引用本文
曹丽, 郑紫珊, 张宏, 梁培, 邾强强, 王乐. 植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2021,41(4): 1060-1065.
CAO Li, ZHENG Zi-shan, ZHANG Hong, LIANG Pei, ZHU Qiang-qiang, WANG Le. Phosphor-Converted White Light-Emitting Diodes for Plant Lighting[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021,41(4): 1060-1065.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2021)04-1060-06  
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植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究
曹丽, 郑紫珊, 张宏*, 梁培, 邾强强, 王乐*
中国计量大学光学与电子科技学院, 浙江 杭州 310018
*通讯作者 e-mail: calla@cjlu.edu.cn; zhanghong@cjlu.edu.cn

作者简介: 曹 丽, 女, 1995年生, 中国计量大学光学与电子科技学院研究生 e-mail: 1512078450@qq.com

收稿日期: 2020-03-31 修订日期: 2020-07-16
基金: 浙江省省杰出青年基金项目(LR19F050001); 国家重点研发计划项目(2017YFB0403100, 2017YFB0403105); 国家自然科学基金项目(61575182, 51832005); 浙江省公益技术应用研究计划项目(2018C37042)资助
摘要

LED具有效率高、 体积小、 功耗低、 寿命长等优点, 并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性, 在植物照明领域崭露头角。 植物照明用LED分为两大类, 一类是单色光LED, 另一类是白光LED, 其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。 植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现, 即荧光粉转换型白光LED, 但是光谱集中于可见光偏蓝, 对植物进行光合作用的效率不明显。 植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的, 基于植物光合作用吸收光谱的特殊性, 将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准, 其平均显色指数Ra, 特殊显色指数R9(饱和红光), R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。 为设计出植物进行生长发育所需要的、 性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED, 选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料, 选用(Sr, Ca)AlSiN3为红色颜色转换材料, 并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉, 并进行了光谱性能分析。 通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、 红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数, 在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN3和YAGG荧光粉组合, 实现了白光LED的光学仿真模型, 研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。 用蓝光LED芯片、 (Sr, Ca)AlSiN3以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。 通过将Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备, 获得了Ra=91.2, R9=96.1, R12=78.9, 光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。

关键词: 白光LED; 植物照明; 光谱调控; R9; R12
中图分类号:TN312.8 文献标志码:A
Phosphor-Converted White Light-Emitting Diodes for Plant Lighting
CAO Li, ZHENG Zi-shan, ZHANG Hong*, LIANG Pei, ZHU Qiang-qiang, WANG Le*
College of Optics and Electronic Science and Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China
*Corresponding authors
Abstract

LED has the advantages of high efficiency, small size, low power consumption, long life and son on, and it can easily achieve wide spectral regulation, which makes it stand out in the field of agriculture. Plant-growth light-emitting diodes (LEDs) can be divided into two categories, one is monochromatic LED, and the other is a White light-emitting diode (WLED), WLEDs used for plant growth are either mixed with monochromatic LED or used alone to realize plant supplementary lighting. Most of the WLEDs on plant growth is composed of a blue LED chip or a UV LED chip packed with phosphors, that is, phosphor-converted WLEDs, however, the obtained spectra are concentrated in the bluish visible light, and the efficiency of photosynthesis to plants is relatively poor. The absorption spectra of the plant are not full-band but selective, based on the particularity of the absorption spectra of plant, the color rendering performance of the spectra of WLEDs is regarded as the standard to judge whether the spectra are suitable for plant growth, the average color rendering index Ra, special color rendering index R9 (saturated red light) and R12 (saturated blue light) were considered as the main performance evaluation parameters of WLEDs on plant growth. In order to design WLEDs with good performance and can be used in the field of agriculture, common commercial YAGG was selected as green color conversion material and (Sr, Ca)AlSiN3 was selected as red color conversion material. (Sr, Ca)AlSiN3 red phosphors were prepared by traditional high temperature solid state method and the spectral performance was analyzed. By importing the built LED structure models into the simulation software LightTools and introducing the characteristic parameters of green phosphor particles, red phosphor particles and blue chip respectively, the simulation models of WLED were built based on a single blue LED chip (450 nm) and two blue LED chips (450+470 nm) separately , the color rendering performance of the spectral power distribution of WLEDs under different correlated color temperature was studied under the two excitation modes. In order to verify the difference of the color rendering index of the spectra obtained by the two excitation modes, WLEDs were prepared by combining (Sr, Ca)AlSiN3 and YAGG phosphors. Eventually, a real WLED was encapsulated by coating the combination of Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶0.08Eu2+and YAGG phosphors on two blue chips and led to an optimal spectrum of Ra=91.2, R9=96.1, R12=78.9, LER=126 lm·W-1 which contains the blue and red light needed for plant growth.

