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无荧光粉双波长白光LED

导读: 白光LED依照发光方式,大致上可以分成3种,其中波长介于410~460nm的蓝光LED+黄色萤光体产生白光的方式最普遍,同时也是效率与量产性最好的方式,不过各LED厂商握有各式各样的专利,加上萤光粉本身的生产管理还未建立,因此不可能低成本大量生产。

  白光LED依照发光方式,大致上可以分成3种,其中波长介于410~460nm的蓝光LED+黄色萤光粉产生白光的方式最普遍,同时也是效率与量产性最好的方式,不过各LED厂商握有各式各样的专利,加上萤光粉本身的生产管理还未建立,因此不容易低成本大量生产。


  除此之外,波长介于365~460nm的紫外光+RGB萤光体的白光方式,以及组合RGB三个光原色方式同样可以获得白光,不过紫外光方式的封装材料与周边元件,长时间暴露在紫外光环境下有劣化之虞,RGB方式则有波长漂移与控制复杂等困扰,因此国外业者开发双波长白光LED。


  发展历程


  图1是传统蓝光LED+萤光体,与双波长白光LED的封装结构比较,由图可知双波长白光LED具备不需作萤光粉调配,同时还可以彻底解决RGB三原色LED驱动电路复杂化问题,获得的辉度、波长、演色性,还可以在一定范围内自由调整。

 


 


  图2是传统白光LED与双波长白光LED的发光原理比较,由图可知传统白光LED,利用荧光粉包覆GaN系蓝色晶片获得白光,双波长白光LED则利用晶片单体获得白光。


  双波长白光LED基本结构是在晶片单体上,同时产生蓝光与黄绿光,再以极短距离使蓝光与黄绿光溷色获得拟似白光,该拟似白光具有传统白光LED无法达成的高透明纯淨感。

 


 


  图3是传统白光LED与双波长白光LED晶片的结构比较,由于LED厂商握有各式各样的专利,因此此处只能作概略性说明。如图所示双波长白光LED晶片的缓冲Multi Dot Active主要是由:


  ‧多点主动(Multi Dot Active)层
  ‧活性层
  ‧Air Ocean层

  构成,当蓝光与黄绿光两相异波长同时发光时,该部位扮演非常重要的角色,因此研究人员建立各模层的长晶技术,使双波长白光LED能够顺利进入实用阶段。

 


 

  双波长白光LED的特征
图4是目前LED主流蓝光LED+黄色荧光粉,与双波长LED的元件特性比较结果,由图可知双波长LED的主要特征,分别是:

  ‧製程上可以调整色调分佈不均
  ‧可作白色以外发光
  ‧长寿命

 


 

  主流蓝光LED+黄色萤光体组合的白光LED,最大问题是它的黄色萤光体寿命,比蓝光LED晶片寿命短。LED晶片的使用寿命随着使用环境不同,大约是8~10万小时,然而荧光粉的使用寿命却只有1~4万小时。

  相较之下双波长白光LED完全未使用萤光体,元件的使用寿命与LED晶片一致,可作长时间使用,这意味着双波长白光LED,对今后照明用途应用时具有深远的影响。

  此外双波长白光LED完全未使用荧光粉,它还可以透过晶片製作过程,调整色调的分布,尤其是传统白光LED封装时,蓝光LED的波长与光主力必需限制在狭窄的范围内,接着再利用萤光体的含量调整,进行繁琐複杂的製程控制,相较之下新型双波长白光LED,在製程的良品率具有绝对优势。

  虽然目前绝对生产数量还未达到量化阶段,不过双波长白光LED设计时採用较大的色调范围,若将今后的普及化后牵动的生产效率问题,以及元件供应一併列入考虑,新型双波长白光LED的成本,拥有绝对的竞争优势,尤其是面对微型封装与複数元件封装时,它可以轻易满足客户要求的严苛基板光源光学特性。

  新型双波长白光LED是由蓝光、绿光构成,因此可以作白色以外的柔性色彩发光,具体方法是控制水色系与蓝绿色系的波长,依此获得的色调比使用萤光体的LED更纯淨色彩,非常适合对色度要求非常严苛的LCD背光模组使用。

