CN102760821B - 一种白光led光源 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种白光LED光源，包括金属反射杯、设置在金属反射杯底部的蓝光LED芯片以及置于蓝光LED芯片上方的混合荧光粉，混合荧光粉由黄绿色荧光粉和红色荧光粉构成。本发明以蓝光LED芯片作为激发源，通过选用高光效的稀土铝酸盐基质的黄绿色荧光粉与碱土硅酸盐基质的红色荧光粉进行组合，在显著提升显色指数的同时，获得较高的出光效率，从而实现高光效高显色指数的白光，满足通用照明的技术要求。

Description

一种白光LED光源
技术领域
本发明涉及一种白光LED光源。
背景技术
二十世纪九十年代，日本日亚公司研制成功高效蓝光LED，并报道了以Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)黄光发射荧光作为光转换材料，与GaN蓝光LED组合而成的白光LED，由于其具有小型化、长寿命、无汞以及节能等优点，因而被誉为将超越白炽灯、荧光灯和HID灯的新型无污染绿色固态照明光源。
以GaN蓝光LED和Y3Al5O12:Ce3+(YAG:Ce)黄光发射荧光粉作为光转换材料实现的白光的技术方案已成为当前白光LED的主流，并且日益受到世界各国研究人员的关注，并且获得了广泛的应用。但是在用于普通照明领域或是对色彩还原要求很高的场合，该中技术方案仍存在明显不足。由于该种白光光源的光谱构成中缺少红色光而导致显色性较低，显色指数(CRI)为70～75，尤其是低色温(低于5000K)时，CRI只能达到65左右，难以满足实际使用要求，严重制约了白光LED在普通照明领域的推广和应用。
为了解决这个问题，有人提出了向YAG荧光粉中加入红色荧光粉的方法以提高显色指数(Ra)的目的。专利WO01/24229A2提出了蓝光激发的碱土硫化物系列荧光粉，尽管硫化物荧光粉发光效率较高且可使得显色指数有所改善，但是由于其化学稳定性差，工作过程中易发生分解，严重时甚至会腐蚀芯片和金线，导致整个期间失效，难以进入实际应用。研究人员又采用氮氧化合物红色荧光粉替代硫化物荧光粉，该种荧光粉发光效率高，化学稳定性较高，但是由于激发光谱几乎覆盖了整个黄绿光波段，因而导致制成的白光LED光源光效显著下降，下降幅度达30％以上。
发明内容
针对现有白光LED在光效和显色性方面存在的不足，本发明提供了一种高光效高显色白光LED光源。
本发明的技术方案是：以蓝光LED芯片作为激发源，采用铝酸盐黄绿光发射荧光粉与碱土硅酸盐红光发射荧光粉进行组合，通过硅酸盐红粉来加强光谱中的红光波段，从而实现高显色白光LED。
本发明的白光LED光源，包括金属反射杯、设置在金属反射杯底部的蓝光LED芯片以及置于蓝光LED芯片上方的混合荧光粉，所述混合荧光粉由黄绿色荧光粉和红色荧光粉构成，其特征在于，所述黄绿色荧光粉结构式为：(Lu1-s-(x+y)/3A’s)3Al5O12:Cex，A”y，其中，A’为La、Y、Gd或Tb中的至少一种，A”为Pr、Dy、Sm中的至少一种；0.0005≤s<0.1，0.005≤x≤0.15，0≤y≤0.08；
所述红色荧光粉化学结构式为(Ba1-z-(a+b)/3B’z)3SiqO(3+2q):Eua,B”b，其中，B’为Sr、Ca、Mg或La中的任意一种，B”为Ce、Cr、Pr或Sm中的任意一种，0.001≤a≤0.2，0≤b≤0.03，1≤q≤1.5，0≤z≤0.5；
所述黄绿色荧光粉发射主峰为520～550nm，红色荧光粉的发射主峰为590～610nm；黄绿色荧光粉与红色荧光粉的质量比为65:35～95:5，通过调节两种荧光粉的质量比即可调节出不同色调的白光。通常所谓的正白光指的是色温在5000～8000K范围内的白光；暖白光指的是色温在2500～4500K范围内的白光。
所述蓝光LED芯片的发射主峰为440～470nm。
所述白光LED光源中，混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式有以下几种：
(a)将混合荧光粉分散在封装胶中，再填充到金属反射杯中；
(b)将混合荧光粉固化到封装胶中形成胶饼，将胶饼置于金属反射杯中，胶饼不与蓝光LED芯片接触；