Keyword: WLED; Plant lighting; Spectral regulation; R9; R12
引言

植物的生长发育是一个非常复杂的生命过程, 不仅取决于植物自身的遗传特性, 还受到外界环境的影响。 光作为植物生长发育最基本的元素之一, 可以为植物光合作用、 开花结果过程提供能量[1, 2, 3]。 为了研究各个光谱波段对植物的不同影响, 研究者进行了大量的研究, 并取得了许多令人满意的结果。 据报道, 450 nm附近的蓝光可以影响光合作用, 660 nm附近的红光可能有助于向光性, 730 nm附近的远红光可以促进光形态建成[4, 5, 6, 7]。 LED灯因具有节能环保、 发光效率高、 发热量低、 体积小、 寿命长、 光质可调等优点[8, 9, 10, 11], 在植物照明领域优势明显并且逐渐替代了传统的灯具, 并且许多植物用混色LED灯具已经被很好的用于植物照明。 LED植物光源大致可以分为两种类型, 一种是专门用作植物照明的单色光LED组合型, 另一种是紫外/蓝光LED芯片与荧光粉组合型。 针对植物中叶绿素的吸收光谱与红光、 蓝光的光谱能量分布的一致性, 研究者们认为将红、 蓝光LED光源组合可以加快植物的生长发育, 张帅等[12]研究了不同红蓝光质配比的LED光源对生菜的生长, 分析结果表明对生菜生长最有利的光质是R∶ B=4∶ 1。 另一类型的LED植物光源为荧光粉转换型白光LED, 因其制备简单成本低而在植物工厂被普及, 邓建昆等[13]采用高温熔融造粒的方式制备了不同质量分数的CaAlSiN3∶ Eu2+, 并测试了用其封装的LED灯管对于生菜的种植效果, 实现了普通白光LED灯管到植物LED的简单快速转换。 Lin等[14]通过用RB, RBW (RB and White) LED、 荧光灯三种不同光质研究其对生菜中叶绿素、 类胡萝卜素、 可溶性蛋白质和糖以及硝酸盐含量的影响, 结果表明补充光质可以战略性地用于提高RBW LED灯下生长的生菜的营养价值。 韩涛等[15]借用“ 显色性” 的概念, 利用莴苣在红蓝光波段的高吸收带以及在在绿黄光区几个微弱的吸收带将适合植物生长光定义为具有良好显色性的光, 并用蓝光LED芯片与复合荧光粉相结合制成了各种颜色的LED, 并将其对莴苣进行光照处理, 结果表明在光谱包括红黄蓝光(red-yellow-blue)的处理下植株生长明显较大, 验证了植物生长光是具有良好显色性的光的假设。 但是目前还没有研究者从特殊显色指数R9和R12探讨过白光LED在植物照明领域的应用问题。

本文考虑到植物照明用白光LED光谱对R9和R12的需求, 制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉, 优选出Sr掺杂量为x=0.8的红色荧光粉与绿色荧光粉YAGG基于蒙特卡罗光追迹法搭建了单蓝光芯片和双蓝光芯片的仿真模型, 模拟得到不同色温下的光谱功率分布, 并结合封装分析讨论了不同激发模式对白光LED显色性能的影响。

