采用热压法制备远程荧光膜并封装成白光器件。 所用的原料硅胶(道康宁, 美国), YAGG:Ce³⁺绿粉和CaAlSiN₃:Eu²⁺红粉(希尔德, 中国), COB蓝光光源(翠柏莱特, 中国)。 实验过程为按照预设计量比称取绿粉和硅胶(质量比硅胶:绿粉=6.0:1.0), 置于混胶机中混合均匀后置于模具腔体中, 于平板硫化机上施加10 MPa压力, 150 ℃保温0.5 h, 冷却开模。 再按照预设计量比称取红粉和硅胶(质量比硅胶:红粉=6.0:0.25), 置于混胶机中混合均匀, 将混料置于模腔中绿光膜的上层, 施加10 MPa压力, 150 ℃保温1 h, 冷却开模, 即制备出分层远程荧光膜, 其绿光膜和红光膜厚度均为0.2 mm。 最后将分层远程荧光膜固定在COB蓝光光源上层, 远离芯片, 即制备出WLED, 结构如图1所示。

图1

Fig.1

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	图1 WLED封装结构模式 (a): 蓝-红-绿膜层封装; (b): 蓝-绿-红膜层封装Fig.1 Package structure models of WLED (a): B-R-G type package; (b): B-G-R type package

采用岛津RF6500荧光分光光度计测量远程荧光膜的激发与发射光谱, 远方PMS-80可见光光谱分析系统测试WLED光谱性能, 测试都是在室温环境下进行。

图2(a)是三种不同波段YAG:Ce³⁺绿粉制备的绿光膜的激发与发射光谱图, 其中由于荧光粉基质均为钇铝石榴石体系, 因此激发光谱的形状基本相同, 但发射光谱的峰值因稀土元素掺杂的不同而不同。 从图中可以看出, 在450 nm激发下, 三种绿光膜发射峰值分别为525, 530和535 nm, 归属于Ce³⁺的5d→ 4f跃迁发射。 两个峰值分别为345和450 nm, 是由Ce³⁺的4f能级的自旋耦合劈裂为支项²F_5/2和²F_7/2所致; 345 nm对应于²F_5/2→ 5d的跃迁, 450 nm对应于²F_7/2→ 5d的跃迁。 最强峰值为450 nm, 与InGaN蓝光芯片的发射峰值相匹配, 说明该荧光膜可以被蓝光芯片高效激发。 图2(b)是三种不同波段CaAlSiN₃:Eu²⁺红粉制备的红光膜的激发与发射光谱图, 其中由于荧光粉均为氮化物体系, 因此激发光谱的形状基本相同, 但发射光谱的峰值由于稀土元素的掺杂的不同而不同。 在450 nm激发下, 三种红光膜的发射峰值分别为640, 650和660 nm, 是由Eu²⁺的5d→ 4f能级跃迁发射。 同时发射光谱呈现宽谱发射, 没有出现Eu³⁺的线状谱发射, 说明其中的Eu离子全部为Eu²⁺。 激发光谱也表现出宽谱发射, 发射峰值位于465 nm, 其中在445~475 nm蓝光LED芯片的发射光谱区都有强的激发, 与芯片的相匹配, 也说明了红光膜可以被蓝光芯片高效激发。

图2

Fig.2

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	图2 红/绿远程荧光膜层激发与发射光谱 (a): YAGG:Ce3+绿光膜; (b): CaAlSiN3:Eu2+红光膜Fig.2 Excitation and emission spectra of red/green remote phosphor films (a): YAGG:Ce3+ green phosphor film; (b): CaAlSiN3:Eu2+red phosphor film

为研究远程荧光膜分层顺序对于WLED光色性能的影响, 采用两种分层结构模式: 蓝-绿-红(B-G-R)和蓝-红-绿(B-R-G), 其中绿光膜和红光膜的发射峰值分别为525和640 nm, WLED封装结构示意如图1所示, 测试所得结果见表1和图3。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 两种封装结构模式WLED光色性能 Table 1 Photochromic property of two package structure models 模式 色坐标 (x, y) 色保 真度Rf 色域 指数Rg LER /(lm· W-1) B-R-G (0.364 6, 0.287 1) 86 111 215.2 B-G-R (0.340 2, 0.343 6) 89 98 283.4

表1 两种封装结构模式WLED光色性能 Table 1 Photochromic property of two package structure models

图3

Fig.3

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	图3 两种封装结构模式WLED光谱分布曲线(B-G-R和B-R-G模式)Fig.3 Spectral distribution curves of WLED based on two package structure models (B-G-R and B-R-G type)

