如何制造用于LED的荧光粉照明

今天的大多数照明标准“白色”LED使用InGaN半导体，在光谱的蓝色部分发光，并与钇铝石榴石（YAG）荧光粉（掺杂铈）结合。大多数LED的蓝色光子被磷光体吸收，并在光谱的黄色部分重新发射。残留的蓝色光子和黄色照明的混合为眼睛提供了良好的白光近似。

这种LED和荧光粉的组合是一种经过验证的技术，性能良好，但并不完美。一个值得注意的缺陷是由于系统输出中缺少红色成分而限制了高相关色温（CCT）和较低显色指数（CRI）。将YAG荧光粉与其他材料结合使用会增加红色发光，从而导致“暖”白色LED的可用性，但代价是来之不易的功效。

本文详细介绍了该问题，探讨了如何制造用于LED的荧光粉照明正在迎接挑战，然后考虑他们的荧光粉研究将对固态照明的效能，CCT和CRI产生什么影响。

蓝色LED加YAG荧光粉等于白光

用于高荧光粉 - 亮度LED是一种高度专业化的材料，包括掺杂有稀土元素铈的YAG（科学地标记为Y3Al5O12：Ce3 +）。该材料是从用于CRT的荧光粉演变而来，并于1967年首次合成。

在操作中，LED的蓝色光子被YAG荧光粉中的原子或分子吸收，从而将组成电子提升到更高的能级。然后，电子通过重新发射能量部分地作为比吸收的光子更长波长（略微红色，一些绿色和大量黄色）的光子而部分地作为热量快速回落到较低水平。

YAG荧光粉的主要黄色发光和直接来自LED的蓝色辐射通过YAG：Ce涂层“泄漏”结合在一起，可以很好地近似白光通过磷光体的吸收和再发射将蓝光转换为“白光”背后的现象被称为斯托克斯移位，以爱尔兰物理学家乔治·G·斯托克斯的名字命名，他在1852年的论文中描述了这种效应。图1显示了如何通过YAG荧光粉的吸收和发射曲线发生斯托克斯位移。

图1：暴露在蓝光下的YAG荧光粉的吸收和发射光谱。¹

图2显示了使用YAG荧光粉的现代白光LED的相对光谱发射曲线（在这种情况下，OSRAM OSLON SSL 150 LED产生136 lm（正向电流350 mA，正向电压3.1 V），效率为125 lm/W.虚线是眼睛的灵敏度函数，说明眼睛如何对不同波长的光作出反应。虽然第一个峰值（对应于直接来自LED的蓝色光子）较大，但它不太明显，因为眼睛对光线不敏感相比之下，荧光粉发出的光子以560 nm为中心 - 眼睛最佳感应光的点。

图2：现代白光LED（欧司朗OSLON SSL 150）的光谱发射曲线。

由于它是经过验证的技术可产生可接受的结果，因此YAG的特性代表了其他LED荧光粉的基准。只有YAG荧光粉强烈吸收蓝色光子，它还具有快速的“衰减时间”（吸收蓝色光子的电子“放弃”黄色光子和热量的能量所需的时间），可以防止称为饱和猝灭的现象。这是一个过程，通常发射的光子被“淹没”并防止荧光体基质内的高光子通量逸出.YAG荧光粉具有许多其它LED应用的优点。首先，在蓝色LED激发下YAG磷光体的量子效率（来自磷光体的总输出光子能量与来自LED的输入光子能量的量度）大约为健康的80％。其次，研究人员报告说，没有迹象表明YAG荧光粉在长期蓝光LED激发或暴露于湿气下会降解。最后，YAG荧光粉的合成相对简单，并使用相同的高纯度前体（Y2O3，Al2O3，CeO2），这些前体已经多年用于传统的CRT荧光粉.2

YAG荧光粉的缺点》尽管LED具有经过验证的性能，但YAG荧光粉并不完美。两个实际问题是“温度淬火”和相对较低的化学稳定性。温度淬火的原因很难掌握，但用外行人的话说，升高的温度会导致电子通常吸收蓝色光子（然后发出黄色）一）“失踪”（换句话说，原子被电离）。 YAG荧光粉在大约200°C时会受到温度淬火的影响，在正常工作期间LED不会出现异常高的温度。此外，该材料的低化学稳定性限制了LED的使用寿命（定义为器件光度下降的点）当新的时候减去70％的产量。制造商通过指出现代白光LED能够运行30，000小时甚至更长时间来反驳这一论点，但研究人员表示，这是在“理想”操作条件下测量的，化学不稳定性可能会影响恶劣环境中使用的设备的性能。但是，也许YAG荧光粉面临的最大挑战是美学上的挑战。固态照明制造商热衷于让消费者接受这项技术，但一个常见的抱怨是，白色LED产生的“刺眼”光线几乎没有传统白炽灯照明带来的“温暖”。这种感觉是由于YAG磷光体产生“蓝色”白光而红光含量很少的事实。结果是具有高CCT（5000至8300K）的光。缺少显着的红色波长为YAG磷光体器件引入了另一个问题：CRI差。 CRI是衡量照明光源与太阳光（CRI为100）相比再现物体颜色的程度的衡量标准。尽管存在明显的缺点，但白炽灯泡的CRI约为95.相比之下，冷白光LED通常具有CRI为70到80.（有关CCT和CRI的更多信息，请参阅TechZone文章“定义白色LED的颜色特征”和“什么是显色指数及其重要性？”。）

