CN106960899A - 一种白光led混光方式及制成的发光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种白光LED混光方式及制成的发光装置，属于LED技术领域。一种白光LED混光方式由LED芯片及其激发的单一荧光粉发光进行混光而成。利用LED芯片涂覆单一荧光粉或者透明封装胶制备成不同颜色的封装体，将封装体按照一定的规则焊接在带有印刷电路的PCB板上，分多路电路控制各种颜色的LED发光强度。通过调节多路驱动电源的电流输出比例，实现四种颜色混成的白光的色温连续变化。通过该发光装置可以实现显色指数Ra≥95，R9≥90，色温及光谱从2700K～7000K连续可调的白光输出。并且，由于采用性能稳定的InGaN或GaN系列半导体芯片及高稳定性的荧光粉，所以大大提高了该发光装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及LED技术领域，特别是涉及一种通过LED芯片激发单一荧光粉实现高显色色温连续可调的混光方式，以及由此制成的发光装置。
背景技术
在能源日趋紧张的今天，相对于传统的荧光灯和白炽灯，白光LED作为一种新型的照明光源具有节能、环保、响应时间短、寿命长等显著的优势。当前LED产业正在迅速发展，发光效率逐年上升，价格逐年下降，白光LED正逐渐代替荧光灯和白炽灯，进入家庭照明的市场。同时，LED光源根据其可控性的发展也逐渐进入影视拍摄，植物生长灯等专业市场。
目前一般有三种产生白光LED的方法：(1)采用多种单色LED芯片混合产生白光(如RGB)；(2)利用蓝光或紫外光LED芯片激发荧光粉进行波长转换混合成白光；(3)采用荧光粉涂覆型白光与红光LED混合产生白光。如果只是用静态白光LED来取代传统技术的话，就难以真正发挥固态照明技术的全部潜力，不能充分实现产品的特色化。在智能驱动器支持下，LED照明灯具不仅能取代白光照明，而且还能实现新的功能，而这些功能用传统的照明技术是很难实现的。白光存在着不同的色调，从暖白色到冷白色，其色温数值范围在2700K-6500K，采用固态照明技术，设计人员能从中获得全新的功能，比如调节白光色温，改变环境等。这种新功能的优势包括提高工作单位的效率，使零售环境对顾客变得更有吸引力，从而增加了客流量，并能在酒店服务行业产生一种更有亲和力的光照欢迎效果。此外，还能根据不同的季节、产品、一天中的不同时段等来改变零售环境中的光照效果，从而促进销售工作，而无须对商铺进行大规模改造。色温可调正是固态照明技术的特性之一。
目前，实现白光色温可调的方式基本采用特定荧光粉配比的不同色温白光LED和红光LED组合获得所需色温下高显色LED白光。对于可调色温的高显色白光，采用的方式有暖白光加红绿蓝LED组合、冷白光加红黄绿LED组合、正白光加红绿蓝LED组合和正白光加红蓝4种，可以实现在2700-7000K色温范围内一般显色指数Ra和特殊显色指数R9都大于90的高显色可调色温LED组合白光。但是这些方式其显色指数Ra在2700K-7000K色温范围内，仍不能都达到95以上，其特殊显色指数R9及R12也都仍较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种代替RGB单芯片发光实现色温连续或非连续可调的混光方式，并在色温连续变化中实现高显色指数(Ra≥95，R9≥90)的白光。
同时提供一种白光LED的发光装置。
一种白光LED的混光方法，采用LED芯片及LED芯片激发单一荧光粉制作的两种或两种以上单色光发光体混光而成白光。
所述单色光发光体有四种或四种以上，并采用串联和并联的方式连接后与驱动电路串联形成控制回路，通过控制每种颜色的LED芯片的驱动电源的电流或电压来调节每种颜色的LED发光强度，从而实现发光装置的光谱和色温调节。
所述的单色光发光体制成单色光封装体或多个单色光发光体制成一个混光封装体。
所述多个单色光发光体制成一个封装体通过电流或电压调节发射白光或彩色光。
上述混光方法制作的白光LED发光装置，由LED芯片及LED芯片激发单一荧光粉制作的两种或两种以上的单色光发光体或者多个单色光发光体制成的一个混光封装体固定在印刷电路板上制成。
