相关色温8000

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摘要：文章报告和分析了8000K、6400K、5000K和4000K四种色温的白光LED的发射光谱、色品质和显色性等特性，它们与工作条件密切相关。随着正向电流IF的增加，色品坐标x和y值逐渐减小，色温增大，发生色漂移，而光通量呈亚线性增加，光效逐渐下降。由于在白光LED中发生光转换过程，产生光吸收的辐射传递，致使白光中InGaN芯片的蓝色EL光谱的形状和发射峰发生变化。白光LED的特性在很大程度上受InGaN蓝光LED芯片性能的制约。人们可以实现8000-4000K四种色温白光LED，显色指数高，且制作的白光LED的色容差可以达到很小，实现优质的白光照明光源。
从上世纪90年代末到现在，白光发光二极管的出现和快速发展，引起人们极大的热情，白光LED具有低压、低功耗、高可靠，长寿命及固体化等优点。其量大的吸引力和期望是作为继白炽灯泡、荧光灯及高强度气体放电灯（HID）后的第四代照明新光源——具有庞大的照明市场和显著的节能前景的光源，是符合环保、节能要求的绿色照明光源。因此，受到日美和欧洲各国政府和商家的重视，他们制定发展规划和目标，且大集团公司在技术和资金上进行联合和重组。2003年6月我国政府也推出“半导体照明工程”，以期大力推动我国白光LED的发展。
尽管短短的几年来，白光LED的研发和应用取得举世瞩目的成绩，但目前还存在诸多问题，只能用于一些特殊的领域中。我们注意到，目前普通的白光LED与用作照明光源白光LED的概念是有质的差异，并不是越“白”越好。人们对用作照明的白光光源有着严格的要求，国际和我国早已制定标准。照明光源有六个严格的标准色温区：6400K、5000K、4000K、3450K、2900K及2700K及其相应的色域，照明光源的色品质参数是相互关联的。必须同时得到满中，方可称为合格的照明光源。尽管目前作为照明光源——白光LEDs还没有国际CIE标准及中国的国家标准，但是应当参照国际CIE和中国国家标准来要求和指导白光LEDs新照明光源的发展和应用。迄今有关不同色温度，高显色性白光LED的色品质和光谱特性报道欠缺。本文按照国家照明光源标准，报告和分析所研发的8000-4000K不同色温的白光LED的发射光谱、色品质及光电特性。
1.实现相关色温原理和实验
从市场上可以很方便地购得多家公司提供的不同等级的InGaN蓝光LED芯片。这些芯片样品可分为发射波长455-460nm、460-465nm及465-470nm；光强一般在40mcd以上。蓝芯片尺寸大多为320X320um左右。依据发光学光转换和色度学原理，采用蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉有机组合成白光LED技术实现白光。荧光粉选择是多样性的，可以是一种黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。调控各发光颜色强度比，实现各种色温的白光。将含有荧光粉的优质高透过率树脂胶仔细涂覆在蓝芯片周围，用常规的封装工艺和环氧树脂封装成常规Ф5mm子弹型和半球型白光LED。白光LED的发射光谱，色品技及其他光电特性由浙大三色仪器有限公司生产的型号为SPR-920D型光谱辐射分析仪测试记录。该仪器配有一个0.5m的积分球及直流电源。所有实验均在室温下进行，白光LED的发射光谱在正向电流IF=20mA下测试。
2.不同色温白光LED的光谱特性
2.18000K的白光LED
7000-10000K白光呈现发蓝高色温的白光。在照明光源标准中没有这个标准。它是不能有作普通家庭照明光源的。这种高色温发蓝的白光LED可以用于要求不严的特殊照明和指示中，有一定用途。图1给出相关色温为8070K的半球Ф5白光LED的发射光谱。它是由InGaN蓝光LED的电致发光光谱和稀土YAG：Ce体系黄色荧光体被蓝光激发的光致发光光谱所组成，两光谱的本质是不同的。这样构成相关色温为8070K的发蓝的白光光谱，色品坐标x=0.2979，y=0.2939，在黑体轨迹的附近。
2.26400K的白光LED
图2是在正向电流IF=20mA下的色温为6450K的白光LED的发射光谱。它是属于色温为6400K的日光色。是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。其光谱所组成。和图1光谱相比，黄成份的光谱增强，色温降低。此时白光LED中的蓝光EL光谱和只有InGaNLED的蓝光光谱相比是有差异的，因为发生荧光体高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。而这种光吸收（激发）与荧光体的激发光谱密切相关。由于这种荧光体光转换过程致使白光LED中的蓝光光谱的能量分布、发射峰以及半高宽等性质发生变化。所涂覆的荧光粉越多，蓝色光谱变化越严重，在低色温的白光LED中更为明显。该白光LED的色品坐标X=0.3146，Y=0.3360，它们落在CIE标准色度图6400K标准色温的色容差图的最内圈，其色容差1.9，很满意，显色指数Ra为82，完全符合照明光源的要求。