1 实验部分
1.1 理论封装

白光LED光谱的模拟是基于蒙特卡罗光线追迹方法建立的, 白光LED模型由反光杯底座、 蓝光LED芯片、 荧光粉胶层和透镜系统组成, 荧光粉颗粒悬浮在荧光粉胶层中, 部分绿色和红色荧光粉受蓝光芯片出射的蓝光激发进行光致发光的过程转换成对应荧光粉颜色的光与未被吸收的蓝光混合实现白光LED。 导入的荧光粉的特性数据有激发光谱、 发射光谱、 吸收光谱以及荧光粉的粒径分布, 蓝光LED芯片设置为朗伯光源。

1.2 封装方法与测试

采用点涂法完成白光LED的封装, 通过调节红色荧光粉、 绿色荧光粉以及封装胶的比例, 将其混合物点涂在InGaN基蓝光芯片或InGaN基双蓝光芯片上, 放置于LED光电烤箱进行烘干及后续处理。 采用远方光电ATA-500 LED光电分析测量系统以及HAAS2000光谱辐射计对烘烤后的白光LED进行相关色温、 显色指数、 光谱辐射光效等数据的测试。

1.3 荧光材料的选择

采用传统高温固相法以Ca3N2 (99%), Si3N4 (92%), AlN (99.9%), EuN (99%)作为原始材料烧结合成了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉, 其XRD请参见课题组前期工作[16]。 图1(a)是用日立FL-4500荧光分光光度计测得的SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+(x=0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8和0.9)荧光粉的光致发光光谱图, 在450 nm的蓝光激发下, 随着Sr掺杂含量比例x从0.1到0.9, 发射峰峰位发生蓝移(654~623 nm)。 图1(b)为Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+的荧光光谱图。 表1为在不同Sr掺杂量下SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉发射光谱峰位(λ em)与半高宽(FWHM)两个特征参量的数据, 由表可知, SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉发射光谱的FWHM随着Sr含量的增加呈现先增加后减小的趋势, 其中Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉的发射峰为632 nm, 半峰全宽为92 nm。 x=0.8时, SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉发光强度呈现最大值且通过将不同Sr掺杂量的SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+以及YAGG的光谱特性数据导入到单芯片的光谱模型中发现x=0.8时光谱显色性能最佳, 所以Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉被选为红色颜色转换材料, 常见商用绿粉YAGG选为绿色颜色转换材料, 其发射峰波长为528 nm, FWHM为73 nm。

图1 (a) SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉发射光谱图; (b) Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+的发射光谱和激发光谱图Fig.1 (a) The emission spectrum of SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+(Ex=450 nm); (b) Fluorescence spectrum of Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+

表1 不同Sr掺杂量SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+荧光粉的光谱特性数据 Table 1 Data of spectral characteristic parameters of SrxCa0.92-xAlSiN3∶ 0.08Eu2+ phosphors with different Sr doping amounts
2 结果与讨论
2.1 仿真结果与分析

为设计出植物生长需要的光质, Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+、 商用YAGG被选为颜色转换材料组合, 在Light-Tools软件中分别搭建了用单芯片和双蓝光芯片激发混合荧光粉层从而实现白光LED的光谱调控模型如图2所示。图3和图4分别为在色度距离满足Duv< 0.0054的条件下基于单芯片和双芯片光谱调控模型, 通过调控红粉和绿粉的体积分数模拟得到的不同色温的光谱功率分布图, 从图中可以看出相比单芯片激发模式双芯片模拟得到的光谱更接近全光谱, 其中更可能具有植物生长所需的光质。 双芯片模式下模拟得到的不同色温光谱的显色指数以及红粉和绿粉的体积分数配比展示在表2中, 从表中可以看出在Sr掺杂含量为0.8时, 该配色方案获得的光谱具有较高的R9和R12值。 为了比较双芯片和单芯片激发荧光粉转换的白光LED光谱的性能差异, 本文进一步设计了用双蓝光LED芯片激发荧光粉层的光谱调控模型, 其与单芯片调控模型的区别在于其有两个峰值波长不同的LED芯片作为激发光源, 一个中心波长是450 nm, 另一个中心波长是470 nm, 表3为不同色温CCT下单芯片与双芯片激发混合荧光粉层模拟得到的光谱的特殊显色指数(R9、 R12)的对比。