所述单色光发光体是一种LED芯片涂覆透明胶水或一种LED芯片涂覆一种单一荧光粉与透明胶水的混合物。
所述单色光发光体制成单色光封装体，或者多个单色光发光体制成一个混光封装体；所述混光封装体通过电流或电压调节发射白光或彩色光。
其中用来制作封装体的透明胶水为透光率大于90％，高耐热性，耐UV性能佳的硅胶。
其中，LED芯片包括发光峰值波长位于380nm-420nm近紫外光或紫光LED芯片、发光峰值波长位于440nm-470nm蓝光LED芯片、发光峰值波长位于495nm-530nm绿光LED芯片、发光峰值波长位于580nm-595nm黄光LED芯片、发光峰值波长位于615nm-650nm红光LED芯片。
优选近紫外光或者紫光、蓝光或绿光LED芯片。
其中单一荧光粉包括近紫外光或者紫光LED芯片激发的BaMgAl10O7:Eu、Sr3MgSi2O8:Eu、(Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu体系蓝色荧光粉、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉；蓝光LED芯片激发的LuAG、GaYAG、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉、YAG体系黄色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉。
优选(Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu体系蓝色荧光粉、LuAG、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉。
所述单色光封装体有四种：蓝光LED芯片涂覆透明硅胶制作的单色光封装体、蓝光LED芯片激发红色荧光粉制作单色光封装体、蓝光LED芯片激发绿色荧光粉制作单色光封装体、蓝光LED芯片激发橙色荧光粉制作单色光封装体；白光封装体为蓝光LED芯片涂覆透明硅胶制作的单色光发光体、蓝光LED芯片激发红色荧光粉制作单色光发光体、蓝光LED芯片激发绿色荧光粉制作单色光发光体和蓝光LED芯片激发橙色荧光粉制作单色光发光体制成混光封装体。
其中：蓝色LED芯片为发光峰值波长位于450nm-470nm的InGaN或GaN系列蓝光半导体芯片中的一种；
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：SiAlON:Eu，发射光谱峰值波长在525-550nm，半峰宽在40-60nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm。
其中：蓝色LED芯片为发光峰值波长位于380nm-420nm的InGaN或GaN系列半导体芯片中的一种；
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：SiAlON:Eu，发射光谱峰值波长在525-550nm，半峰宽在40-60nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm。
本发明改变传统的混光模式，由单一封装体发白光改为单一颜色发光体混光后发白光的形式，一个LED芯片上只涂覆一种荧光粉或透明胶水，使其只发单一颜色，将荧光粉配比改为单一颜色发光体个数的选定，使白光LED的发光装置制作更简单；而相对于RGB单芯片的混光模式，具有更高显色。
混光发光体通过电路控制，还可以发彩色光，连续调节，本发明最主要的是目的是发白光。
本发明的优点在于：
1、本发明所需制备的封装体只需要使用硅胶或者硅胶与一种单一荧光粉的混合物涂覆在LED芯片表面，相比白光LED的封装工艺更加简单易行，质量控制更是容易，无需进行分光检测。
2、本发明通过LED芯片激发单一荧光粉制备的发光体的发射光谱，比传统的RGB单芯片的发射光盘具有更宽的半峰宽，所以本发明的白光LED装置在连续色温调节中可以实现完整光谱，从而实现更大的色温变化范围以及在色温变化过程中保持高显色。
3、本发明所使用的封装体可以全部使用蓝光芯片，比传统需要RGB三种芯片的发光系统具有更高稳定性与可靠性。
