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1996年,Nichia公司的Nakamura等首次使用蓝光LED结合黄色荧光粉转化合成了白光LED.他所采用的黄色荧光粉为Y3Al5O12:Ce3+(简称YAG:Ce3+),这种荧光粉在470nm波段附近有较强的宽带吸收,然后激发出540nm附近的黄光,LED本身发射的蓝光与荧光粉激发的黄光结合形成白光。后来,YAG:Ce3+因其转化效率高、热稳定性好以及激发波段宽等优势,成为白光的主流技术。

趋势一:新型荧光粉的开发

YAG:Ce3+是最早被广泛应用于白光LED技术中的一种荧光粉,但是由于其发射光谱中红色成分较少,难以获得较高显色指数和低色温的白光LED;另一方面,半导体照明的持续发展推动人们开发出更高转化效率的荧光粉。早期,通过在YAG:Ce3+中加入(Ca,Sr)S:Eu2+、(Ca,Sr)Ga2S4:Eu2+红绿色荧光粉来实现高显色指数、低色温的要求,但是由于这类碱土金属硫化物物理化学性质不稳定、易潮解、挥发和具有腐蚀性等问题,不能满足LED照明产业的需求。近来,人们开发了一种热稳定性和化学稳定性优异的红色荧光粉,能完全替代碱土金属硫化物实现高显色指数、低色温白光LED,因其具有硅氮(氧)四面体结构,被称为氮氧化物,具有更高的激发效率。

当前,国外公司在LED用荧光粉方面技术成熟,且持有大部分重要专利。他们通过对荧光粉专利的把持而占领LED市场,YAG:Ce3+荧光粉的专利主要由Nichia占有[U.S.5998925],Osram则占据了Tb3Al5O12:Ce3+的荧光粉专利[U.S.6812500,6060861,65276930],TG、LWB和TridONic持有掺Eu2+(SrBaCa)2SiO4Si:Al,B,P,Ge的专利[U.S.6809347],Intematix持有掺Eu2+(SrBaMg)2SiO4O:F,Cl,N,S的专利[U.S.20060027781,200627785,200628122].反观国内,LED用荧光粉方面的研究大多集中在科研院所,主要是对现有荧光粉材料的合成和发光等物性的研究上,而在产业化技术的开发上做的不够。

趋势二:白光LED光学模型的建立及发展

荧光粉应用于白光LED,还需根据LED的具体需求而定,诸如荧光粉的颗粒大小等等。对荧光粉的研究主要集中在荧光粉的光学性质对白光LED封装性能的影响,例如取光效率[1-3]、颜色空间分布[4,5]以及光色质量[6,7]上面。在这些研究中,采用蒙特卡洛光线追迹的方法利用光学软件模拟LED封装结构的光学性能,将荧光粉层处理成Mie散射材料,这样能够通过光学模拟获得白光LED的激发和发射特性,但是模拟没有考虑到荧光粉具体的散射特性,缺少实验验证。Narendran[8]、Zhu[9]、Kang[10]和Z.Liu[11]则通过实验详细的研究了荧光粉的光学性质。

趋势三:新型荧光粉涂覆方式

传统的荧光粉涂覆方式为点粉模式,即荧光粉与胶体的混合物填充到芯片支架杯碗内,然后加热固化。这种涂覆方式荧光粉量难以控制,并且由于各处激发光不同,使得白光LED容易出现黄斑或者蓝斑等光色不均匀现象。

PhilipsLumileds公司提出了保形涂覆的荧光粉涂覆方式,它们在倒装LED芯片表面覆盖一层厚度一致的荧光粉膜层,提高了白光LED的光色稳定性。也有公司采用在芯片表面沉积一层荧光粉的方法来实现激发。这些涂覆方式都是将芯片与荧光粉接触。H.Luo等研究者的光学模拟结果表明,这种荧光粉与芯片接触的近场激发方法,增加了激发光的背散射损耗,降低了器件的取光效率.澳大利亚的Sommer采用数值模拟的方法模拟PhilipsLumileds的荧光粉保形涂覆结构,结果显示这种涂覆方法并不能提供更好的角度均匀性.随着对白光LED光学模拟的深入,荧光粉远场激发的方案显示了更多的优越性。

趋势四:大电流注入及散热结构

为了满足通用照明高光通量的需求,人们提高了单颗芯片的驱动功率,以往1W的大功率芯片被注入到3W、5W,甚至更高。这使得白光LED的热问题越来越严重,人们采用各种散热技术,如热管、微热管、水冷、风冷等方法对LED实施散热。

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