两种荧光粉混合涂覆的白光led的光谱方程的建立

高显粉系列的红色荧光粉,应用英国Edinburgh FLS920P型荧光光谱仪,对绿色荧光粉与红色荧光粉进行

荧光光谱的实验测量,得到绿色荧光粉发射峰在527 nm,红色荧光粉发射峰在1 nm%配置浓度为7%〜

17% ,比例为S ： 1〜# ： 2的样本,共144个,应用杭州远方色谱有限公司的HAAS-2000高精度光谱辐射计

测量LED发光光谱，最后处理数据，得到拟合函数，在这些函数的基础上构建出了光谱方程，该光谱方程 是模拟两种荧光粉的浓度和比例的系统方法％为了较为准确的预测出两种荧光粉混合后涂覆于蓝光芯片的 发光光谱，对于实验中的数据进行了三维曲面拟合，得出荧光粉的浓度与比例和绿修正系数与红修正系数

之间的函数关系式％将得出的绿修正系数和红修正系数的函数关系式应用到光谱方程中，得出最终模拟白 光LED发光光谱的一种新方法％并且用了两组的模拟光谱图与实验的光谱图进行对比，发现两种光谱图的 吻合效果都较为良好％说明这种模拟白光LED的新方法确实可行，且预测的两种荧光粉混合后涂覆于蓝光

芯片的发光光谱较为准确％该方法将具体的荧光粉的质量比和浓度与LED的发光光谱图联系了起来，而之 前的大多数研究都是将光谱功率分布与LED发光光谱图联系起来，并未涉及到荧光粉的质量比与浓度％在 建立了具体的光谱方程之后，可以在没有实验仪器和不做实验的情况下，根据两种荧光粉的质量比，以及与 AB胶混合后的浓度直接得出最终的模拟白光光谱，可以摆脱实验仪器以及其他因素的％并且为制备具

有特定光谱特性的白光led提供了新思路，具有一定的实用价值％关键词 发光二极管&荧光粉&浓度&比例&光谱中图分类号：O443.5 文献标识码：A DOI： 10. S9issn.1000-059S(2020)0S-0799-05的显色指数都要高于80,所以用加入红色荧光粉来提高显色

引言随着白光LED行业的迅速发展,人们对白光LED的发

指数，可以很好的解决这一问题⑻％为了更准确的对光谱进行预测，近年来对多荧光粉构成

的白光LED的光谱优化已然成为了研究热点ra%本文采用

光性能提出了越来越高的要求，如更高的发光效率、更高的 在蓝光LED芯片上涂覆绿、红荧光粉的方法来实现白光

led,且制备了大量不同浓度和比例的样品,并最终实现了

显色指数以及适合于各种不同照明条件的色温等白光

led灯与普通照明用普通白炽灯和荧光灯相比，具有使用寿

在已知实际荧光粉质量比与浓度的情况下就能得出目标光谱

图，并与实验光谱图吻合效果良好％命长、可靠性高、环保、功耗低、体积小等优点[24]%白光

led可以由蓝光芯片和黄色荧光粉(或者是绿色荧光粉和红

色荧光粉)实现⑸；也可以是紫外芯片与蓝色荧光粉、红色

1实验部分1.1材料与仪器杭州萤鹤光电材料有限公司硅酸盐系列的YH-S525M

荧光粉、绿色荧光粉混合所得这种方法以其低成本和高 发光效率而闻名m%而如今使用最为广泛的且成本较低的方

法是用宽带绿色荧光粉与InGaN蓝光芯片或GaN蓝光芯片

组合，但是往往这种组合的显色指数都低于80,而室内照明

收稿日期：2019-01-25,修订日期：2019-04-20绿色荧光粉&高显粉系列的YH-C0E红色荧光粉&道康宁基金项目：国家自然科学基金项目(61#780#7, 61178032),科技部重大仪器专项基金项目(2011YQ0301240904)资助 作者简介：许建文,1993年生,江南大学理学院硕士研究生

通讯联系人

e-mail: cgq2098@163.come-mail: 17577624S5@qq.com800光谱学与光谱分析第 40 卷公司的A胶与B胶；GaN蓝光LED芯片。杭州远方色谱有 限公司带有夹具的积分球的HAAS2000高精度快速光谱辐 射计&英国Edinburgh FLS920P型荧光光谱仪。1.2蓝光芯片的发光光谱与荧光粉的激发、发射光谱使用高精度快速光谱辐射计测量了蓝光LED芯片的发 光光谱(图1),发射峰位置在455 nm。使用荧光光谱仪测量 红色荧光粉与绿色荧光粉的激发与发射光谱(图2),图2中