4、本发明所制作的白光LED装置，其光谱连续性好，接近自然光，即太阳光谱。
5、本发明所制作的白光LED装置，通过合理的混色配光，色温均匀性良好，无光斑。
6、本发明所制作的特殊光谱LED装置，可以随时根据实际需求控制各种颜色的LED的输出电流来实现所需光谱。
附图说明：
图1为本发明实施例1的封装体结构示意图。
图2为本发明实施例1的四种颜色封装体的发射相对光谱图。
图3为本发明实施例1的白光LED装置的结构示意图。
图4为本发明实施例1的控制电路与LED回路连接示意图。
图5为本发明实施例1的白光在色温为3200K及5600K时的典型相对光谱图。
图6为本发明实施例2的白光LED装置的结构示意图。
图7为本发明实施例3的四种颜色封装体的发射相对光谱图。
图8为本发明实施例3的白光在色温为3200K及5600K时的典型相对光谱图。
图9为本发明实施例4的封装体结构示意图。
图10为传统RGBW芯片混色方式在3000K色温时的相对光谱图。
图11为本发明实施例4的白光在3000K色温时的相对光谱图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例结合附图对本发明做进一步详细说明。
所用LED芯片及荧光粉市场上都有售卖，例如CaAlSi(ON)3:Eu体系是三菱化学出售的1113体系荧光粉，SiAlON:Eu体系是电气化学(DENKA)出售的SiAlON体系荧光粉，(Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu体系是三菱化学出售的蓝色荧光粉，LuAG体系是三菱化学出售的绿色荧光粉。
实施例1
如图1所示，本实施方式的封装体装置包括LED芯片1、两个电极2和封装基板3，两个电极分别在封装基板3的两端，用于引出LED芯片1的正负极。
本实施例选用发光峰值波长位于450nm-470nm的InGaN或GaN系列蓝光半导体芯片中的一种，功率约为0.5W。
本实施例选用的荧光粉：
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：Lu3Al5O12:Eu，发射光谱峰值波长在515-530nm，半峰宽在90-120nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm；
首先，将芯片2固定在封装基板1上，芯片两端分别通过金线与基板底部的两个极片连接从而与两个电极到导通。
接着，按一定比例配出分别含有红绿橙三色荧光粉的三种混合胶体以及不加入荧光粉的透明胶体，搅拌均匀，真空脱泡。
进一步地，分别将三种混合胶体均匀涂敷在蓝光LED芯片上方，合理设置其涂覆厚度，保证所涂覆荧光粉能够吸收芯片发出的全部蓝光，使器件发光只显示荧光粉发光特性。将不含荧光粉的透明胶体按照一定厚度涂覆在蓝光LED芯片上方，使器件发光为蓝光LED芯片的发光特性。
四种颜色的封装体的发射光谱如图2所示。
如图3所示，将若干颗四种颜色的封装体按照一定规则焊接到印刷电路板上，每种颜色的LED封装体通过串联和并联的方式连接后与其对应的控制电路串联形成回路，所以共分4路电路控制各种颜色的LED发光强度。四种颜色的LED电路连接示意图如图4所示，本发明的其余实施例的控制电路连接方式与图4一致。
通过调节4路驱动电源的电流或电压输出比例，实现四种颜色混成的白光的色温连续变化。采用积分球测试白光的性能，最优化的电流输出比例及白光的测试结果如表1所示。
从测试结果可以看出，本实施例的白光LED装置可以实现显色指数Ra≥95，R9≥90，色温从2700K～7000K连续可调的白光输出。图5为本实施例的白光在色温为3200K及5600K时的典型光谱。
表1实施例1白光输出测试结果
实施例2
本实施例的白光发光装置包括带印刷电路的基板、LED芯片和LED荧光粉及LED封装胶。
本实施例选用发光峰值波长位于450nm-470nm的InGaN或GaN系列蓝光半导体芯片中的一种，并且单颗芯片的输入功率最高可达18W。
本实施例选用的荧光粉：
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：Lu3Al5O12:Eu，发射光谱峰值波长在515-530nm，半峰宽在90-120nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm；
