图1为InGaN芯片和YAG:Ce荧光粉的荧光光谱,其中左边带斜线阴影部分为InGaN芯片的发射光谱,左边淡灰色阴影为YAG:Ce的激发光谱;右边为在460nm激发下的发射光谱。从图中可以看出,InGaN芯片的发射光谱和YAG:Ce的激发光谱重合的非常好,这样就使YAG:Ce处于最有效的激发条件下,从而使YAG:Ce的发光效率最高。当YAG:Ce的激发主峰向左或向右偏移InGaN芯片的发射峰时,都大幅降低两者的重叠程度,从而导致封装后LED 的光效显著降低。
图1 InGaN芯片和YAG:Ce荧光光谱 图2 不同YAG:Ce添加量的LED色坐标
图2是不同YAG:Ce荧光粉添加量的LED色坐标,其中1点为InGaN蓝光芯片的色坐标,7点为YAG:Ce荧光粉的色坐标,2点到6点是将YAG:Ce荧光粉薄层置于玻璃上用LED芯片激发所测得的色坐标,2点为添加一层YAG:Ce荧光粉,3点为添加2层YAG:Ce荧光粉,依次类推。由图可看出,适当调节YAG:Ce荧光粉的厚度即可使白光LED的色坐标在芯片色坐标与荧光粉色坐标连线上移动。另外,从图2中有一个三角形,其三个顶点坐标分别为美国国家电视标准委员会(NTSC)规定的红、绿、蓝三基色荧光粉的色坐标。在图2中还可以看到有一条黑色的弧线,这是根据黑体辐射公式计算出的在不同温度下黑体的色坐标曲线,称为黑体轨迹,它是衡量白光LED色温的重要依据。
图3 用荧光粉调制白光LED的色温
图3为用荧光粉调制白光LED 的色温,图3左边标出了InGaN芯片色坐标和一系列不同YAG:Ce色坐标之间的连线和4500K~10000K等相关色温线,图3右边为左图在白光区域的局部放大图。从图3中可知,当YAG:Ce的色坐标靠近绿光区域时,InGaN芯片和YAG:Ce的色坐标连线与各等相关色温线的交点,随着色温的降低而偏离黑体轨迹逐渐增大。这表明偏绿光的YAG:Ce不适合于封装中低色温的白光LED,因为如果封装中低色温的白光LED将会使白光LED的色坐标在黑体轨迹上方偏离较大,这样显色性差,会从而超出国际电工委员会(IEC)规定的允许误差范围内。同理,当YAG:Ce的色坐标靠近橙光区域时,它不适合用于封装高色温的白光LED,这样封装出的白光LED的色坐标同样会在黑体轨迹下方偏离较大。因此,需要根据所需封装的白光LED色温相应地选取适当色坐标的荧光粉,通过调节荧光粉的使用量来使封装后白光LED的色坐标尽量靠近黑体轨迹,使其符合国际电工委员会规定的标准。
上面只给出了YAG:Ce匹配450nm的蓝光LED芯片的情况,实际使用的蓝光LED芯片还有很多,发射波长一般在450nm~470nm之间。因此,我们需要针对每个发射波长的LED芯片研发一系列色坐标不同的YAG:Ce荧光粉,用于封装一系列不同色温的白光LED。对于低色温白光LED(3300K以下),YAG:Ce由于缺乏红光成分不能满足要求,需要对其进行改进。比如通过Ce和Pr共掺杂YAG,可使封装后的白光LED显色指数(Ra)达到83左右。要获得显色指数Ra大于90的白光LED,则需添加红色荧光粉(如Sr2Si5N8:Eu2+)配合YAG:Ce使用。因此,对于高显色性低色温的暖白光LED来说,开发高效稳定的红色荧光粉是至关重要的。