白光LED在100℃下工作時發光效率只降低3%左右。要求白色LED具有“溫度穩定性”是為了使發光效率在實際使用環境下不發生大幅變化。
白色LED目錄值的發光效率大多是在25℃的環境溫度下,施加脈沖狀電流測量所得。此時,藍色LED芯片發光部的溫度(接合溫度)約為25℃。不過,實際用于產品中時,接合溫度會上升至85~100℃。在普通白色LED中,溫度上升后的發光效率與25℃時相比會降低10~15%。
在部分最新產品中,已經有抑制了發光效率變化的品種。例如,飛利浦流明的照明用途白色LED在接合溫度為100℃時,其發光效率只比25℃時降低3%左右。為提高散熱性,將LED芯片在陶瓷基板上進行倒裝芯片封裝,另外,為減輕溫度對內部量子效率的影響,還采用了量子阱構造等。
夏普2011年3月開始供貨的照明用白色LED,其發光效率隨溫度發生的變化也比較小(圖1)。盡管輸入功率高達25W,降低接合溫度比較困難,但在白色LED表面溫度(外殼溫度)為70℃時,其發光效率和光通量與25℃時相比只下降了5~6個百分點。該公司表示,與其他公司的同等產品相比,將降幅控制在約一半。通過采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等,實現了較高的溫度穩定性。
圖1:減弱熒光材料性能的溫度依賴性
“顯色指數”是將白色LED作為普通照明器具光源廣泛應用基礎之上的重要指標。目的是為了與原光源不產生不協調感。此前,白色LED的顯色指數大多以平均顯色指數(Ra)為基準。不過,隨著用于照明用途的情況增加,僅Ra已經不能滿足使用,還要求具有較高的特殊顯色指數,例如彩度較高的紅色和綠色等。
白光LED在100℃下工作時發光效率只降低3%左右。要求白色LED具有“溫度穩定性”是為了使發光效率在實際使用環境下不發生大幅變化。
白色LED目錄值的發光效率大多是在25℃的環境溫度下,施加脈沖狀電流測量所得。此時,藍色LED芯片發光部的溫度(接合溫度)約為25℃。不過,實際用于產品中時,接合溫度會上升至85~100℃。在普通白色LED中,溫度上升后的發光效率與25℃時相比會降低10~15%。
在部分最新產品中,已經有抑制了發光效率變化的品種。例如,飛利浦流明的照明用途白色LED在接合溫度為100℃時,其發光效率只比25℃時降低3%左右。為提高散熱性,將LED芯片在陶瓷基板上進行倒裝芯片封裝,另外,為減輕溫度對內部量子效率的影響,還采用了量子阱構造等。
夏普2011年3月開始供貨的照明用白色LED,其發光效率隨溫度發生的變化也比較小(圖1)。盡管輸入功率高達25W,降低接合溫度比較困難,但在白色LED表面溫度(外殼溫度)為70℃時,其發光效率和光通量與25℃時相比只下降了5~6個百分點。該公司表示,與其他公司的同等產品相比,將降幅控制在約一半。通過采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等,實現了較高的溫度穩定性。
圖1:減弱熒光材料性能的溫度依賴性
“顯色指數”是將白色LED作為普通照明器具光源廣泛應用基礎之上的重要指標。目的是為了與原光源不產生不協調感。此前,白色LED的顯色指數大多以平均顯色指數(Ra)為基準。不過,隨著用于照明用途的情況增加,僅Ra已經不能滿足使用,還要求具有較高的特殊顯色指數,例如彩度較高的紅色和綠色等。
顯色指數通過改進熒光材料來提高。不過,提高顯色指數也會出現發光效率降低的問題。例如,假設Ra為70的普通白色LED的發光效率為100%,則Ra80時會降低10%,Ra90時會降低20%。“以前在Ra為90以上時,發光效率會降低30%”(日亞化學工業)。因此與以前相比,現在已經改善了很多,不過今后還有很大的改進余地。