绿色荧光粉的发射峰位置在527 nm,红色荧光粉的发射峰

位 置 在 1nm。1.0-1.0.8 \\-----Blue chipn.&gsuBUI

0.40.20.0 400 -------500-------------- 600------------ 700----------Wavelength/nm图1发射峰在455 nm的蓝光LED光谱Fig. 1 Blue LED spectra with wavelength 455 nm.nd'BISUB

启

Iqm0.6 二 0.P0.004Z

HE2UL IO0

NWavelength/nm图2两种荧光粉的激发光谱与发射光谱Fig. 2 Excitation and emission spectra of two phosphors1.3样品制备与光谱方程将荧光粉与AB胶混合，搅拌均匀后涂覆于带凹槽的蓝 光LED芯片上，然后放在150 C的烘烤箱里固化15 h,将 固化后的样品冷却至室温后，使用带有夹具的积分球测量其

发光光谱。图3不同荧光粉涂覆的LED样品Fig. 3 LED samples with different phosphors优化光谱的主要影响因素是不同浓度和比例的两种荧光

粉的吸收和发射的相互作用。浓度是指荧光粉的质量与荧光 粉和AB胶总质量的比值。比例是指两种荧光粉的质量比。

这一过程可以被分解为一系列的光谱方程型，他们可以被写

成(/ ((rs(r(rm + (gs (gr (gm ) (rpl (rp

(1)(g / ((s (r (rm + (gs (gr (gm ) (gpl (gp

(其中，(r和(gr是红色荧光粉和绿色荧光粉占总荧光粉的比

例。2结果与讨论光谱方程的获得分为3步，第一步是测量单一荧光粉随

浓度增加的光谱。考虑到荧光粉的封装以及色温的影响！选 择的浓度范围是7%〜17%。单一的红色荧光粉和单一的绿 色荧光粉浓度从7%增加到17% (浓度间隔为2%)的总光谱

都归一化到蓝光峰，如图4和图5所示。M.5.03.2.5.0.n.2.5史.0B5.-SLUBUL.0I0

O.A400

500600

700Wavelength/nm图4归一化到蓝光峰的红色荧光粉总光谱Fig. 4 Total spectra of red phosphor with

normalized to their blue peaks.n.E'B

一

S U3UI图

5归一化到蓝光峰的绿色荧光粉总光谱 5

Total/pectraofgreenpho/phorwith

normalizedtotheirbluepeak/然后记录下归一化后的峰值强度值。对归一化到蓝光峰

之后的绿、红峰值进行曲线拟合，结果如图6和图7所示。

因此！单一荧光粉的光强与浓度的经验公式可表示为(s / 0. 004 44乂2 — 0. 166 77'

(3)(gs =— 0 . 0 0 0 477 679'2 + 0 . 461 6'

(4)第二步是测量两种恒定比例的荧光粉随浓度增加的吸收

和发射相互作用的光谱。考虑到显色性要较高，实验中使得 绿色荧光粉和红色荧光粉的恒定比例为3 : 1口 0*。同样，在

恒定绿色荧光粉和红色荧光粉比例为3 : 1的情况下，荧光

粉的浓度也是从7%增加17% ,并将测得的光谱归一化到蓝

光峰, 如图 8 所示 。 并记录归一化 到 蓝 光 峰 后 的 绿 峰 值 和 红第3期光谱学与光谱分析801峰值

3.3..52.O .5.nd2.O'

.50.B一 s1u^ u1.5一

-4->q0..^J

6 8

10 12 14 16

18 20Concentration/%图6不同浓度红色荧光粉的光强度Fig.6L ght ntenstyofd ferentconcentrat onredphosphor.nd'B一 suB.slq

.B?」

图

7不同浓度绿色荧光粉的光强度Fig-Light intensity of different concentration greenphosphor.n.EBISUBUI

图8绿色荧光粉和红色荧光粉恒定比例下不同浓度的总光谱Fig. 8 Total spectra of constant proportion of green andred phosphors with different concentrations图9 绿色和红色荧光粉恒定比例下不同浓度的光强度Fig. 9 Light intensity of constant proportion of greenandredphosphorsw thd ferentconcentrat ons.n.Egsu^u一 一qtloH Jo