(c)将混合荧光粉直接涂覆到蓝光LED芯片的表面。
所述的封装胶为硅胶或环氧树脂。
方案(b)中，胶饼不与蓝光LED芯片接触可以通过两种方法实现：①胶饼与蓝光LED芯片之间是空心的；②在胶饼与蓝光LED芯片之间填充透明材料，如玻璃、陶瓷、石英、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯、聚酯树脂、聚酰氨树脂、有机硅或环氧树脂。
所述黄绿色荧光粉和红色荧光粉均是采用本领域公知的高温固相法制备而成，通常包括以下步骤：
(1)选取化学结构式中所含的元素的氧化物、碳酸盐、硝酸盐或其他化合物作为原料；
(2)将所需各种原料混合均匀后，置于高温炉中进行焙烧，加热温度范围为1100～1600℃，保温时间为2～20h。
(3)将出炉的烧成产物进行破碎、过筛分级、洗涤、表面改性、干燥等工艺处理后，最终得到所需的荧光粉。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
(1)通过选用高光效的稀土铝酸盐基质的黄绿光发射荧光粉与碱土硅酸盐基质红粉进行组合，配合蓝光LED芯片，可以在显著提升显色指数的同时，获得较高的出光效率。
(2)本发明采用的铝酸盐绿粉，具有较高的发射效率，同时因其带宽达到110nm，有效保证了黄绿光波段的光谱强度。同时该种绿粉较现有市场上的(Ba1-x,Srx)2SiO4:Eu绿粉具有更好的化学稳定性，确保了器件的使用寿命。
(3)本发明选用的硅酸盐红粉，具有较高的发光效率，较现有氮化物红粉在光谱匹配度方面具有明显优势，其激发光谱覆盖了220～500nm，有效避免了红粉对500～580nm波段的再吸收，确保了最终白光LED器件的发光效率，较添加氮氧化合物红粉制作的高显色白光LED在光效方面具有明显优势。
(4)蓝光LED芯片－YAG体系的另一个缺点是，LED的颜色输出(光谱分布及峰值波长)会随LED活性层的带隙宽度和加在LED上的功率而变化。目前LED芯片在生产期间，总会有一定比例的LED是用实际带隙宽度大于和小于所需宽度的活性层制作的，因此LED的颜色输出存在一定的波动范围，这也会引起最终白光LED的光色变化。本发明由于采用了双组分荧光粉配合蓝光芯片，可在一定程度上降低最终白光的色彩波动幅度，有利于提升生产白光LED生产的良率。
(5)本发明公开的白光LED光源较现有白光LED光源，不仅具有很高的流明效率，同时显色指数(CRI)有了明显提升。在5000～5500K时，CRI达到80以上(现有白光LED的CRI为65～72左右)，在2700～4000K时，CRI平均达到75～85(现有白光LED的CRI为65左右左右)。
附图说明
图1本发明白光LED光源的发光原理示意图。
图2本发明实施例1的白光LED光源的截面结构示意图。
图3本发明实施例2的白光LED光源的截面结构示意图。
图4本发明实施例4的白光LED光源的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图，对本发明作进一步说明。
图1为本发明白光LED光源的发光原理示意图。蓝光LED芯片1发出的蓝光，一部分蓝光2激发芯片上方的混合荧光粉4，混合荧光粉受激发后发出由黄绿光5和红光6组成的混合光，这部分混合光与透射的部分蓝光3混合，最终获得肉眼所能感知到的白光7。
实施例1
选用发射主峰处于455～457.5nm的氮化镓蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.94La0.009Al5O12:Ce0.05,Dy0.006，发射主峰为530nm；红色荧光粉的化学结构式为Ba2.67Sr0.3Si1.1O5.2:Eu0.03，发射主峰为605nm，这两种荧光粉的质量比为87:13。将混合荧光粉均匀分散在环氧树脂中调成荧光粉胶，然后填充到底部中心设有蓝光芯片的金属反射杯中，覆盖在芯片表面。其截面结构示意图如图2所示。该光源的白光光学数据见表1。
如图2所示，蓝光LED芯片1发出的蓝光一部分激发分散在其上方的混合荧光粉2，另一部分从混合荧光粉2颗粒的间隙中透射出去，与荧光粉发出的混合光再次混合得到白光。
实施例2