首先，将若干颗芯片按照一定规则焊接在图6所示的带有印刷电路的基板上，分4路电路控制各种颜色的LED的发光强度。
接着，按一定比例配出分别含有红绿橙三色荧光粉的三种混合胶体以及不加入荧光粉的透明胶体，搅拌均匀，真空脱泡。
进一步地，将三种混合胶体均匀涂敷在部分LED芯片上方，合理设置其涂覆厚度，保证所涂覆荧光粉能够吸收芯片发出的全部蓝光，使器件发光只显示荧光粉发光特性。将其余的LED蓝光芯片上涂覆不含有荧光粉的透明胶，器件显示蓝光LED芯片的发光特性。
通过调节4路驱动电源的电流输出比例，实现四种颜色混成的白光的色温连续变化。采用积分球测试白光的性能，最优化的电流输出比例及白光的测试结果如表2所示。
从测试结果可以看出，本实施例的白光LED装置可以实现显色指数Ra≥95，R9≥90，色温从2700K～7000K连续可调的白光输出。
表2实施例2白光输出测试结果
实施例3
本实施方式的白光发光装置与实施例1所示的发光装置一致。
本实施例选用发光峰值波长位于380nm-420nm的InGaN或GaN系列半导体芯片中的一种，功率约为0.5W。
本实施例选用的荧光粉：
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：SiAlON:Eu，发射光谱峰值波长在525-550nm，半峰宽在40-60nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm；
四种颜色的封装体的发射光谱如图7所示。
通过调节4路驱动电源的电流输出比例，实现四种颜色混成的白光的色温连续变化。采用积分球测试白光的性能，最优化的电流输出比例及白光的测试结果如表3所示。
从测试结果可以看出，本实施例的白光LED装置可以实现显色指数Ra≥95，R9≥90，色温从2700K～7000K连续可调的白光输出。
图8为本实施例的白光在色温为3200K及5600K时的典型光谱。
表3实施例3白光输出测试结果
实施例4(单一发光体制成混光封装体)
本实施方式的单颗封装体装置包括封装支架、LED芯片、红绿橙三种颜色的荧光粉以及封装硅胶。
本实施例选用发光峰值波长位于450nm-470nm的InGaN或GaN系列蓝光半导体芯片中的一种。
本实施例选用的荧光粉：
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm；
绿色荧光粉组成式为：Lu3Al5O12:Eu，发射光谱峰值波长在515-530nm，半峰宽在90-120nm；
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm；
首先，将4颗芯片分别固定在图9所示支架上，各个芯片两端分别通过金线与支架底部的4路电极极片连接从而实现4路分别控制。
接着，按一定比例配出分别含有红绿橙三色荧光粉的三种混合胶体以及不加入荧光粉的透明胶体，搅拌均匀，真空脱泡。
进一步地，将三种混合胶体均匀涂敷在LED芯片上方，合理设置其涂覆厚度，保证所涂覆荧光粉能够吸收芯片发出的全部蓝光，使器件发光只显示荧光粉发光特性。另外一颗芯片涂覆透明胶体。
将若干颗封装体按照一定规则焊接到带有印刷电路板上，每种颜色的LED通过串联与并联的方式连接后与对应的控制电路串联形成回路，分4路电路控制各种颜色的LED发光强度。
通过调节4路驱动电源的电流输出比例，实现四种颜色混成的白光的色温连续变化。采用积分球测试白光的性能，最优化的电流输出比例及白光的测试结果如表4所示。
图10为传统RGBW芯片混色方式在3000K色温时的光谱。图11为本发明通过芯片激发单一荧光粉发光混光在3000K色温时的光谱。图10与图11对比可知本发明的光谱更加连续完整。
表4实施例4白光输出测试结果
以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明，根据本发明构思所作出的任何推演或替换，都应视为属于本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种白光LED的混光方法，采用LED芯片及LED芯片激发单一荧光粉制作的两种或两种以上单色光发光体混光而成白光。
