远程荧光粉技术取代白光LED解决方案

白光LED，发出LED的蓝光和主要来自荧光粉的黄光的组合，是许多照明灯具核心的成熟技术。当几个LED组合在一个灯具中时，白色固态灯可以产生足够的照明以与白炽灯泡相媲美，同时运行效率更高，持续时间更长。

然而，在持续推动更高功效白色LED是一个绊脚石。磷光体非常接近模具，材料发出的一些光子直接返回LED并被吸收，显着降低了潜在的光度。

本文介绍了替代技术的发现和商业化解决了这个问题。被称为“远程荧光粉”的技术现在可供希望提高产品功效的设计师使用，同时受益于可注塑成多种形状的材料的优势，以提高照明的美感。

追逐效率

LED仍然是一项年轻的技术，但是很快就会成熟。例如，在照明领域，分析师DisplaySearch指出，虽然2010年LED渗透率仅限于1.4％，但到2014年将扩大至9.6％。 1

市场份额的快速增长部分是由于价格下跌，部分是由于效率的提高。这意味着每个灯具需要更少，更便宜的LED来产生与几年前相同的发光度（或者相同的数量可以为相同的功率输入产生更亮的光）。

例如，最新一代的欧司朗OSLON SSL声称效率比上一代提高了25％，在350 mA时效率为116流明/瓦。

然而，达到这一点已经达到了这一点。没有简单的任务。主要的LED公司已经在R＆amp; D上投入了数亿美元来提高其芯片的功效（参见TechZone文章“LED功效改进显示没有减缓的迹象”）。白光LED尤其成为这项支出的重点，因为它们提供了一种直接替代白炽灯，卤素灯和荧光灯等传统光源的方法。

话虽如此，却没有这样的东西。作为直接发出白光的LED。相反，通过组合来自红色，绿色和蓝色芯片的光线产生光，使得组合对于眼睛看起来是白色的，或者更常见地在照明应用中，通过使用来自蓝色LED的输出然后斯托克斯移位使用包含掺杂有稀土元素铈的钇铝石榴石（YAG）的磷光体的光。这种荧光粉吸收LED中的一些蓝光，然后在很宽的波长范围内重新发光，包括一些绿色和红色，以及大量的黄色。来自LED的蓝色和来自荧光粉的黄色的组合看起来是白色的。

生产白色LED的最常见制造技术是将荧光粉均匀地悬浮在封装环氧树脂中，然后用于涂覆模具。 Cree广受欢迎的XLamp XT-E白光LED以这种方式制造（图1）。

图1：在许多白光LED中，荧光粉是悬浮在覆盖模具的封装环氧树脂中。 （由Cree提供。）

重塑LED

美国伦斯勒理工学院的研究人员进行了一项重大研究，以确切了解白光LED中磷光体和环氧树脂的变化，以期提高芯片的功效和寿命。 （LED的寿命通常是因为它需要设备下降到它的光度的70％的新时（见技术展区文章的时间开始测量的“确定LED额定寿命：一个棘手的挑战”）

在研究人员首先指出，用不含磷光体的环氧树脂覆盖的蓝色LED比同等功率白光设备的寿命更长。每个系列之间的唯一区别是用于转换白光LED中蓝光的YAG荧光粉。荧光粉本身非常稳定因此，研究人员将其作为降解的来源，并将其作为降解的来源，而是利用射线路径分析得出荧光粉发出的光的一部分，以及来自LED的未转换的短波长（蓝色）光。 ，在环氧树脂和组件中的反射器之间循环，导致环氧树脂降解。更糟糕的是，由于光线位于靠近LED的连接处，光环流的区域处于相对较高的温度，进一步增加将环氧树脂变黄并降低光度。

通过将荧光粉层从模具中移开，研究人员增加了LED的使用寿命。但是研究人员还表明，虽然这是一个积极的结果，但是将荧光粉自身从模具中移开并不一定能够大幅提高效率。这是因为虽然已经从LED移开的来自磷光体的后向散射光未被重新吸收到管芯中，但它仍然可能不会从封装中逸出，而是被困在磷光体和封装的反射内表面之间。研究人员发现，高达60％的LED发光可以这种方式再循环（图2）。

图2：单独使用远程荧光粉因为来自磷光体的光可以保留在包装中，所以可能仅略微提高功效。 （Rensselaer工学院礼貌。）

药效显著改进是通过除去反射表面，与透射光学替换它，以便背散射的光子可以从装置的侧面逸出，并有助于实现光度。在改进的器件中，荧光粉位于器件顶部的一层，晶体被重新整形，使反射光子更容易逸出（图3）。

图3：Rensselaer工学院的远程磷光体的LED的位置的磷光体远离所述管芯和使用改性光学器件以提高光子提取

伦斯勒声称相比商业白色LED，原型。其所谓的散射光子提取（SPE）LED技术的效率提高了30％至60％（lm/W）。 2

主要LED制造商Cree也表现出色用于比较传统白光LED与远程荧光粉类型的输出的测试。使用该公司XLamp XT-E产品系列的设备进行测试。 Cree的白光LED采用与蓝光芯片完全相同的制造工艺制造 - 发出相同波长和辐射通量功率的光 - 但在额外的工艺步骤中涂有荧光粉。