LED制造商在一定程度上解决了CCT和CRI的挑战，将YAG荧光粉与另一种添加红色波长的荧光粉混合，将CCT扩展到更温暖的区域并改善CRI。用蓝色LED代替紫外LED可以进一步改善CCT和CRI。 LED制造商为此提供商业紫外线产品。例如，Philips Lumileds提供其Luxeon LED的紫外线版本。该器件发出的波长介于395和400 nm之间，在500 mA时的最小辐射强度为525 mW/sr。 （由于眼睛无法看到紫外线的原因，紫外线LED的辐射强度（瓦特/球面度）被评定，而不是白光LED引用的更熟悉的效率（lm/W）数据。）

添加“红色”磷光体的主要缺点是LED功效降低。更糟糕的是，红色荧光粉的温度淬灭阈值甚至低于YAG荧光粉，进一步降低了典型LED工作温度下的功效。

Cree的Xlamp®XT-E白光LED工作电压为350 mA和2.85 V，但冷白色（5000 K）版本的发光度为135 lm，功效为135 lm/W，而暖白色（2700 K）的亮度分别为97 lm和97 lm/W.与冷白色器件相比，其他制造商的暖白产品表现出相似的低效率。图3显示了蓝色LED和YAG荧光粉的CCT和CRI之间的差异以及紫外LED与YAG荧光粉的混合物和红色荧光粉。

图3：将紫外线LED与黄色/红色荧光粉结合使用可改善CCT范围和CRI，但会降低功效。³

提高荧光粉效率

在过去的十五年中，对LED效率的追求一直是主要制造商固态照明组件发展的关键驱动因素。在光子的初始生成和从模具中提取光子方面都取得了显着的进步。制造商最不希望的是红色荧光粉的转换效率相对较低，从而影响其暖白光LED的发光度。制造商正在努力应对生产新材料的挑战，这些材料有望形成具有更高转换效率的商用荧光粉，同时支持宽CCT范围和良好的显色指数。最有希望的候选产品是氮化物和氮氧化物材料，它们用另一种稀有元素金属铕（Eu）代替铈的电致发光特性。许多这些新型荧光粉可以用紫色或蓝色LED激发并与房间相匹配和YAG：Ce荧光粉的高温量子效率。此外，氮化物荧光粉在高温/高湿条件下不会降解，因此适用于恶劣环境下的LED照明。

一系列高效氮氧化物荧光粉是MSi2O2N2：Eu 2 +（其中M = Ca 2 + ，Sr 2 + ，Ba 2 + ）组合物，其发射范围为575至675 nm，在超过200°C的温度下，量子效率大于85％（图4）。来自这些氮化物磷光体的黄色，橙色和红色Eu 2 + 发射可以与YAG：Ce组合用于比当前商业产品更高效率的暖白色LED。 YAG：Ce和CaAlSiN3：Eu 2 + 与蓝色LED结合的磷光体混合物已经被用于制造高CRI暖白光灯。

图4：氮化物和氧氮化物材料作为暖白光LED的高量子效率荧光粉显示出前景.2

一个缺点是虽然这些新材料具有巨大潜力，但合成它们是比传统的磷光体困难得多。然而，这并没有阻止一些有进取心的制造商商业化氮化物荧光粉。 Intematix于2011年在其荧光粉产品系列中增加了红色氮化物材料。该公司的荧光粉用于普通照明的高效暖白光LED，为客户提供额外的奖励，使他们免受某些专利许可问题的影响。

该公司声称新荧光粉将使照明市场能够创造出比传统YAG荧光粉解决方案更高效率和更高CRI（高达98）的暖白应用。据称，使用这种新型荧光粉可以使客户（合法地）规避与YAG荧光粉应用相关的某些专利，否则将会产生许可费用。

即将推出高效暖白光LED ，随着制造商试图让消费者相信固态照明是传统照明的实用替代品，LED的功效已大幅提升。然而，光子生产和光提取的进一步增长很难找到，因此LED制造商越来越多地将注意力转向芯片特性的其他方面以寻求更好的性能。

其中一个方面是荧光粉，特别是那些用于将红色波长添加到白色LED的输出，以使设备显得更暖。传统的解决方案扩展了产品的CCT和CRI，满足了消费者对各种温度选择和忠实色彩再现的需求，但否定了从引入其他技术中获得的一些来之不易的功效。基于掺杂铕的氮化物和氮氧化物的磷光体有望产生具有良好CCT和CRI的新材料，但具有与现代高效冷白光LED中使用的纯YAG磷光体相当（或更好）的量子效率。一些材料现在正在推向市场，工程师应该期待新一代更高效的暖白光LED即将推出。