UOPJOdo-Id图10不同浓度的绿色和红色荧光粉的光强度比例Fig. 10 Proportion of light intensity of green and red

phosphorsw*thd*ferentconcentrat*ons绿色荧光粉与红色荧光粉相互作用的经验公式如式(5)

和式⑹yrm — 0. 121 39'+ 0. 293 65 (5)ygm —— 0. 039 5'+ 1 077 8

(6)在图10中，绿色荧光粉和红色荧光粉在不同浓度下光强比

例的经验公式可表述如式(7)和式(8)yrpl — 0 . 0 15 67' + 0 . 44

(7)ygpl —— 0 . 0 15 67' + 0 . 56

(8)第三步是测量红色荧光粉比例不断增加且在不同浓度下

的光谱。并记录了红色荧光粉比例不断增加且在不同浓度下

的光谱归一化到绿色荧光粉和红色荧光粉比例为3 : 1的绿

光峰和红光峰之后的峰值强度%1.3-1.n©

.^su^u二 qmJ

°'5 0.240.260.280.300.320.340.360.380.400.42

Proportion of red phosphor图11不同浓度比例的平均光强度Fig. 11 Average light intensity of proportionsamongd*ferentconcentratons图11显示了不同浓度和比例的平均归一化峰值％因此! 不同比例荧光粉光谱归一化到绿色荧光粉和红色荧光粉比例

为3 : 1的绿光峰和红光峰之后的经验方程可表述如式(9)和

式\"0 )yp — 1. 574 67' + 0 . 6 0 3 59

(9)ygp —— 2. 930 79'+ 1 700 82 (1 0)参考文献中的模拟白光光谱V归一化的蓝光LED芯片发光

光谱+归一化的绿荧光粉发射光谱Xyg +归一化的红荧光粉

发射光谱Xyr %由于不同的荧光粉的原料组成以及各方面的光学性质都 有区别！所以该光谱方程需要加以完善才能符合我们选用的

这两种荧光粉％于是对于实验光谱图中的绿峰值与红峰值取 值并记录％将这些实验绿峰值和红峰值分别与用参考文献中802光谱学与光谱分析第 40 卷的模拟白光光谱的方法得出的光谱图中的绿峰值和红峰值做

1.0­0.8­0.6­0.4­

比值%然后将这些数据用MATLAB的三维曲面拟合，得出

绿修正系数和红修正系数的方程％绿光的修正系数方程和红

光的修正系数可表述如式(11)和式(12)?g('() v—17. 05-45. 5'+15. 12(+55. 37'2 —8. 844'( —

1. 153(2 — 23. 86'S + 4. 085'2 y — 0. 020 13 xy2 +

0.2­0.0-3000 8 6 4 2 0

000. 068 92yS + 3. 378x4 — 0. 572xsy — 0. 011 47x2y2

500 600 700Wavelength/nm800+ 0. 002 22xys -0. 001 58y4 (11)?r(x,y) = — 70. 32 + 30. 29x+20. 08y+15. 45x2 — 13. 83xy

—1. 36y2 — 14. 91 xs + 5. 814x2y + 0. 110 6xy2 +

0. 072 26ys + 2. 719x4 — 0. 811 4xsy — 0. 020 32

x2 y2 —0.000 525 5xys—0.001 506y4

浓度值%(12)•nLcd'^suO.BO.O.启

O. 总0.J

—GR3:1.3 8%实验—

—GR3:1.3 8%模拟—

式(11)和式(12)中的x和y分别代表绿红荧光粉的质量比与

最终模拟的白光光谱v归一化的蓝光LED芯片发光光

300 400

500 600 700 Wavelength/nm800图12模拟光谱图与实验光谱图谱+归一化的绿荧光粉发射光谱k yg ]?g ( x, y ) +归一化的

Fig. 12 Simulated spectrum and experimental spectrum红荧光粉发射光谱k yjfr (xy)%图12是光谱方程建立中未用到的浓度与比例的样品的

实验光谱图与模拟光谱图，用以检验光谱方程的准确性％由

3结论建立的光谱方程能较为准确的模拟出白光LED的光谱 图，且在建立了具体的光谱方程之后，可以在没有实验仪器

于模拟光谱图中的绿光和红光部分用的是由荧光光谱仪测得 的绿色荧光粉和红色荧光粉的发射谱, 而 实 验 中 荧 光 粉 混 合

后涂抹于LED芯片上的光谱图是由高精度快速光谱辐射计 测得 , 所以模拟图与实验图对比 , 模 拟 图 中 的 绿 光 和 红 光 部 分较实验图中的绿光和红光部分有点向长波长方向偏移，这