2.35000K的白光LED
色温5118K的白光LED的发射光谱（如图3所示），它属于标准色温为5000K的中性白光。光谱性质和上述相同，只是光谱中的黄成份的比例增加。该白光LED的色品坐标X=0.3422，Y=0.3543，其色容差在5000K标准色温的色域中为2.1，很满意，Ra=81。完全符合照明光源的光色参数要求。若要提高显色指数Ra，需要增加光谱中的红成份，可能牺牲光效。此外，在IF=20mA下，白光LED的光转换倍数高达4.9倍。这里所说的光转换倍数（B）定义是在某一正向电流IF和不同的色温下，是不同的。
2.44000K的白光LED
迄今有关符合照明光源标准要求的4000K白光LED光谱和色品质的报告很少。这是因为仅用稀土YAG：Ce体系黄色荧光体难以制作合乎要求的Tc≤4000K的白光LED，显色指数低，色品质差。为此，需要加入适量的红色荧光体，补足光谱中红成份。图4为我们开发4019K白光LED的发射光谱，它属于标准的色温为4000K的冷白色。光谱中黄和橙成份增加，相对光谱中蓝成份的比例进一步下降。该白光LED的色品坐标X=0.3810，Y=0.3815，在标准4000K色温的色容差的最内圈中，其色容差为0.6，显色指数Ra=82。色品质甚佳，完全符合照明光的严格要求。
3.白光LED的性质与IF的关系
3.1色品坐标
光源的色品坐标是一个重要参数。图5给出5000K白光LED在不同正向电流IF驱动下的色品坐标X和Y值的变化曲线。这条曲线给绘在标准6400K色温的色容差图中，具有直观动态感。其中纵坐标为Y值，横坐标为X值，而上横坐标为IF（mA）。显然，随IF增加，色品坐标X和Y值逐渐偏离，到IF=70，80mA时，偏离非常严重。
3.2相关色温
由上述色品坐标X和Y值随IF的变化，指明发生色漂移，这必然在相关色温中也呈现反映。图6表示白光LED在不同IF工作下的相关色温变化规律。显然，随着IF增加，相关色温Tc（K）逐渐增加，由日光色变为蓝白色。这是因为随正向电流IF的增加，白光LED的发射光谱，特别是InGaNLED蓝芯片的发射光谱发生很大变化，导致白光的发光颜色、色品质等性能改变。
3.3白光LED的光通和光效
制作的白光LED的光通（Φ）和光效（η）随施加的正向电流IF的变化曲线（如图7所示）。光通呈亚线性增加，趋向饱和，而光效逐渐下降。白光LED的光效下降与Taguchi等人的结果是一致的。白光LED的光通和光效的这种变化，在不同色温的白光LED中是一致的。对这种小功率白光LED来说，既要照顾光通量，又要考虑光效，故一般选择在IF=20mA下工作。
早期Nakamura等人已指出，InGaN/AlGaNDH蓝光LED的光输出功率随IF增加呈亚线性增加。我们认为，引起白光效随IF增加逐渐降低的因素是多方面的。首先，蓝光InGaN芯片的发光效率随IF增加而逐渐降低的因素是多方面的。首先，蓝光InGaN芯片的发光效率随IF增加而逐渐下降；第二，随着IF增加，P-N结温快速升高，结温和环境温度上升，对半导体蓝光芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭；第三，由于在白光LED中发生蓝光→黄光光转换过程，产生光吸收的辐射传递，不仅使白光光谱中的蓝芯片的EL的发射光谱形状和发射峰发生变化，而且蓝光效率下降在荧光体的光效下降和光衰程度似乎比InGaN蓝芯片更快。实际上是荧光体的发光效率受蓝芯片下降的“诛连”和强烈的制约。
4.结束语
综上所述，采用蓝光LED芯片和荧光体有机结合是可以成功地开发出8000-4000K不同色温段，显色指数高，色品质优良，符合照明光源CIE严格标准要求的白光LED。制作的白光LED的色容差可以达到很小。8000K、6400K、5000K和4000K四种色温的白光LED的发射光谱、色品坐标、显色性等光色特性与工作条件密切相关。随着白光LED的正向电流增加，色品坐标X和Y值逐渐减小，而相关色温逐步增大，致使色漂移；而光通量呈亚线性增加，光效却逐渐下降。由于在白光LED中发生光转换过程，产生光吸收的辐射传递，致使白光中InGaN芯片的蓝色EL光谱的形状和发射峰发生变化。白光LED的上述特性与InGaN蓝光LED芯片性能密切相关，在很大程度上受其制约。