红色、绿色和黄色荧光粉与蓝色LED的光学建模分析

摘要

使用光学仿真软件LightTools®对带有蓝色LED的红色、绿色和黄色荧光粉的发光性能进行了评估，并构建了相应的光学模型。根据荧光粉颗粒模型，通过修改荧光粉的质量浓度，可以得到蓝色LED激发的多组分光的色度坐标。对比四种LED封装模块的测试结果表明，半球形模块封装的黄色荧光粉在构建的白光中所占的总重量百分比较小，相关色温约为4000 K。仿真和实验结果为更好的封装和封装设计提供了交叉参考，以改善流明。

1.介绍

白光LED已经成为替代传统光源的流行选择。与白炽灯和荧光灯相比，白光led具有寿命长、效率高、能耗低等优点[1］．大多数白色led使用由波长较短(蓝色或紫色)的二极管芯片激发的荧光粉，重新发射出具有良好显色指数的广谱光[2-4.］．由于LED照明的光学性能，包括相关色温（CCT）值，强烈取决于磷光体的厚度，组合浓度和几何分布，因此白光LED的市售食谱通常需要仔细操作，如果它们是符合CCT要求。对包装图案的任何修改都可以改变发光荧光膜的体积，密度，浓度或均匀性，并导致CCT，色度坐标和发光功效的变化。

为了从经验上确定主导白光LED光学特性的因素，必须进行详细的实验。在节省时间和成本效益方面，一个合适的荧光粉光学模型是最有利于减少试验和错误过程。为了建立LED模型，必须对封装剂、封装结构、辐射功率谱性能、CCT和色度坐标之间的关系进行实验和仿真，并对结果进行分析。此外，一些具有更高均匀性但使用较少荧光粉的特殊LED封装设计可被视为建议模型的附属设计[5.］．Yang等人[6.[展示了色度坐标和光谱的精度反馈方法。该反馈涂布方法提供了一种简单的优化光谱方法。王和黄[7.还报道了通过反馈涂布方法良好地控制的色度坐标和磷光体转换LED的光谱。我们的磷光体粒子模型设计用于模拟磷光体内光的散射和吸收过程。该模型基于MIE理论，射线跟踪方法和Monte-Carlo算法[8.-11.］．用蓝光LED激发荧光粉，编号为R-645和R-626的样品为红光，编号为G-531和G-529的样品为绿色，编号为Y-561的样品为黄色。样品的数量表明了荧光粉产生的纳米级发射光谱的峰值。例如，R-645荧光粉的峰值为645 nm。将不同封装类型的LED在CCT值为4000 K左右时的功率效率与该磷光颗粒模型进行了比较。仿真和实验结果可为改进封装材料的发光性能提供参考。

2.原则

建立了蓝光LED的特征参数、荧光粉的光谱以及荧光粉在蓝光作用下的功率转换效率。

2．1.蓝色LED光源

蓝色LED芯片尺寸为0.97 mm × 0.51 mm × 0.11 mm。数字1（a）显示辐射配电与波长的峰值值为447nm;数字1（b）显示了光强曲线的角分布。

２.２.蓝色LED光源光谱、激发光谱和发光光谱

数字2给出了R-645、R-626、G-531和G-529荧光粉的激发光谱和发射光谱，以及实验结果的抽运源光谱。蓝色LED光谱由峰值为447 nm的蓝色线表示，绿色线为荧光粉的激发光谱，红色线为在蓝色LED泵浦作用下波长位移较大的荧光粉的再发射光谱。

２.３.不同质量浓度的荧光粉在蓝色LED激发下的光谱分析

测量了四种单色磷光体，红色磷光体，R-645和R626和绿色磷光体，G531和G529的辐射功率和色度坐标，以不同的重量百分比。数字3.以本研究中使用的具有均匀分布的荧光粉膜，示出了蓝色LED的示意性结构。四种不同磷光体的重量浓度如表所示1．

采用归一化互相关(NCC)公式来评估模拟数据与经验数据之间的适应度[12.］．NCC由 在哪里和是特定波长的辐射功率值， ; 和分别为模拟和实验的平均辐射功率值;和是要评估的实验次数和波长的数量。

3.仿真结果

本节讨论了不同重量百分比的荧光粉在蓝光激发下的辐射功率谱的经验和模拟数据曲线3.1-3.4.．

3．1.不同质量浓度的R-645荧光粉的辐射功率谱及CIE色度位置比较

数字4.显示荧光体R-645的辐射功率，其具有由蓝色LED激发的不同重量浓度（3％，5％和10％）。蓝线表示通过集成球体测量的经验数据，红线显示模拟数据。这些曲线的比较表明，重量浓度越高，发射光谱强度越高，尽管模拟与经验数据之间的偏差很小。五个浓度的CIE色度坐标列于表中2．有值的定位点根据CIE 1931色度图，如图所示5.．由此可见，5%的质量浓度是获得洋红色光的最佳选择。

