在紫外線LED上加熒光粉制作白光LED

中心議題：
* 用不同數目及顏色LED加熒光粉制成的白光LED
* 比較由不同熒光粉組成的白光LED的特性
* 白光LED技術的優缺點比較
* 商品化白光LED的發光效率
解決方案：
* 用紫外光LED及熒光粉做成白光LED時，使用含TiO2 40%的硅阻擋層減少紫外光的漏出

到現在為止，在紫外線LED上加熒光粉制作白光LED的人還很少，圖1(a)是T.Nishida等人在350nm UV LED加三色（TBC：Three Basal Color）熒光粉所得的光譜，圖1(b)是白光在CIE色度圖中的坐標位置，旁邊是標準光源A的位置，Ra為86~89。



J.K.Park等人在波長400nm紫色或稱n UV LED加Sr2SiO4：Eu2+熒光粉做成白光LED。圖2(a)是在410nm光激發時不同Eu含量Sr2SiO4在室溫時的PL光譜，波峰在520~540nm之間，圖2(b)是在20mA時在400nm波長LED加Sr2SiO4：Eu2+熒光粉以及在460nm LED加YAG：Ce熒光粉的光譜圖，兩者都產生白光，只是Sr2SiO4：Eu的激發所得波長為560nm，而YAG：Ce的激發所得波長則是550nm。如果增加Sr2SiO4中的SiO2含量，波峰會移動變為長波長。圖3是不同Eu含量Sr2SiO4熒光粉加紫光LED所做成的白光在CIE中的坐標位置，由圖可知是直線關系。





Y.Narukawa等人做成的400nm LED樣品a 在不同電流時的光譜如圖4(a)所示。他們另做成的藍光LED樣品b的光譜如圖4(b)所示，又在400nm LED加藍色熒光粉做成的藍光LED樣品c的光譜如圖4(c)所示。比較圖4(b)及(c)可見，用藍色熒光粉加紫光做成的藍光LED不受電流的影響比較穩定。圖5是樣品a、b及c的光輸出功率與電流的關系，在20mA時樣品a的400nm LED的光輸出功率為12m W(3.2V)，樣品b的藍光LED的光輸出功率為8.5m W（3.4V），而用熒光粉將400nm變成458nm的藍光LED（樣品c）的光輸出功率為7.2mW(3.2V)，電光轉換效率為69%。





圖6 (a)是藍光LED+YAG熒光粉做成的白光LED的光譜(樣品d)，而圖6 (b)則是用400nm激發藍光+**熒光粉在20mA時的光譜（樣品e），樣品d的CCT約為5900K，Ra約為84.9，Vf約為2.4V，ηL約為24.6 lm/W，而樣品e的CCT約為5800K，Ra約為85.3，Vf約為3.2V，ηL約為26.1 lm/W，比樣品d性能稍佳。圖7(a)中比較了樣品d及e的光強度、發光效率與電流的關系，樣品e的發光效率在高電流時較高而且較穩定，而樣品d的發光效率則隨電流的增加而下降，圖7(b)是樣品d及e在色度圖中x及y的位置，樣品d的位置隨電流的增加而改變，但樣品e則幾乎不變，可見用以400nm激發藍色熒光粉所產生的藍光LED加**熒光粉做成的LED比較穩定。








下面是紫光LED加三色熒光粉所做成的白光LED的結果。

Y.Sato等人是最早約1996年宣布用380nm n-UV LED激發ZnCdS：Ag（紅色）、ZnS：CuAl（綠色）以及ZnS：Ag（藍色）熒光粉得到如圖8(a)所示的光譜，其所制成白光在CIE色度圖中的位置是圖8(b)中的d點。





J.Wagner 等人用394nm LED激發紅、藍、綠三色熒光粉得到如圖9所示的光譜，其白光在CIE色度圖中的坐標是圖10中空心方塊之處。此LED在20mA 時輸入功率為1.12m W，白光LED光輸出功率為0.28m W，CCT約為4000~4300K 之間，Ra=78。





J.K.Sheu等人也用400nm LED激發藍、綠、紅三色熒光粉，其中藍色是BaMgAl14O23：Ru熒光粉，綠色是SrGa2S4：Ru熒光粉，紅色是Y2O3：Ru熒光粉，由Nantex公司供給。圖11 (a)是400 LED激發在20mA時得到的光譜，波長是450nm、500nm及600nm，圖11(b)則是所得白光LED在不同電流時的光譜，CCT約為5900K，Ra約為75，20mA時發光效率為10 lm/W。





