摘 要：文章介绍了在实验中采用大功率蓝光LED芯片作为激发光源，分别用荧光粉转换法和红光LED补偿法制备低色温及高显色性白光LED的方法，并从器件的性能及应用角度分析了这两种方法的优缺点。
  关键词：大功率白光LED；低色温；高显色性；
一、 引言
 
  氮化镓（ＧａＮ）基蓝色、绿色及紫外发光二极管（ＬＥＤ）的出现，为ＬＥＤ的应用开辟了巨大的新市场，其中之一就是半导体照明。半导体照明的核心在于白光ＬＥＤ。
  众所周知，制作白光ＬＥＤ的方法有红、绿、蓝三基色ＬＥＤ合成、蓝光ＬＥＤ＋黄色荧光粉、紫外ＬＥＤ＋三基色荧光粉以及多层有机电致发光（ＯＬＥＤ）等。基于技术和成本的优势，目前，蓝光ＬＥＤ芯片＋荧光粉成为白光ＬＥＤ技术的主流 。
  长期以来，通过荧光粉转换的白光ＬＥＤ技术，大多采用Ｃｅ３＋激活的稀土石榴石（ＹＡＧ：Ｃｅ３＋）黄色荧光粉，由于该荧光粉的发射光谱中缺少红光成分，难以同时实现低色温和高显色性。但人们在日常生活中已经习惯了低色温（３０００Ｋ左右）的照明光源，而且高显色性光源在博物馆、外科手术等特殊照明场所有其潜在的应用前景。因此无论从学术意义，还是应用角度，发展低色温高显色性白光ＬＥＤ都具有十分重要的意义。
  笔者在实验中采用大功率蓝光ＬＥＤ芯片作为激发光源，分别用荧光粉转换法和红光ＬＥＤ补偿法制备了低色温及高显色性白光ＬＥＤ，并对器件的发光特性进行了研究。
  二、实验内容
  采用同一批大功率蓝光ＬＥＤ芯片进行了如下实验：
  （１）采用大功率蓝光ＬＥＤ芯片同时激发黄色荧光粉和红色荧光粉，通过调整荧光粉中红粉的比例，得到了不同色温和显色指数的白光ＬＥＤ。研究了器件的发光特性随工作电流及红色荧光粉含量的变化。
  （２）用大功率蓝光ＬＥＤ激发ＹＡＧ：Ｃｅ３＋黄色荧光粉，同时用红光ＬＥＤ进行补偿，通过调整ＬＥＤ芯片发射的蓝光、红光及荧光粉的发光强度，制备出低色温和高显色性白光ＬＥＤ。
  
需要说明的是，在这部分实验中采用的是市场上一般水平的大功率蓝光ＬＥＤ芯片，如果采用较高水平的ＬＥＤ芯片，实验效果会更好。
三、结果与讨论
该白光ＬＥＤ以红色荧光粉的发射光谱为主，光谱峰值波长位于６１０ｎｍ，色坐标ｘ＝０．４０９３，ｙ＝０．３６７８。其色温和显色指数分别为３２００Ｋ和８３．２。但由于目前红色荧光粉的转换效率较低，在同样的工作电流下，器件的光通量和发光效率只有１４．１ｌｍ和１２．７２ｌｍ/Ｗ。
通过调整两种荧光粉的比例，可以得到不同色温的白光ＬＥＤ。图２和图３分别给出了大功率白光ＬＥＤ的相对光谱、光通量（Φ）和显色指数（Ｒａ）随红色荧光粉百分含量（Ｃ）的变化。随着荧光粉中红粉含量的增加，更多的红色荧光粉吸收ＬＥＤ芯片产生的蓝光后发生辐射跃迁并发出红光，导致了相对光谱的红移，同时器件的色温逐渐降低，而显色指数逐渐升高。但是，由于所用红色荧光粉的量子效率较低，要产生较多的红光就必须吸收更多的蓝光，这导致了器件光谱中的蓝光和黄光成分减少，器件整体光输出减少。
采用ＧａＮ基倒装焊大功率蓝光ＬＥＤ芯片激发黄色荧光粉，同时采用ＡｌＧａＩｎＰ高亮度小功率红光ＬＥＤ进行补偿也可制备白光ＬＥＤ。图４给出了采用这种方法制备大功率白光ＬＥＤ器件的结构示意图。为了使器件结构更为紧凑，可以将小功率红光ＬＥＤ芯片粘结在大功率ＬＥＤ芯片的Ｓｕｂｍｏｕｎｔ上，根据器件的实际情况，两者可以共用Ｐ电极或Ｎ电极。实验中共用了１支大功率蓝光ＬＥＤ芯片和５支小功率红光ＬＥＤ芯片，在大功率蓝光ＬＥＤ芯片上涂敷荧光粉时，应尽量避免将荧光粉覆盖到红光ＬＥＤ芯片上，避免由于荧光粉的散射和吸收降低红光ＬＥＤ的光输出。
实验中大功率蓝光ＬＥＤ采用３５０ｍＡ直流驱动，消耗的电功率为１．１５Ｗ，５支红光ＬＥＤ的工作电流均为２０ｍＡ，消耗的电功率之和为０．２２Ｗ。其色温和显色指数分别为３４５０Ｋ和９３．９，色坐标ｘ＝０．３６３０，ｙ＝０．３７２１。器件的光通量和发光效率分别为２６．６ｌｍ和１９．４２ｌｍ/Ｗ，远远高于采用蓝光ＬＥＤ同时激发黄色和红色两种荧光粉得到的器件水平。
四、结束语
  对比以上实验结果得出如下结论：
（１）采用蓝光ＬＥＤ同时激发黄色和红色两种荧光粉，通过提高红色荧光粉的含量，可以获得低色温和高显色性白光ＬＥＤ。这种方法的优点在于两种荧光粉混合均匀，使得ＬＥＤ器件产生的蓝光、黄光和红光在整个空间比较容易均匀混色，可以预期器件的空间色度均匀性较好。其缺点在于，目前，红色荧光粉的量子效率较低，致使整个器件的发光效率不高，加入红色荧光粉后，器件的发光效率几乎降低了一半。
（２）用蓝光ＬＥＤ激发黄色荧光粉同时用红光ＬＥＤ进行补偿，也可获得低色温和高显色性白光ＬＥＤ。这种方法的优点在于避开了低效率红色荧光粉的使用，因此器件的整体发光效率比较高。其缺点是必须对蓝光和红光ＬＥＤ的工作电流分别加以控制，以调整蓝、黄、红三色光的比例从而得到高显色性白光，导致驱动电路相对复杂，不过技术上很容易实现。此外，由于蓝光ＬＥＤ、荧光粉和红光ＬＥＤ构成的是相对独立的发光体，就单个器件来说可能存在空间颜色不均匀，但是可以通过适当的阵列排布方式解决这一问题。
  因此，就目前大功率ＬＥＤ的发光效率和荧光粉的研究水平来看，采用蓝光ＬＥＤ激发黄色荧光粉并用红光ＬＥＤ进行补偿，是制备低色温、高显色性白光ＬＥＤ的一种比较可行的方法。当然，随着红色荧光粉量子效率和稳定性的不断提高，采用蓝光ＬＥＤ同时激发黄色和红色荧光粉，甚至同时激发多种荧光粉也能得到性能优良的白光ＬＥＤ，并且驱动电路比较简单。