新一代白光LED照明用一種適于近紫外光激發(fā)的單一白光熒光粉
孫曉園,張家驊3,張 霞,劉慎薪,蔣大鵬,王笑軍
(中國科學院激發(fā)態(tài)物理重點實驗室, 吉林長春 130033)
摘要:首次報道單一Sr2MgSiO5∶Eu2+材料的白光發(fā)射性質(zhì)。發(fā)射光譜由兩個譜帶組成,分別位于470,570nm處,并具有不同的熒光壽命,歸結(jié)為處于不同格位上的二價銪離子的發(fā)射,它們混合成白光。這兩個發(fā)射帶所對應的激發(fā)光譜均分布在250～450nm的紫外區(qū),利用該熒光粉和具有400nm近紫外光發(fā)射的InGaN管芯制成了白光LED。正向驅(qū)動電流為20mA時,色溫為5664K;發(fā)光色坐標為x=0.33,y=0.34;顯色指數(shù)為85%;光強達8100cd/m2。實驗表明,器件的色坐標和顯色指數(shù)等參數(shù)隨正向驅(qū)動電流的變化起伏量小于5%,優(yōu)于目前商用的藍光管芯泵浦白光LED,報道的單一白光熒光粉在新一代白光LED照明領域具有廣闊的應用前景。
關 鍵 詞:白光LED;白光熒光粉;單一白光熒光粉
1993年,日本日亞化學公司取得技術突破,成功開發(fā)出藍光GaN發(fā)光二極管(LED),為半導體固態(tài)照明時代的到來帶來了希望。半導體照明與白熾鎢絲燈泡及熒光燈相比,具有無毒、壽命超長(10萬小時)、高效節(jié)能、全固態(tài)、工作電壓低、抗震性及安全性好等諸多優(yōu)點,將成為21世紀替代傳統(tǒng)照明器件的新光源。1997年,日亞化學公司利用藍光管芯泵浦稀土摻雜的YAG∶Ce3+黃光熒光粉,研發(fā)出白光LED[1]并很快投入市場。由于白光是由熒光粉的黃色熒光與LED的藍光混合而成,器件的發(fā)光顏色隨驅(qū)動電壓和熒光粉涂層厚度的變化而變化,色彩還原性差,顯色指數(shù)低。為解決上述問題,采用近紫外光(380～410nm)InGaN管芯激發(fā)三基色熒光粉實現(xiàn)白光LED已成為目前國際上該領域研發(fā)的熱點之一。由于視覺對近紫外光的不敏感性,這類白光LED的顏色只由熒光粉決定,因此,顏色穩(wěn)定,色彩還原性和顯色指數(shù)高,被認為是新一代白光LED照明的主導。
目前,與近紫外光管芯相匹配的白光熒光粉缺乏,且發(fā)光性能不理想,這種白光熒光粉普遍采用混合紅、綠、藍三種基色熒光粉的辦法制得[2～4]。由于混合物之間存在顏色再吸收和配比調(diào)控問題[5],流明效率和色彩還原性能受到較大影響,因此,研制全色單一白光熒光粉具有十分重要的意義。2004年底,KimJS報道了適于近紫外光激發(fā)的Ba3MgSi2O8∶Eu2+[3],Sr3MgSi2O8∶Eu2+和Sr3MgSi2O8∶Eu2+,Mn2+單一相白光熒光粉[5],可望克服混合熒光粉的不足,提高流明效率和色彩還原性能。近年來,我們開展了白光LED用熒光粉的研究,研制出了一種新型適于近紫外光激發(fā)的Eu2+離子摻雜的單一白光熒光粉,本文報道這種熒光粉的發(fā)光性質(zhì)和利用近紫外管芯制成的白光LED的發(fā)光性能。
