转化后的光谱主波长大于600nm,从而获得较高 emitting Applied 的显色指数。 97(5):054506. Yoshi0hno.colorand1uminousofwhite [2] rendering efhcacy (2)对于采用蓝光LED激发黄色荧光粉产生白 LED 光的应用而言,在特定色温下,可实现的光效极值 spectra[J].Proc.ofsPIE,2004,5530:88—98. [3]沈海平,冯华君,潘建根,等.LED光谱数学模型及 随显色指数要求的升高而降低。从本文的数据来看, 26”一中国照明学会 其应用(英文) [c].走近cIE 要达到80的显色指数,其理论光效不会高于 (2005)学术年会,2005. 270lm/W。 H.AmodelforLED atdifferen‘ G L [4]Hex,zheng spectra 目前,针对室内照明,EnergyStar等标准不仅 drivecurrents chinese 8 [J]. 0pticsLetters,2010, 提出了显色指数大于80的要求,还要求R9大于o。 (11):1090-1094. 因此,要达到相应要求,就必须采用添加红粉等措 [5]罗毅,郭文平,邵嘉平,等.GaN基蓝光发光二极管 施。与黄色荧光粉相比,红粉造成的量子损失更高, 因此能够获得的理论光效极值也更低。 2720.2723. 另一方面,要获得特定的光效,必定需要牺牲 [6]林介本,郭震宁,陈丽白,等.瓦级大功率InGaN蓝 显色指数作为代价。如要获得光效3001m/W以上的 (3):379-384. LED,假设其外量子效率和荧光粉转化效率均接近 100%,则从本文的结果可以推算其显色指数将低 国长三角照明科技论坛,2012. 于70。 [8]张帆,张宝坦,李茹,等.LED荧光粉发展现状及趋 (3)通过数据分析可以发现,对于不同色温的 势[J].照明工程学报,2010,21(3):4648. LED,随着蓝光LED发出的蓝光转化为黄光的比例 [9]赵洪涛,安雪娥,李明金,等.荧光粉对白光LED色 K的提高,系统的光效和显色指数都有所提高。 温和显色指数影响的研究[J].照明工程学报,2013, 但如前文所述,高的转化比例意味着较厚的荧 24(3):75—78. 光粉层厚度,会造成光被荧光粉层吸收,降低转换 [10]徐国芳,饶海波,余心梅,等.白光LED的实现及荧 效率,从而偏离假设条件。

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