选用发射主峰处于455～457.5nm的GaN蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.86Tb0.06Al5O12:Ce0.07,Pr0.015，其发射主峰为538nm，红色荧光粉的化学结构式为Ba2.90Mg0.05Si1.2O5.4:Eu0.05,Ce0.002,其发射主峰为605nm。这两种荧光粉的质量比为81:19。将混合荧光粉均匀固化到环氧树脂中制成荧光粉胶饼，在金属反射杯中填充一层环氧树脂，再将荧光粉胶饼置于其上方。截面结构示意图如图3所示。该白光光源的白光光学数据见表1。
如图3所示，蓝光LED芯片1发出的蓝光一部分激发胶饼3中的荧光粉颗粒2产生黄绿光和红光的混合光，另一部分从荧光粉颗粒的间隙中透射出去，与荧光粉发出的混合光再次混合得到白光。
实施例3
选用发射主峰处于455～457.5nm的GaN蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.94La0.009Al5O12:Ce0.05,Dy0.006，其发射主峰为526nm，红色荧光粉的化学结构式为Ba2.869Ca0.1Si1.3O5.6:Eu0.03,Cr0.001，其发射主峰为608nm。这两种荧光粉的质量比为84:16。将混合荧光粉均匀分散在硅胶中，填充到金属反射杯中。其截面结构示意图如图2所示。该光源的白光光学数据见表1。
实施例4
选用发射主峰处于460～465nm的GaN蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.97La0.01Al5O12:Ce0.02,Cr0.003，其发射主峰为526nm，另一种荧光粉的化学结构式为Ba2.85Sr0.05La0.012Si1.1O5.2:Eu0.08,Pr0.0035，其发射主峰为609nm。这两种荧光粉的质量比为72:28，将混合荧光粉涂覆到金属反射杯中的蓝光LED芯片表面。截面结构示意图如图4所示。
如图4所示，蓝光LED芯片1发出的蓝光一部分激发芯片表面混合荧光粉2产生黄绿光和红光的混合光，另一部分从荧光粉颗粒间隙中透射出去，与荧光粉发出的混合光再次混合得到白光。
实施例5
选用发射主峰处于465～470nm的GaN蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.89Y0.01Al5O12:Ce0.09,Pr0.006，其发射主峰为533nm，红色荧光粉的化学结构式为Ba2.55Sr0.26Mg0.03Si1.1O5.2:Eu0.16,Sm0.0035，其发射主峰为605nm。这两种荧光粉的质量比为68:32。混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式与实施例2相同。其截面结构示意图如图3所示。
实施例6
选用发射主峰处于465～470nm的GaN蓝光芯片，采用的混合荧光粉由两种具有不同发射光谱的荧光粉构成。其中黄绿色荧光粉的化学结构式为Lu2.87Yb0.0012Al5O12:Ce0.12,Sm0.006，其发射主峰为528nm，红色荧光粉的化学结构式为Ba2.66Sr0.25Si1.4O5.8:Eu0.09,其发射主峰为608nm。这两种荧光粉的质量比为71:29，混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式与实施例4相同，其截面结构示意图如图4所示。
对比例1
选用发射主峰处于455～457.5nm的氮化镓蓝光芯片，采用YAG系黄色荧光粉，成分为Y2.94Al5O12:Ce0.06，其发射主峰为571.4nm，将荧光粉均匀分散在硅胶中，再填充到底部中心设有蓝光LED芯片的金属反射杯中，覆盖在芯片表面。其截面结构示意图如图2所示。该光源的白光光学数据见表1。
对比例2
选用发射主峰处于455～457.5nm的氮化镓蓝光芯片，采用YAG黄色荧光粉和CASN红色荧光粉组合，其中YAG黄色荧光粉成分为Y2.95Al4.8Ga0.2O12:Ce0.05，其发射主峰为545nm，CASN红色荧光粉成分为Ca0.9AlSiN3:Eu0.1，发射波长为651nm，YAG黄粉和CASN红粉质量比为93:7，将两种荧光粉固化到环氧树脂中制成荧光粉胶饼，置于金属反射杯中蓝光芯片的上方，荧光粉胶饼与氮化镓蓝光芯片之间是空心的。其截面结构示意图如图3所示。该光源的白光光学数据见表1。