图2 光谱调控模型Fig.2 Spectral regulation model

图3 不同色温条件下单芯片激发混合荧光粉层模拟得到的光谱功率图(Duv< 0.005 4)Fig.3 Simulated spectral graphs under different CCTs based on one-chip spectral regulation model

图4 不同色温条件下双芯片激发混合荧光粉层模拟得到的光谱功率图 (Duv< 0.005 4)Fig.4 Simulated spectral graphs under different CCTs based on two-chip spectral regulation model

表2 不同色温条件下双芯片激发模式模拟得到的光谱的显色指数 (Duv< 0.005 4) Table 2 Color rendering indexes of simulated spectra under different CCTs based on two-chip spectral regulation model (Duv< 0.005 4)
表3 不同色温下单芯片与双芯片模拟得到的光谱的特殊显色指数(R9, R12)的对比 Table 3 Comparison of R9 and R12 of simulated spectra

从表3可以发现, 对比单芯片模拟光谱的显色性能, 双芯片激发Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+和YAGG荧光粉组合得到的光谱其饱和红光R9以及饱和蓝光R12都有较大的提高, 其中当色温为4 400 K时, R9=96, R12=76, 该光谱具有高饱和红光显色指数R9, 可高效提供植物生长所需的红光光谱成分。

2.2 封装结果与分析

采用CaAlSiN3∶ Eu2+和YAGG荧光粉组合研究了单芯片和双芯片封装WLED的显色性能的差异, 图5(a)为单芯片与双芯片封装得到的WLED显色性能在不同色温下的对比趋势图; 图5(b)为封装获得的WLED光谱光效LER在不同色温下的对比趋势图。 其中, CaAlSiN3红色荧光粉发射光谱峰位为650 nm, 半高宽为88 nm; YAGG绿粉发射峰位为530 nm, 半高宽为73 nm。 由图5可以直观的分析出, 相同色温下双芯片封装得到的WLED光谱显色指数Ra略优于单芯片封装模式, 单芯片封装的WLED光谱光效要高于基于双芯片的光谱封装结果, 这可能是因为双芯片的工作电流是单芯片工作电流的两倍, LED工作电流增大导致LED结温增大进而导致其光效的下降, 但是基于双芯片封装的WLED光谱具有的特殊显色指数(R9、 R12)均高于基于单芯片的光谱封装结果。 采用Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+、 YAGG组合基于双芯片模式进一步制备出了白光LED, 如图6所示为测试得到的白光LED的光谱, 从图可以看出白光LED在CCT为4000K时表现出较好的显色性能, Ra=91.2, R9=96.1, R12=78.9, LER=126 lm· W-1, 其在CIE 1931色度图上的(x, y)坐标如插图所示, 与模拟得到的光谱数据吻合度较高, 进一步体现了双蓝光LED芯片激发模式下获得的白光LED表现出优异的性能。

图5 不同色温下基于单芯片和双芯片WLED的显色指数对比图(a)和光效对比图(b)Fig.5 Comparison of the (a) Ra, R9, R12 and (b) LER