对于测试，公司使用了两组3×3 LED阵列。一组包括白色LED，其他蓝色LED由远程定位的盘覆盖，采用与白色LED中使用的相同的磷光体。阵列安装并以700 mA驱动，标称输出约为1,400 lm，并保持稳定约30分钟。

白色LED的输出测量为1,146 lm，而蓝色LED和远程荧光盘产生1,324流明 - 改善约15.5％。这个数字是比由伦斯勒，这可能是由于这样的事实，Cree公司的实验装置不包括学术机构的改性透射光学几何权利更低。

除了这个实验工作，Cree公司正在帮助通过推广其皇家蓝色X-Lamp XT-E LED以及远程荧光粉专利许可计划来刺激远程荧光粉市场。由于技术原因，没有规定皇家蓝色LED的功效（lm/W）;相反，辐射度单位的效率是产品比较的首选参数。皇家蓝色XT-E LED在350 mA驱动电流和85°C工作温度下可产生501 mW/W的光通量。

远程荧光粉LED的商业化

美国的LED荧光粉生产商Intematix以其ChromaLit技术为基础，建立了伦斯勒理工学院的研发。该产品使用远程荧光粉方法生产公司所说的系统效率比同类白光LED系统高30％。

对于其ChromaLit产品，Intematix将荧光粉复合材料放置在单独的基板上在被蓝色LED能源激发时发出白光（该公司没有制造自己的LED）。

在接受科学美国公司采访时， 3 公司首席执行官Mark Swoboda声称通过将能源与发光荧光粉分离，ChromaLit使照明系统制造商能够在照明灯具的使用寿命内保持稳定的荧光粉性能。

Swoboda说另一个优势是制造商拥有更多的设计灵活性因为该公司的荧光粉从粉末变成颗粒，可以注塑成不同的形状或墨水，可以用来涂覆覆盖蓝色光源的塑料盘。图4显示了使用蓝色LED，混合室，ChromaLit光盘和一些光学元件的夹具的一种布置。

图4：LED灯具使用ChromaLit光盘构建。

ChromaLit远程荧光粉光源有多种形状，色温和显色指数（CRI）。该产品适用于诸如井下，点式，柜式，线性，任务，区域，天花板和工业照明系统等应用（图5）。

图5：ChromaLit磷光源可用于许多应用。

成本节约的途径

白光LED是一项成熟的技术，尽管伦斯勒理工学院的研究结果表明，将磷光体与环氧树脂混合然后直接覆盖模具会降低功效并缩短寿命，现代设备的功效为100 lm/W或更高，寿命超过50,000小时。

一些工程师建议，使用蓝色设备更换白色LED时，15％到20％的功效会增加照明灯具的效率通过将例如两个白色LED形式的成熟技术添加到八LED光引擎中并且节省光盘的成本，可以很容易地实现远程磷光盘。

然而，虽然添加更多白色LED无疑会增加亮度，但它们对功效无效。此外，额外的设备会增加热负载和电负载，这可能需要更强大（因而更昂贵）的驱动电子设备和散热器。

此外，替代系统的远程荧光盘的额外成本通过消除对传统白色LED灯具中通常使用的漫射器的要求，在某种程度上被否定了。此外，蓝色LED通常比白色设备便宜，因为它们不使用任何荧光粉，或者需要如此严格的装箱要求（参见TechZone文章“解码LED箱标签”）。

远程荧光粉技术确实提供了具有固定光度规格的灯具节省成本的途径。由于该技术承诺提高15％至20％的功效，灯具制造商可以用蓝色LED版本取代白色LED光引擎，包括更少的芯片但仍保证相同的发光度。通过使用更少的芯片，固定装置的热量减少，允许使用更小（和更便宜）的散热器。

将固定远程荧光粉盘给消费者的固定装置有一个潜在的美学缺点（再次参见图5），这是它的黄色。许多消费者更喜欢传统LED灯具的白色漫射器的白色。

进入主流

使用涂有磷光体的蓝色骰子制造的白色LED已被证明是一种有用的技术，具有很高的功效。 100 lm/W和更高，寿命为50,000小时加。但就像LED技术的每一个元素一样，提高效率的动力促使科学家和工程师质疑当前的做事方式。

伦斯勒理工学院的研究表明，将荧光粉从模具中移开是一个改善疗效的方法。现在有商业解决方案可以将这个概念以远程荧光盘的形式付诸实践。这些光盘 - 与新一代皇家蓝色LED相结合 - 使设计人员能够通过减少维持特定光度所需的LED数量来创建更亮的照明灯具或降低现有灯具的拥有成本。

As然而，没有LED供应商将远程荧光粉，皇家蓝光LED和透射光学元件组合在一个封装中，正如伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）提出的那样，以提高效率范围。但在这种情况发生之前肯定只是时间问题 - 这一事件很可能将远程荧光粉推向照明主流。