对比例3
选用发射主峰处于455～457.5nm的氮化镓蓝光芯片，采用YAG黄色荧光粉和硅酸盐橙红色荧光粉组合，其中YAG黄色荧光粉成分为Y2.94Al5O12:Ce0.06，其发射主峰为571.5nm，硅酸盐橙红色荧光粉的成分为Sr2.97SiO5:Eu0.03,发射主峰为586.4nm，YAG黄粉和硅酸盐橙红粉质量比为62:38。将混合荧光粉均匀分散在硅胶调成荧光粉胶，填充到金属反射杯中。其截面结构如图2所示。该光源的白光光学数据见表1。
对比例4
选用发射主峰处于455～457.5nm的氮化镓蓝光芯片，采用YAG黄色荧光粉和CASN红色荧光粉组合，其中YAG黄色荧光粉成分为Y2.94Al5O12:Ce0.06，其发射主峰为571.5nm，CASN红色荧光粉成分为Ca0.9AlSiN3:Eu0.1，发射波长为651nm，YAG黄粉和CASN红粉质量比为：16:84，将混合荧光粉均匀固化到硅胶中制成荧光粉胶饼，在蓝光芯片上方填充一层硅胶，再将荧光粉胶饼置于其上。其截面结构如图3所示。该光源的白光光学数据见表1。
表1正白光LED光学性能指标对比
从表1数据可以看出，当色温为5000K左右的正白光时，对比例1的光效最高，但显色指数Ra只有72，对比例2由于采用了氮化物红粉，显色指数Ra达到81，但效率下降显著，降幅达28％。实施例1～3的显色指数Ra均达到80以上，同时光效均达到90Lm/W左右，较对比实施例1光效平均降幅约为12％，其中实施例3的效率相对最高。
表2暖白光LED光学性能指标对比
从表2数据可以看出，当色温为3000K左右的暖白光时，对比实施例3为的光效最高，显色指数Ra只有63，对比实施例4由于采用了氮化物红粉，显色指数Ra达到81.4，但光效较对比实施例3下降显著，降幅达30％。实施例4～6的显色指数Ra均达到80以上，同时光效均达到80Lm/W左右，光效较对比实施例3降幅约为15％。
结合表1和表2的测试结果可以看出，本发明的白光LED光源在提升显色指数的同时，仍具有较高的出光效率。

Claims (5)

1.一种白光LED光源，包括金属反射杯、设置在金属反射杯底部的蓝光LED芯片以及置于蓝光LED芯片上方的混合荧光粉，所述混合荧光粉由黄绿色荧光粉和红色荧光粉构成，其特征在于，
所述黄绿色荧光粉结构式为：(Lu1-s-(x+y)/3A’s)3Al5O12:Cex，A”y，其中，A’为La、Y、Gd或Tb中的至少一种，A”为Pr、Dy、Sm中的至少一种；0.0005≤s<0.1，0.005≤x≤0.15，0≤y≤0.08；
所述红色荧光粉化学结构式为：(Ba1-z-(a+b)/3B’z)3SiqO（3+2q）:Eua,B”b，其中，B’为Sr、Ca、Mg或La中的任意一种，B”为Ce、Cr、Pr或Sm中的任意一种，0.001≤a≤0.2，0≤b≤0.03，1≤q≤1.5，0≤z≤0.5；
所述黄绿色荧光粉发射主峰为520～550nm，红色荧光粉的发射主峰为590～610nm；黄绿色荧光粉与红色荧光粉的质量比为65:35～95:5。
2.如权利要求1所述的白光LED光源，其特征在于，混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式为：将混合荧光粉分散在封装胶中，再填充到金属反射杯中。
3.如权利要求1所述的白光LED光源，其特征在于，混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式为：将混合荧光粉固化到封装胶中形成胶饼，将胶饼置于金属反射杯中，胶饼不与蓝光LED芯片接触。
4.如权利要求2或3所述的白光LED光源，其特征在于，所述的封装胶为硅胶或环氧树脂。
5.如权利要求1所述的白光LED光源，其特征在于，混合荧光粉置于金属反射杯内部的方式为：将混合荧光粉直接涂覆到蓝光LED芯片的表面。
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