３．２．不同质量浓度的R-626荧光粉蓝色LED激发辐射功率谱和CIE指数的比较

数字6.显示了通过蓝色LED激发的重量浓度为0.83％，1.37％和2.11％的重量浓度的R-626磷光体的辐射功率光谱。发射光谱的强度显示随着浓度增加而增加的趋势。CIE坐标列于表中3.．数字7.显示了不同浓度的分布，如CIE色图所示。从图中可以看出，如果品红灯是必需的，那么2.11 wt%将是这个设计的一个不错的选择。另外，正如本节所讨论的3.1，如果光与品红颜色(R-645荧光粉在5 wt%)，只有2.11 wt%的R-626，以减少2.89 wt%，将被使用。

３．３．不同质量浓度G-531荧光粉在蓝色LED激发下的辐射功率谱和CIE指数比较

数字8.显示了重量浓度分别为5%、10%和20%的G-531荧光粉在蓝色LED激发下的辐射功率谱。发射光谱的强度随浓度的增加而增加。CIE坐标如表所示4.，不同浓度在CIE色图中的分布如图所示9.．从图中可以看出，如果需要使用氰化物光的设计，那么G-531荧光粉的浓度应该接近15%。

3.4。辐射功率谱和CIE指数在蓝色LED激励下具有不同重量浓度的G-529磷光体的CIE指数

数字10.给出了G-529荧光粉在蓝色LED激发下，重量浓度分别为8%、11.2%和15%时的辐射功率谱。发射光谱的强度也随浓度的增加而增加。CIE色度坐标列于表中5.，不同浓度在CIE色图中的分布如图所示11.．当需要氰光线时，G-529磷光体的浓度应为约8％。与部分讨论的结果相比3.3.当浓度为15%时，这种设计将重量浓度降低了7%，并在青色区域产生了混合光。

3．5．4000 K色温下四种包装材料的磷重量浓度及发光效率分析

数字12.描述了Y-561荧光粉的吸收光谱和发射光谱以及蓝色LED的光源光谱。由于蓝光和黄光混合可以得到白光，因此我们结合了一个蓝色LED，光谱峰值为447 nm，并在激发下调整Y-561荧光粉的重量百分比，得到了所需色温的白光。

如果我们想要混合光的色温为4000 K,我们必须计算y - 561的重量浓度磷从十字架上点的坐标的黑色轨迹在4000 K和一条线连接的位置点蓝色LED和磷光发射光谱CIE色度图,如图13.．

数字14.显示了在我们的仿真模型中采用的四种类型的包。对这些包装中的Y561荧光粉的重量百分比进行了操纵，以确保色度点位于4000 K黑体辐射的轨迹上进行模拟;包装、配药、适形、遥形、半球形4种包装对应的百分比分别为7.6%、64.0%、24.1%、24%。环氧灌封剂的质量分别为15.13 mg(配药)、0.24 mg(适形)、6.20 mg(远端)和0.77 mg(半球形)。根据这一数据，可以计算出四种包装使用的荧光粉数量。配药型为1.24 mg，保形型为0.42 mg，遥控型为1.97 mg，半球形型为0.24 mg，如图15.．

结果表明，Y-561荧光粉是由蓝色LED激发的，其功率谱峰波长为447 nm，在4000 K左右的色温下，半球形封装的质量比其他类型的荧光粉低。

4。结论

在本研究中，所有荧光粉都在蓝色LED下激发，峰值功率谱为447 nm。红色荧光粉(R-645, R-626)和绿色荧光粉(G-531, G-529)的发射光谱功率随荧光粉浓度的增加而增加。但随着权重百分比的增加，模拟曲线与经验曲线的偏差有增大的趋势，有待进一步研究改进。当R-645质量浓度为5%或R-626质量浓度为2.11%时，与蓝色LED结合，得到了品红区域附近的色度坐标。当质量浓度为8%的G-529荧光粉与蓝色LED结合时，混合光在青色光谱范围内。

为了用荧光体Y-561和蓝色LED产生含有约4000k的色温的混合白光，磷光体的浓度由CI​​E色度图的两条线的交叉点坐标计算：第一个是轨迹黑体辐射为4000 k;另一线是蓝色LED光谱和Y-561磷光谱之间的连接点。这一点的色度坐标是= 0.3804,= 0.3768。对封装的模拟表明，半球形封装使用了最少数量的Y-561荧光粉来实现4000 K的色温。

的利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

致谢

本研究由台湾科技部资助，合同编号为MOST106-2221-E-008-075和most106 -2221- e -035-072- my2。

参考文献

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