改進的重點是,“減少可視范圍以外的發光”(飛利浦流明日本)(圖2)。一般情況下,白色LED為提高Ra和紅色顯色指數(R9)會添加紅色熒光材料,紅色熒光材料的發光光譜可到達700nm以上的近紅外領域。由于肉眼看不見可視范圍以外的光,因此這部分的能源全部浪費了。所以該公司采用了可減少這部分光的紅色熒光材料。
圖2:減少可視范圍以外的發光
采用紅色熒光材料的話,在700nm以上的長波長側也能觀測到發光。這種在可視范圍以外的光肉眼并看不到,因此會造成能源效率的浪費。所以,通過采用可抑制可視范圍以外發光的紅色熒光材料,能抑制發光效率降低。
為兼顧高顯色指數和發光效率,還有廠商考慮使用非極性GaN基板。三菱化學為提高Ra和特殊顯色指數,沒有使用藍色LED芯片,而是采用紫色LED芯片來開發組合使用藍色、綠色和紅色熒光材料的白色LED(圖3)。該公司計劃采用非極性GaN基板大幅提高目前只有50lm/W左右的發光效率注1)。
圖3:實現高顯色指數特性
三菱化學開發的組合使用紫色LED(發光波長為405nm)和藍色、綠色及紅色熒光材料的白色LED,可大幅提高各個顏色的顯色指數。(圖由本站根據三菱化學在“Green Device論壇2010”上的演講資料制作)
麥克亞當橢圓在2級以內
認為“均勻性”現在也是白色LED課題的照明器具廠商絕不在少數。組合使用多個白色LED時,如果白色LED之間的白色光色度不同,就無法獲得均勻的光。白色LED的均勻性采用名為“麥克亞當橢圓(MacAdam Ellipse)”的色度差評價法。各廠商一般在該評價的6級以內開發白色LED,不過也有在4級以內和2級以內開發產品的LED廠商。例如,美國科銳就開發出了號稱在2級以內的產品。
降低白色LED產品間色度不均的方法有很多種(圖4)。其中,科銳選擇的是在藍色LED芯片上鋪設熒光材料層使之成為白色LED芯片后,將多個白色LED芯片收納在封裝內的方法(圖4(b))。封裝整體的發光光譜與全白色LED芯片的發光光譜重合。為了使白色LED芯片發光光譜的平均值接近,組合使用了封裝內的LED芯片。科銳利用該方法,實現了2級以內的產品供貨。
圖4:可降低色調不均的各種方法
最經常采用的是,為使發光光譜的平均值相同,安裝多個藍色LED芯片,將其封裝在采用熒光材料的樹脂封裝中(a)。此外還具有組合使用多個白色LED芯片的方法(b)、在每個藍色LED芯片上組合使用與發光光譜重合的熒光材料的方法(c)、以封裝的狀態安裝多個藍色LED,然后組合使用熒光板的“remote phosphor”(d)方法等。
計劃使每個封裝實現1萬lm的光通量
關于“光通量的大小”,計劃一個封裝實現1000lm以上的光通量。對產品廠商而言,在采用多個白色LED的用途方面,具有可減少部件數量、提高產品設計自由度等優點。
光通量超過1000lm的白色LED已經有幾款產品面世(圖5)。例如,西鐵城電子將銷售能夠輸入41.9W的大電力、光通量達到4390lm的產品。通過配備200個藍色LED芯片,獲得了高光通量。藍色LED芯片采用小型品,通過將芯片側面發出的光有效輸出到封裝外,提高了發光效率。該公司還計劃采用最多可配備400個芯片的設計,以使一個封裝獲得1萬lm的光通量。
圖5:迎來了一個封裝的光通量超過1000lm的時代
西鐵城電子開發的高輸出白色LED“CL-L340系列”中有最大光通量為4390lm的品種(輸入功率為41.9W,Ra為67,色溫為5000K)(a)。夏普2011年3月上市的高輸出白色LED“照明用LED元件”中,色溫為3000K的產品在輸入25.9W電力時的光通量為2370lm(b)。
夏普開發出了輸入25.9W電力時可獲得2370lm光通量的產品。在室內照明一般要求的色溫為3000K、Ra為83的條件下,實現了91.5lm/W發光效率。該產品大量使用了內部量子效率得到提到的自主開發藍色LED芯片。