图6 双蓝光LED芯片封装获得的白光LED封装光谱图Fig.6 Spectrum packaged by using two blue LED chips

3 结论

通过高温固相反应法合成了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN3荧光粉, 当x值为0.8时, Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+的结构比较稳定, 且发光强度达到最大值, 分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+和YAGG荧光粉混合物的光谱调控模型, 其中Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+峰值发射波长为632 nm, 半高宽(FWHM)为92 nm, 商用YAGG绿色荧光粉发射峰波长为528 nm, 半高宽(FWHM)为73 nm, 通过改变红、 绿荧光粉体积分数, 分别在两种激发模式下模拟了色温在3 000~7 000 K范围内的白光LED光谱, 并将两种模式下的光谱特殊显色指数R9、 R12进行了差异性对比, 结果表明不同色温下双芯片激发荧光粉组合得到的光谱的R9、 R12基本上均高于单芯片的结果。 分别采用单芯片和双芯片为激发光激发CaAlSiN3∶ Eu2+和YAGG荧光粉组合, 封装对比了WLED的光色性能的变化, 结果显示双芯片封装光谱在R9、 R12上明显提高。 进一步地, 采用Sr0.8Ca0.12AlSiN3∶ 0.08Eu2+和YAGG的混合物和双蓝光LED芯片封装获得白光LED器件, 其CCT=4 000 K, Ra=91.2, R9=96.1, R12=78.9, LER=126 lm· W-1, 与模拟光谱的数据较好吻合, 为植物照明用白光LED的设计提供了一种新的思路, 同时也对后续根据模拟光谱功率分布对白光光谱的光色性能参数的研究具有一定的参考价值。

参考文献
[1] Yun Y J, Kim J K, Ju J Y, et al. Phys. Chem. Chem. Phys. , 2017, 19: 11111. [本文引用:1]
[2] Song Z, Xu Y, Li C, et al. Ceramics International, 2013, 39(3): 2821. [本文引用:1]
[3] Chen J Y, Zhang N M, Guo C F, et al. ACS Applied Materials & Interfaces, 2016, 8(32): 20856. [本文引用:1]
[4] Sun Q, Wang S, Balaji D, et al. RSC Advances, 2018, 8(50): 28538. [本文引用:1]
[5] Liang J, Devakumar B, Sun L L, et al. Ceramics International, 2019, 45(4): 4564. [本文引用:1]
[6] Shi L, Han Y J, Ji Z X, et al. Journal of Materials Science-Materials In Electronics, 2019, 30(16): 15504. [本文引用:1]
[7] Xiang J M, Chen J Y, Zhang N M, et al. Dyes and Pigments, 2018, 154: 257. [本文引用:1]
[8] Deng J, Zhang H, Zhang X, et al. Journal of Materials Chemistry C, 2018, 6(7): 1738. [本文引用:1]
[9] Li M C, Zhang H R, Zhang X J, et al. Materials Research Bulletin, 2018, 108: 226. [本文引用:1]
[10] Long J Q, Yuan X Y, Ma C Y, et al. RSC Advances, 2018, 8(3): 1469. [本文引用:1]
[11] Li M C, Zhang X J, Zhang H R, et al. Journal of Materials Chemistry C, 2019, 7(12): 3617. [本文引用:1]
[12] ZHANG Shuai, SHANG Sheng, LIANG Yi-qian, et al(张帅, 尚胜, 梁依倩, 等). China Illuminating Engineering Journal(照明工程学报), 2016, 27(5): 72. [本文引用:1]
[13] DENG Jian-kun, CHEN Yan-ke, CHEN Zhi-jie, et al(邓建昆, 陈燕科, 陈智杰, 等). Chinese Journal of Luminescence(发光学报), 2017, (9): 1185. [本文引用:1]
[14] Kuan-Hung Lin, Meng-Yuan Huang, Wen-Dar Huang, et al. Scientia Horticulturae, 2013, 150: 86. [本文引用:1]
[15] Han T, Vaganov V, Cao S, et al. Scientific Reports, 2017, 7: 45944. [本文引用:1]
[16] Zhu J, Wang L, Zhou T, et al. Journal of Materials Chemistry C, 2015, 3(13): 3181. [本文引用:1]