  上述发光光度已经达到实用化阶段,若与蓝光LED+黄色萤光体的高辉度白光LED比较,新型双波长白光LED的辉度毫不逊色。

  此外透过元件表面加工方法的改善,新型双波长LED的光度比传统白光LED更优秀。有关新型双波长白光LED的演色性,由于它是由蓝光+黄绿光构成,因此几乎没有红光溷光的困扰。

  波长分佈特性
如上所述新型双波长白光LED,利用蓝光与黄绿光两个相异波长同时发光获得白光。图5是新型双波长白光的波长特性,由图可知蓝光的峰值波长大约是405nm,黄绿光的峰值波长大约是570nm,因此几乎没有红光成份。

  新型双波长白光LED未来有待克服的课题,是扩大黄绿光波长范围。相较之下目前主流蓝光LED+黄色萤光体的白光LED组合,在黄色萤光体成份中含有红光成份,因此它的演色性不如双波长白光LED。

 


 

  图6是接近黄绿光色调LED的波长特性,由图可知新型双波长白光LED的蓝光峰值波长几乎固定,黄绿光的峰值波长与流蓝光LED+黄色萤光体的白光LED不同,非常接近530nm,这也是黄绿光与蓝光组合后,能够实现软调色彩的主要原因。

 


 

  新型双波长白光LED的另一个特征,是融合黄绿光水色系的波长分布特性。如图7所示由于蓝光变成强色调,因此蓝光端的峰值波长几乎固定,黄绿光的峰值波长则朝短波长端移动,相较之下其它色调的蓝色端与绿色端输出几乎一定。

  换言之新型双波长白光LED,主要降低绿色端的输出,达成软调色彩的目的,此处要强调的是新型双波长白光LED,可以依照实际需要在一定范围内,自由调整黄绿光与蓝光的发光波长,获得前所未有的LED发光色。

 


 

  以上介绍新型双波长白光LED的优点,在此同时研究任人员充分利用传统封装技术,试图改善新型双波长白光LED的缺点,藉此建立高辉度化、低成本的技术。

  提高辉度除了选择高效率封装方式之外,透过磊晶封装还可以有效提高辉度,还能够增加新型双波长白光LED的附加价值。

  双波长白光LED与蓝光LED一样,都是对静电非常脆弱的InGaN系半导体元件,因此使用可以提高辉度的多晶片封装方式时,必需同时将静电保护元件一起封装(图8)。

 


 

  一般AlGanInP系LED的VF值20mA时大约2V左右,InGaN系LED则高达3.3V,换句话说InGaN系双波长白光LED,应用在携带型电子机器时,必需使用专用驱动IC。

  使用新型封装方式的双波长白光LED,并未调整LED的电流值,因此研究人员正在开发利用定电压驱动发光元件,以及可以提高LED的演色性的封装技术。
双波长LED晶片与红光LED晶片一起封装,经过溷色变成白光(图9),然而如此一来各晶片彼此的VF值截然不同,随着各LED晶片的辉度、波长分布不同,必需进行复杂的电流值限制调整。

  此外封装后的散热、硅胶也是有待克服的课题,因此研究人员正在开发全新的对策技术。

 



 

  目前ψ3与ψ5砲弹型双波长白光LED已经开始量产,今后将推出3mm与5mm正方SMD用双波长白光LED。

  图10是抑制色调分布与元件高度,製成的超薄型LCD背光照明模组,如图所示白光LED直接固定在薄型基板表面,接着再搭配特殊遮光罩,与超薄型导光板进行侧边发光,模组总厚度只有0.25mm,非常适合行动电话等携带型电子机器使用。
 


 

  结语
  以上介绍新型双波长白光LED。传统紫外光+RGB荧光粉,与RGB多晶片方式的白光LED,都有周围元件容易劣化,或是波长漂移、控制复杂等问题。

  新型双波长白光LED,除了可以彻底解决上述困扰之外,超短融色距离与纯淨的色调,提供LED下游应用厂商另一项选择空间。未来如果顺利改善封装技术,与封装后的散热问题,双波长白光LED可望在电子机器系统的薄型化,扮演非常重要角色。(小汤)

 


 

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