图3是两种结构模式的WLED的光谱分布曲线, 图中右上角(a)是对应的CIE1931色坐标, 从图中可以看出, B-R-G模式的光谱相较于B-G-R模式, 绿光波段明显偏低, 红光波段则偏高, 这是由于前者芯片的蓝光首先激发的是红光膜, 大量的蓝光被吸收掉, 导致用于激发绿光膜的蓝光强度下降; 而后者蓝光先激发绿光膜发出绿色, 绿光传递红光膜处, 一部分绿光和蓝光共同激发红光膜, 发射红光, 另一部分则出射出去, 因此后者光谱中的红光强度相较于前者略低由图3(a)可以看出, B-R-G模式中红光的光谱能量太高, 导致光谱扭曲, 色坐标点已经偏离了普朗克黑体曲线, 偏向于红光区; 相反B-G-R的光谱则正好位于白光区。 从表1中的LER可以看出B-R-G模式的WLED仅为215.2 lm· W^-1远低于B-G-R模式283.4 lm· W^-1, 这主要是由于①LER根据式(1)^[14]计算得来, 可以看出LER与人眼明视觉效率曲线密切正相关, 前者光谱中红光能量太高, 远离人眼明视觉效率曲线最大值555 nm, 因此积分计算的结果偏低; ②红光膜中红粉的量子效率要低于绿光膜中的绿粉, 因此相同激发光能量下, 出射的转换光能量, 红光要低于绿光^[15], 从以上说明B-G-R模式相较于B-R-G模式在LER和光谱完整性等方面都具有优势。

LER=Km∫V(λ)S(λ)dλ∫S(λ)dλ lm·W-1(1)

式(1)中, V(λ )为人眼明视觉效率曲线; S(λ )为光谱功率密度; K_m为波长555 nm时光谱光视效能, 其值为K_m=683 lm· W^-1。

基于B-G-R模式在WLED光谱性能上优势, 选择B-G-R封装结构模式。 以制备的525, 530和535 nm绿光膜和640, 650和660 nm红光膜, 按图1(b)的方式进行WLED封装测试, 研究两种膜层的不同波段分别对WLED光色性能的影响规律。

2.3.1 不同波段红光膜

图4是不同波段绿光膜和红光膜制备的WLED的R_f和R_g坐标分布图, 其中(a)是整体坐标图, (b)是相应的局部放大图。 为了研究在同一波段绿光膜下不同波段红光膜对于WLED光色性能的影响, R_f和R_g坐标按照同一525, 530和535 nm绿光膜结合640, 650和660 nm三个波段红光膜分成三大类, 具体分布如图4(b)所示, 其中A~C, D~F, G~I分别对应525~(640, 650和660 nm), 530~(640, 650和660 nm)和535~(640, 650和660 nm)制备的WLED的坐标图。 结合图4和表2可以看出, 在相同的绿光膜下, 随着红光膜波段的增加, 相应的R_f和R_g的值均增大, 最大值均出现在红光膜波长为660 nm处, 这主要是因为红光膜的加入提高了WLED光谱的完整及连续性, 同时波段越长, 则光谱完整性更大, 色域更广。 R_f和R_g是北美照明学会(IES)提出的显色性能新的评价方法TM30-15中的双指标^[16], R_f用于表征制备的WLED与参考光源对于颜色样品的色度差的相近程度(最高值为100), 按照式(2)和式(3)计算得来, R_g则代表各标准色在WLED与参考光源相比下饱和度的改变(100表示相同, 大于100表示饱和度提高, 低于100表示饱和度较低), 按照式(4)计算得来。

R'f=100-7.54199∑i=199(ΔEJab, i)(2)

Rf=10ln(eR'f/10+1)(3)

Δ E_{Jab, i}为WLED和参考光源照射下测试样品在CAM02-UCS色空间的标准色差。

Rg=100×AtAr(4)

式(4)中, A_t和A_r分别为WLED和参考光源在CAM02-UCS色空间坐标围成的多边形面积。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 不同波段远程荧光膜制备WLED光色性能 Table 2 Photochromic property of WLED based on remote phosphor films with different wavelengths 640 nm 650 nm 660 nm 性能指标 525 nm (0.340 2, 0.343 6) (0.361 0, 0.356 6) (0.350 4, 0.344 9) 色坐标(x, y) 89 90 90 色保真度Rf 98 99 103 色域指数Rg 530 nm (0.356 7, 0.364 0) (0.375 5, 0.375 5) (0.368 9, 0.364 4) 色坐标(x, y) 86 88 91 色保真度Rf 96 98 102 色域指数Rg 535 nm (0.356 1, 0.349 6) (0.375 1, 0.362 4) (0.367 1, 0.350 2) 色坐标(x, y) 85 87 89 色保真度Rf 99 101 104 色域指数Rg

表2 不同波段远程荧光膜制备WLED光色性能 Table 2 Photochromic property of WLED based on remote phosphor films with different wavelengths

图4

Fig.4

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	图4 B-G-R模式WLED Rf和Rg坐标图 按照同一波段绿光膜结合不同波段红光膜分类统计Fig.4 Coordinate drawing of Rf and Rg of B-G-R type WLED Classification statistics according to the same green phosphor film combination with different red phosphor films

图5是所制备的WLED在每个色度角区的平均色坐标形成色域多边形, 用于衡量所围成的多边形色域面积的大小。 选择绿光膜波长530 nm, 红光膜波长640, 650和660 nm三个波段进行说明不同波段红光膜对于WLED色域的影响。 从图可以看出, 随着红光膜波长的增加, 其相应的色域面积也逐渐增加, 在660 nm波长下, 归一化面积达到100, 图中所表现的规律与图4和表1中的规律相一致。