GELcore的E.Radkov等人用405nm LED分別激發(SrEu)5(PO4)3、(Sr，Eu)4Al14O25及(Ca，Eu，Mn)5(PO4)3Cl分別得到藍光、藍綠光及橙黃光，其光譜如圖12(a)所示，圖12(b)是白光LED的光譜，Ra=75.3。RadKov又用3.5MgO·0.5MgF2·GeO2：Mn4+(MFG)作紅色熒光粉，用Ga5(PO4)3Cl：Eu2+、Mn2+(HALD)作橙色熒光粉，用SrAl2O4：Eu2+作綠色熒光粉，用(Ca，Sr，Ba)5(PO4)3Cl：Eu2+(SECA)作藍色熒光粉得到的白光LED的CCT約為3000K，Ra約為97，x=0.441，y=0.41，發光效率為23 lm/W。





N.Shibata等人用如圖13(a)所示的紫光375nm LED加三色熒光粉做成白光LED，圖13(b)是其LED的I-V曲線，圖13(c)是紫光加藍、綠、紅三色熒光粉做成的白光的光譜。





Toyoda Gosei的T.Uemura等人用圖14(a)面朝上及圖14(b)面朝下的結構做成紫光LED，稱之為TG（Toyoda Gosei）紫光LED，圖14(c)是面朝下的LED的I-V及L-I特性曲線，用此紫光LED加表1中列舉不同熒光粉可以得到不同的白光特性，表中并有藍光LED加YAG的結果，可作比較。圖15是高純度白光的光譜，是紫光LED加藍、綠、紅及新的熒光粉而組成，Ra約為91。







Y.Uchida等人改變O（橘**600nm）、Y（**570nm）、G（綠色540nm）及B（藍色470nm）四種顏色熒光粉的成分得到不同含量的OYGB熒光粉，其光譜如圖16(a)所示，圖16(b)所示是用這些熒光粉做成的白光在CIE色度圖中坐標的位置。Y.Uchida等人又用382nm n-UV LED在20mA時激發藍、綠、紅三色熒光粉得到如圖17(a)所示的光譜，其中藍色熒光粉（Sr,Ca,Ba,Mh）16Cl：Eu2+發出447nm藍光，綠色熒光粉ZnS：Cu，Al發出528nm綠光，而紅色熒光粉Y2O3S：Eu2+得到628nm紅光，其所組成的白光的CCT=7644K，Ra=90。圖17(b)是n-UV LED在20mA時激發OYGB熒光粉所得的光譜，波峰是450nm、520nm及580nm，所組成的白光的CCT=3700K，Ra=98，K=30 lm/W。圖16是計算結果，而圖17是實驗結果。





T.Gessmann及Y.L.Li等人用不同數目及顏色LED加或不加熒光粉做成的白光LED如圖18所示，其中除以上列舉的方法之外，還有用多個多色LED加熒光粉的方法，包括①用藍光及紅光LED加綠色熒光粉；②用藍光、淺藍光及紅光LED加綠色熒光粉；③用藍光、紅光及淺藍光LED加綠色熒光粉等。這三種方法都利用綠色熒光粉。當然如果用多個多色LED，則還有其他的選擇。



用UV LED及熒光粉做成白光LED時，還要考慮UV光漏出的可能，B.Barune等人采取的方法是使用含TiO2 40%的硅阻擋層減少UV的漏出。圖19中比較有無用此阻擋層的結果，由圖可知，用了阻擋層，UV的光強度減少很多。



以下是目前商品化白光LED的結果：

① GELcore公司由Gree公司獲得由410nm LED做成的白光LED，其CCT約為2700K，Ra約為80，在350mA時光輸出功率為32 lm，ηL約為32 lm/W。

② Lumileds公司的白光LED，其CCT約為3200K，Ra約為85+，光輸出功率約為22 lm。

③ Toyoda Gosei 公司用藍光LED加YAG得Ra約為82，光穩定程度為中等。又用374~401nm波長n-UV LED加紅、藍、綠及紅色新熒光粉得到Ra約為91，K=240，光極為穩定（參見表1）。

④ Nichia 公司的白光LED的ηL約為50~60 lm/W。

⑤ Cree公司的白光LED 的發光效率K約為74 lm/W。

表2中比較用不同顏色及數目LED加熒光粉所做成的白光LED的優點及缺點，以供參考。