按材料組成,稱取SrCO3,MgO,SiO2和Eu2O3,研磨均勻放于坩堝。利用高溫固相反應,在還原氣氛和1300℃下燒結(jié)2h,制成Sr2MgSiO5∶0.02Eu2+材料。光譜由日立F24500分光光度計測得;壽命測量由Tektronix2TDS3052數(shù)字示波器記錄,利用Nd2YAG激光器輸出的三倍頻355nm脈沖激光激發(fā)。白光LED由美國Grre紫光395～405nm芯片和本文研制的熒光粉組成,正向驅(qū)動電流在0～25mA可調(diào)。
圖1是熒光粉在不同波長紫外光激發(fā)下的發(fā)射光譜。發(fā)射光譜由兩個發(fā)射帶組成,分別位于470,570nm處。經(jīng)與相關研究結(jié)果的比對[3,5],這兩個發(fā)射帶可歸結(jié)為處于不同格位上的二價銪離子的5d24f發(fā)射,它們混合成白光。這兩個發(fā)射帶的相對強度隨激發(fā)波長的變化而變化,說明它們的激發(fā)光譜分布不完全一致,是獨立的兩種發(fā)光中心。當激發(fā)波長在360～400nm時,材料的發(fā)射接近標準白光。KimJS等研究了Sr3MgSi2O8∶Eu2+的白光發(fā)射[5],測量了470,570nm發(fā)射帶的熒光壽命,分別為580,1400ns。由于藍光壽命明顯短于黃光壽命,因此認為藍光中心向黃光中心存在能量傳遞。本工作研制的熒光粉的藍、黃光的熒光壽命如圖2所示,分別為560,730ns。可見,它們的壽命差別不大,說明藍光中心向黃光中心的能量傳遞不發(fā)生或不有效,這種情況有利于不同激發(fā)密度下色度參數(shù)的穩(wěn)定。
用此熒光粉和400nm發(fā)射LED芯制備了白光LED,圖3給出了此熒光粉藍、黃發(fā)射帶的激發(fā)光譜和制成的白光LED的發(fā)射光譜。正向驅(qū)動電流為20mA時,色溫為5664K;色坐標為:x=0.33,y=0.34;顯色指數(shù)為85%;光強達8100cd/m2,遠高于國際上報道的同類器件的400cd/m2的結(jié)果[5]。圖3還顯示,發(fā)射光譜還包含較強的來自管芯的400nm透射光,激發(fā)峰相對380～410nm的近紫外區(qū)有偏離,這表明熒光粉對近紫外光的吸收和激發(fā)能力還有很大的提高余地。因此繼續(xù)研究和實現(xiàn)有效吸收和激發(fā)可望大幅度提高器件的發(fā)光流明效率和推進此熒光粉的應用進程,此項研究工作正在進行中。圖4是不同正向驅(qū)動電流下器件的色坐標和顯色指數(shù)。可見,這兩個參數(shù)隨正向驅(qū)動電流的變化起伏很小,均小于5%,說明顏色穩(wěn)定,優(yōu)于目前商用的藍光管芯激發(fā)的白光LED。
Sr2MgSiO5∶Eu2+是一種性能良好的適于近紫外光激發(fā)的單一白光熒光粉材料。位于470,570nm處的發(fā)射帶來自Eu2+的5d24f躍遷,源于不同的格位,它們混合成白光。它們的壽命差別不大,說明藍光中心向黃光中心的能量傳遞不發(fā)生或不有效。這兩個發(fā)射帶所對應的激發(fā)光譜均分布在250～450nm的紫外區(qū)。利用該熒光粉和具有400nm近紫外光發(fā)射的InGaN管芯制成了白光LED,正向驅(qū)動電流為20mA時,色溫為5664K;色坐標為x=0.33,y=0.34;顯色指數(shù)為85%;光強達8100cd/m2。器件的色坐標和顯色指數(shù)等參數(shù)隨正向驅(qū)動電流的變化起伏變化很小,顏色穩(wěn)定,這種白光熒光粉在新一代白色LED照明領域具有廣闊應用前景。研究表明,利用UV管芯和白光熒光粉可獲得暖白色、高顯色指數(shù)和高顏色穩(wěn)定性的白光LED。