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白光LED照明主要技术路线分析

2023-11-28

照明用白光LED主要技术路线分析

白光LED种类:照明用白光LED主要技术路线为:1蓝光LED+荧光粉型; 2RGB LED 类型; 3紫外LED+荧光粉型


1. 蓝光LED芯片+黄绿荧光粉型包括多色荧光粉衍生物


黄绿色荧光粉层吸收LED芯片的一部分蓝光产生光致发光,而LED芯片发出的另一部分蓝光透过荧光粉层与荧光粉发出的黄绿色光会聚在空间各个点,红、绿、蓝光混合形成白光; 这样,外量子效率之一的光致发光转换效率最高理论值不会超过75%; 而芯片发光的提取率只能达到70%左右,所以理论上蓝光是白光。 LED光效不会超过340Lm/W,CREE前几年达到303Lm/W,如果测试结果准确就值得庆贺。


2、红、绿、蓝三基色组合RGB LED型包括RGBW-LED型等。


R-LED(红)+G-LED(绿)+B-LED(蓝)三个LED组合起来,三基色的红、绿、蓝光在空间直接混合形成白光。 要想通过这种方式产生高效率的白光,首先各种颜色的LED,尤其是绿光LED必须是高效率的光源,大约69%可见于“能量白光”。目前,蓝光和红光LED的光效已经非常高,内量子效率分别超过90%和95%,但绿光LED的内量子效率却远远落后。 这种GaN基LED绿光效率不高的现象被称为“绿光间隙”。 主要原因是绿光LED还没有找到自己的外延材料。 现有的磷砷氮化物系列材料在黄绿光谱范围内效率较低,采用红光或蓝光外延材料来制作绿光LED。 在较低电流密度条件下,绿光LED由于没有荧光粉转换损失,因此比蓝色+荧光粉绿光具有更高的发光效率。 据悉,在1 mA时,发光效率达到291 Lm/W。但在大电流下,由Droop效应引起的绿光光效大大降低,而当电流密度增加时,光效下降迅速降低。 350mA电流下,发光效率为108Lm/W,1A条件下,发光效率降至66Lm/W。

对于第 III 族磷化物,发射绿光波段的光成为材料系统的基本障碍。 改变 AlInGaP 的成分使其发出绿光,而不是红光、橙光或黄光,由于材料系统的能隙相对较低,导致载流子限制不足,从而消除了有效的辐射复合。


相比之下,III族氮化物更难实现,但难度并非不可克服。 对于该系统,由于光扩展到绿光波段而导致效率降低的两个因素是:外部量子效率和电效率下降。 外量子效率下降的原因是绿光LED的GaN正向电压较高,导致功率转换率下降。 第二个缺点是绿色LED随着注入电流密度的增加而减少,这是受到下降效应的限制。 下垂效应也出现在蓝色 LED 中,但在绿色 LED 中更为重要,导致工作电流较低。 然而,造成下降效应的原因有很多,不仅有俄歇化合物,还有错位、载流子溢出或电子泄漏等。 后者通过高压内部电场得到增强。


因此,提高绿光LED发光效率的途径:一方面,如何在现有外延材料条件下减少Droop效应,提升光效率; 第二方面,蓝色LED加上绿色荧光粉光致发光转换发出绿光,该方法可以获得高效率的绿光,理论上可以达到高于目前白光的效果,属于非自发绿光,而且光谱展宽导致的色纯度下降,对显示不利,但对于普通照明来说没有问题。 这种方法得到的绿光效果有超过340Lm/W的可能性,但与白光结合后仍然不超过340Lm/W。 第三,继续研究,找到自己的外延材料,只有这样,才有希望获得超过340Lm/w的绿光,红绿蓝三基色LED组合而成的白光才有可能高于蓝芯片型白光LED 340 Lm/W的光效极限。


3.UV LED芯片+三基色荧光粉


上述两种白光LED的主要固有缺陷是光度和色度的空间分布不均匀。 人眼看不到紫外线。 因此,紫外光从芯片发出后,被封装层的三基色荧光粉吸收,荧光粉的光致发光转化为白光,然后发射到空间中。 这是它最大的优点,就像传统荧光灯一样,不存在空间颜色不均匀的情况。 然而,紫外芯片型白光LED的理论光效不可能高于蓝光芯片型白光的理论值,并且不太可能高于RGB型白光的理论值。 然而,只有通过开发适合紫外光激发的高效三基色荧光粉,才有可能获得接近甚至比目前两种白光LED更高效的紫外光型白光LED。 越接近蓝光紫外型LED,可能性越大;中波、短波紫外型白光LED越大,越不可能。