图6是所制备的WLED的LER变化曲线, 从图中可以看出在同一绿光膜下, 随着红光膜波长的增加, 其相应的LER值逐渐降低。 图7是绿光膜为530 nm, 红光膜为640, 650和660 nm所制备的WLED光谱分布曲线, 通过此图可以解释LER变化的规律, 在人眼明视觉效率曲线光谱范围内, 光谱能量的高低依次为640> 650> 660 nm, 和式(1)描述的LER相符合。

虽然红光膜的波长越大相应的R_f和R_g的值越大, 显色性能得到提高, 但是红光膜波长的增加, 也导致WLED的LER值的下降, 因此作为相互制约的两个指标参量, 在实际应用时, 应该综合衡量后, 选择相应波长的荧光膜进行WLED的制备。

图5

Fig.5

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	图5 B-G-R模式WLED色域面积(不同波段红光膜)Fig.5 Color gamut area of WLED based on B-G-R type(red phosphor films with different wavelengths

图6

Fig.6

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	图6 B-G-R模式WLED辐射发光效率Fig.6 LER of WLED based on B-G-R type

图7

Fig.7

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	图7 B-G-R模式WLED光谱分布曲线(不同波段红光膜)Fig.7 Spectral distribution curve of WLED based on B-G-R type(red phosphor films with different wavelengths)

2.3.2 不同波段绿光膜

图8是不同波段绿光膜和红光膜制备的WLED的R_f和R_g坐标分布图, 其中(a)是整体坐标图, (b)是相应的局部放大图。 为研究在同一波段红光膜下不同波段绿光膜对于WLED光色性能的影响, R_f和R_g坐标按照同一640, 650和660 nm红光膜结合525, 530和535 nm三个波段绿光膜分成三大类, 具体分布如图8(b)所示, 其中A~C, D~F, G~I分别对应640~(525, 530, 535 nm), 650~(525, 530, 535 nm)和660~(525, 530, 535 nm)制备的WLED的坐标图。

图8

Fig.8

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	图8 B-G-R模式WLED Rf和Rg坐标图 按照同一波段红光膜结合不同波段绿光膜分类统计Fig.8 Coordinate drawing of Rf and Rg of B-G-R model WLED Classification statistics according to the same red phosphor film combination with different green phosphor films

结合图8和表2可以看出, 在相同的红光膜下, 随着绿光膜波长的增加, 相应的R_f逐渐降低, R_g的值先降低后升高。 由于和660 nm的波长差距逐渐减小, 随着绿光膜波长的增加, 所形成的WLED光谱波段完整性降低, 相应的色彩保真度R_f则呈减少趋势; R_g的变化规律可以根据光谱的解卷积重叠区解释, 对WLED光谱的绿红光谱区进行解卷积运算, 如图9(a)中的光谱重叠区(标识A处), 以660 nm分别结合525, 530和535 nm三个波段绿光膜为例, 三个光谱重叠区的面积占比分别为15.7%, 14.8%和16.8%, 与R_g的变化规律相一致, 光谱重叠区有利于相应波段光谱的增加^[17], 从提高了色域的范围。

图9

Fig.9

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	图9 B-G-R模式WLED光谱解卷积重叠区Fig.9 B-G-R type WLED spectrum deconvolution overlap region

图10是所制备的WLED在每个色度角区的平均色坐标形成色域多边形, 用于衡量所围成的多边形色域面积的大小, 选择红光膜波长660 nm, 绿光膜波长525, 530和535 nm三个波段说明不同波段绿光膜对于WLED色域的影响。 从图中可以看出, 随着绿光膜波长的增加, 其相应的色域面积先降低后升高, 在535 nm波长下, 归一化面积达到100, 可以用以解释和说明图8和表1中所表现的规律。

图10

Fig.10

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	图10 B-G-R模式WLED色域面积(不同波段绿光膜)Fig.10 Color gamut area of WLED based on B-G-R type (green phosphor films with different wavelengths

图11是所制备的WLED的LER变化曲线, 从图中可以看出在同一红光膜下, 随着绿光膜的增加, 其相应的LER值先升高后降低, 图12是红光膜为660 nm, 绿光膜波长为525, 530和535 nm所制备的WLED光谱分布曲线, 通过此图进行上述LER变化规律的解释, 从图中可以看出, 在人眼明视觉效率曲线光谱范围内, 光谱能量的高低依次为535 nm> 530 nm> 525 nm, 但是由于535 nm绿光膜制备WLED中处于低视觉效率的蓝光和红光能量偏高, 因此结合式(1)计算, 其LER值低于530 nm绿光膜制备WLED, 因此530 nm绿光膜制备的WLED具有最高的LER值, 与图11和表2展现的规律相匹配。

图11

Fig.11

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	图11 B-G-R模式WLED辐射发光效率Fig.11 LER of WLED based on B-G-R type

图12

Fig.12

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	图12 B-G-R模式下WLED光谱分布曲线(不同波段绿光膜)Fig.12 Spectral distribution curve of WLED based on B-G-R type(green phosphor films with different wavelengths)