2.根据权利要求1所述的混光方法，所述单色光发光体有四种或四种以上，并采用串联和并联的方式连接后与驱动电路串联形成控制回路，通过控制每种颜色的LED芯片的驱动电源的电流或电压来调节每种颜色的LED发光强度，从而实现发光装置的光谱和色温调节。
3.根据权利要求2所述的混光方法，所述的单色光发光体制成单色光封装体或多个单色光发光体制成一个混光封装体。
4.根据权利要求1－3任所述的混光方法制作的白光LED发光装置。
5.根据权利要求4所述的装置，所述单色光发光体是一种LED芯片涂覆透明胶水或一种LED芯片涂覆一种单一荧光粉与透明胶水的混合物。
6.根据权利要求5所述的装置，所述单色光发光体制成单色光封装体，或者多个单色光发光体制成一个混光封装体；所述混光封装体通过电流或电压调节发射白光或彩色光。
7.根据权利要求5所述的装置，所述透明胶水为透光率大于90％的硅胶。
8.根据权利要求6所述的装置，所述LED芯片为发光峰值波长位于380nm-420nm近紫外光或紫光LED芯片、发光峰值波长位于440nm-470nm蓝光LED芯片、发光峰值波长位于495nm-530nm绿光LED芯片、发光峰值波长位于580nm-595nm黄光LED芯片、发光峰值波长位于615nm-650nm红光LED芯片中的一种或多种。
9.根据权利要求8所述的装置，所述LED芯片为近紫外光或者紫光、蓝光或绿光LED芯片。
10.根据权利要求9所述的装置，所述单一荧光粉为近紫外光或者紫光LED芯片激发的BaMgAl10O7:Eu、Sr3MgSi2O8:Eu、(Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu体系蓝色荧光粉、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉；蓝光LED芯片激发的LuAG、GaYAG、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉、YAG体系黄色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉。
11.根据权利要求10所述的装置，所述单一荧光粉为(Sr,Ba)10(PO4)6Cl2:Eu体系蓝色荧光粉、LuAG、SiAlON:Eu体系绿色荧光粉以及(Ca,Sr)AlSi(ON)3:Eu体系红色荧光粉。
12.根据权利要求11所述的装置，所述单色光封装体有四种：蓝光LED芯片涂覆透明胶水制作的单色光封装体、蓝光LED芯片激发红色荧光粉制作单色光封装体、蓝光LED芯片激发绿色荧光粉制作单色光封装体、蓝光LED芯片激发橙色荧光粉制作单色光封装体；白光封装体为蓝光LED芯片涂覆透明硅胶制作的单色光发光体、蓝光LED芯片激发红色荧光粉制作单色光发光体、蓝光LED芯片激发绿色荧光粉制作单色光发光体和蓝光LED芯片激发橙色荧光粉制作单色光发光体制成混光封装体。
13.根据权利要求12所述的装置，所述蓝色LED芯片为发光峰值波长位于450nm-470nm的InGaN或GaN系列蓝光半导体芯片中的一种；
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm，
绿色荧光粉组成式为：SiAlON:Eu，发射光谱峰值波长在525-550nm，半峰宽在40-60nm，
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm；
或者，蓝色LED芯片为发光峰值波长位于380nm-420nm的InGaN或GaN系列半导体芯片中的一种，
红色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在640-660nm，半峰宽在80-120nm，
绿色荧光粉组成式为：SiAlON:Eu，发射光谱峰值波长在525-550nm，半峰宽在40-60nm，
橙色荧光粉组成式为：CaAlSi(ON)3:Eu，发射光谱峰值波长在605-620nm，半峰宽在65-80nm。
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