新一代白光LED照明用一种适于近紫外光激发的单一白光荧光粉

孙晓园,张家骅3,张 霞,刘慎薪,蒋大鹏,王笑军

(中国科学院激发态物理重点实验室, 吉林长春 130033)

摘要:首次报道单一Sr2MgSiO5∶Eu2+材料的白光发射性质。发射光谱由两个谱带组成,分别位于470,570nm处,并具有不同的荧光寿命,归结为处于不同格位上的二价铕离子的发射,它们混合成白光。这两个发射带所对应的激发光谱均分布在250～450nm的紫外区,利用该荧光粉和具有400nm近紫外光发射的InGaN管芯制成了白光LED。正向驱动电流为20mA时,色温为5664K;发光色坐标为x=0.33,y=0.34;显色指数为85%;光强达8100cd/m2。实验表明,器件的色坐标和显色指数等参数随正向驱动电流的变化起伏量小于5%,优于目前商用的蓝光管芯泵浦白光LED,报道的单一白光荧光粉在新一代白光LED照明领域具有广阔的应用前景。

关 键 词:白光LED;白光荧光粉;单一白光荧光粉

1993年,日本日亚化学公司取得技术突破,成功开发出蓝光GaN发光二极管(LED),为半导体固态照明时代的到来带来了希望。半导体照明与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比,具有无毒、寿命超长(10万小时)、高效节能、全固态、工作电压低、抗震性及安全性好等诸多优点,将成为21世纪替代传统照明器件的新光源。1997年,日亚化学公司利用蓝光管芯泵浦稀土掺杂的YAG∶Ce3+黄光荧光粉,研发出白光LED[1]并很快投入市场。由于白光是由荧光粉的黄色荧光与LED的蓝光混合而成,器件的发光颜色随驱动电压和荧光粉涂层厚度的变化而变化,色彩还原性差,显色指数低。为解决上述问题,采用近紫外光(380～410nm)InGaN管芯激发三基色荧光粉实现白光LED已成为目前国际上该领域研发的热点之一。由于视觉对近紫外光的不敏感性,这类白光LED的颜色只由荧光粉决定,因此,颜色稳定,色彩还原性和显色指数高,被认为是新一代白光LED照明的主导。

目前,与近紫外光管芯相匹配的白光荧光粉缺乏,且发光性能不理想,这种白光荧光粉普遍采用混合红、绿、蓝三种基色荧光粉的办法制得[2～4]。由于混合物之间存在颜色再吸收和配比调控问题[5],流明效率和色彩还原性能受到较大影响,因此,研制全色单一白光荧光粉具有十分重要的意义。2004年底,KimJS报道了适于近紫外光激发的Ba3MgSi2O8∶Eu2+[3],Sr3MgSi2O8∶Eu2+和Sr3MgSi2O8∶Eu2+,Mn2+单一相白光荧光粉[5],可望克服混合荧光粉的不足,提高流明效率和色彩还原性能。近年来,我们开展了白光LED用荧光粉的研究,研制出了一种新型适于近紫外光激发的Eu2+离子掺杂的单一白光荧光粉,本文报道这种荧光粉的发光性质和利用近紫外管芯制成的白光LED的发光性能。

按材料组成,称取SrCO3,MgO,SiO2和Eu2O3,研磨均匀放于坩埚。利用高温固相反应,在还原气氛和1300℃下烧结2h,制成Sr2MgSiO5∶0.02Eu2+材料。光谱由日立F24500分光光度计测得;寿命测量由Tektronix2TDS3052数字示波器记录,利用Nd2YAG激光器输出的三倍频355nm脉冲激光激发。白光LED由美国Grre紫光395～405nm芯片和本文研制的荧光粉组成,正向驱动电流在0～25mA可调。

图1是荧光粉在不同波长紫外光激发下的发射光谱。发射光谱由两个发射带组成,分别位于470,570nm处。经与相关研究结果的比对[3,5],这两个发射带可归结为处于不同格位上的二价铕离子的5d24f发射,它们混合成白光。这两个发射带的相对强度随激发波长的变化而变化,说明它们的激发光谱分布不完全一致,是独立的两种发光中心。当激发波长在360～400nm时,材料的发射接近标准白光。KimJS等研究了Sr3MgSi2O8∶Eu2+的白光发射[5],测量了470,570nm发射带的荧光寿命,分别为580,1400ns。由于蓝光寿命明显短于黄光寿命,因此认为蓝光中心向黄光中心存在能量传递。本工作研制的荧光粉的蓝、黄光的荧光寿命如图2所示,分别为560,730ns。可见,它们的寿命差别不大,说明蓝光中心向黄光中心的能量传递不发生或不有效,这种情况有利于不同激发密度下色度参数的稳定。

用此荧光粉和400nm发射LED芯制备了白光LED,图3给出了此荧光粉蓝、黄发射带的激发光谱和制成的白光LED的发射光谱。正向驱动电流为20mA时,色温为5664K;色坐标为:x=0.33,y=0.34;显色指数为85%;光强达8100cd/m2,远高于国际上报道的同类器件的400cd/m2的结果[5]。图3还显示,发射光谱还包含较强的来自管芯的400nm透射光,激发峰相对380～410nm的近紫外区有偏离,这表明荧光粉对近紫外光的吸收和激发能力还有很大的提高余地。因此继续研究和实现有效吸收和激发可望大幅度提高器件的发光流明效率和推进此荧光粉的应用进程,此项研究工作正在进行中。图4是不同正向驱动电流下器件的色坐标和显色指数。可见,这两个参数随正向驱动电流的变化起伏很小,均小于5%,说明颜色稳定,优于目前商用的蓝光管芯激发的白光LED。

Sr2MgSiO5∶Eu2+是一种性能良好的适于近紫外光激发的单一白光荧光粉材料。位于470,570nm处的发射带来自Eu2+的5d24f跃迁,源于不同的格位,它们混合成白光。它们的寿命差别不大,说明蓝光中心向黄光中心的能量传递不发生或不有效。这两个发射带所对应的激发光谱均分布在250～450nm的紫外区。利用该荧光粉和具有400nm近紫外光发射的InGaN管芯制成了白光LED,正向驱动电流为20mA时,色温为5664K;色坐标为x=0.33,y=0.34;显色指数为85%;光强达8100cd/m2。器件的色坐标和显色指数等参数随正向驱动电流的变化起伏变化很小,颜色稳定,这种白光荧光粉在新一代白色LED照明领域具有广阔应用前景。研究表明,利用UV管芯和白光荧光粉可获得暖白色、高显色指数和高颜色稳定性的白光LED。