和不做实际实验的情况下，根据两种荧光粉的质量比，以及 与AB胶混合后的浓度直接得出最终的模拟白光光谱，并且

是由于两种仪器测出来的绿光峰和红光峰存在几纳米的差别

这种方法得出的光谱与实际的实验光谱吻合度较高％为制备 具有特定光谱特性的白光LED提供了一种新的思路%同时 也对于后续根据模拟出的光谱对白光LED的色坐标、色温、

及显色指数及其他LED参数和指标的研究具有一定的参考

所造成的。总的来说，模拟的LED光谱图与实验的LED光

谱图有较高的吻合度％说明建立的光谱方程能较为准确的模 拟出白光LED的光谱图%价值%References:1 : WANG Jin-liang, HUA You-jie（王金亮,华有杰）.Electronics and Packaging（电子与封装）,2014, （12）： 45.[2 * LI Jue-fu（李厥富）.China Science i Technology Panorama Magazine（中国科技纵横），2014, （9）： 54.）S * ZHANG He-zhen, CHEN Da-hua（章荷珍，陈大华）.Electrical World（电世界），2012 , （8）： 1:4 * XIAO Hua, LU Yi-jun, XUYunxin, et al（肖 华，吕毅军，徐云鑫，等）.Chinese Journal of Luminescence（发光学报）,2014, S5（1）：

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2>JiangsuProvincialResearchCenterofLightIndustrialOptoelectronicEngineeringandTechnology Wuxi 214122 ChinaAbstract In order to effectively simulate the luminescence spectrum of two kinds of phosphor mixed coated white LEDs , thesiicateseries ofgreen phosphors and high-viscosity series ofred phosphors werese&ected.F&uorescencespectra ofgreen phosphors and red phosphors were measured by the British FLS920P fluorescence spectrometer. The emission peak of green phosphor was 527 nm and the emission peak of red phosphor was 1 nm. Totally , there were 144 samples , which have a con­

centration ranging from 7 % to 17% and a proportion of 3 : 1 to 3 : 2. The HAAS-2000 high-precision spectroradiometer from

Hangzhou Yuan[angSpectrum Co. Ltd.wasusedto measuretheLEDluminescencespectrum.Finaly thedata werepro- cessedtoobtainthe iting[unction.Basedonthese[unctions thespectralequationwasconstructed.Thisspectralequationisa

systematicmethodo[simulatingtheconcentrationandproportiono[twophosphors.Inordertoaccuratelypredictthelumines-

cence spectrum o[the two kinds o[phosphors mixedandappliedtothebluechip athree-dimensionalsur[ace[iting wasper- [ormedonthedataintheexperiment andtherelationshipbetweentheconcentrationandproportiono[thephosphorandthe greencorrectioncoe icientandtheredcorrectioncoe[icientwasobtained.Applyingtheobtained[unctionalrelationshipbetween thegreencorrectioncoe icientandtheredcorrectioncoe icienttothespectralequation anew method[orinalysimulatingthe luminescence spectrum o[white LEDs was obtained. Moreover thesimulatedspectrao[thetwogroupswerecomparedwiththe

actualexperimentalspectra andtheresultso[thetwospectra were[oundtobegood.Thisnew methodo[simulating white LEDsisindeed[easible andthepredictedphosphorescencespectrao[thetwophosphorscoatedonthebluechiparemoreaccu- rate.Thismethodrelatesthespeciicphosphormassratioandconcentrationtotheluminescencespectrumo[theLED andmost previousstudieshavelinkedthespectralpowerdistributiontotheLEDluminescencespectrum themassratioandconcentration

o[thephosphorarenotinvolved andthespeciicbreakthroughiscompared.A[terthespeciicspectralequationisestablished the inal simulated white light spectrum can be directly obtained according to the mass proportion o[the two phosphors and the

concentrationa[termixedwiththeABgluewithouttheexperimentalinstrumentand withouttheactualexperiment.Getrido[ thelimitationso[experimentalinstrumentsandother[actors.Anditprovidesanewidea[orthepreparationo[whiteLED with

speciicspectralcharacteristics whichhascertainpracticalvalue.Keywords Light-emitting diode； Phosphor； Concentration； Proportion； Spectrum(Received Jan. 25 , 2019； accepted Apr. 20 , 2019#Correspon8ingauthor