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白光LED及其应用详解 正逐步渗透到各细分市场

2016-06-27 00:43
棒棒书香
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  提高白光中的红色发光材料

  美国能源部最近设定了2020年照明级白光LED发光效率200 Im W-1的市场标准。如此高的效率通常要求pc-LEDs在苛刻的条件完成,例如芯片表面温度达到200℃(由高电流密度产生)和主蓝光LEDs的快速光子泵率。

  因此,适当的荧光需要在这些条件下表现出高转换效率、快速衰减、以及高的抗热降解。Eu2+掺杂的氮化物如 (Ba,Sr)2Si5N8:Eu2+(通常其发射峰中心介于λem ~590–625 nm,半峰宽FWHM为2,050-2,600 cm-1)或者(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(λem ~610–660 nm, FWHM ~2,100–2,500 cm?1)已经作为商用照明级白光pc-LEDs中红光材料。

  然而,发射光谱的相关部分超出了人眼灵敏度范围(红外溢出,图2g),限制了器件的整体发光效率。Sr1?xCaxS:Eu2+(λem ~615–650 nm, FWHM ~1,550–1,840 cm?1)等更窄发射材料也进行了测试,但由于其与封装材料会发生化学反应及其随温度升高转换效率受限等原因,限制了工业应用。

  最近的研究获得了一类新的具有非常窄红光发射的氮化物材料。当前的研究将Sr[LiAl3N4]:Eu2+(λem = 650 nm, FWHM ~1,180 cm?1)和Sr[Mg3SiN4]:Eu2+ (λem= 615 nm, FWHM ~1,170 cm?1)作为下一代照明pc-LEDs的基础。

  Sr[LiAl3N4]:Eu2+具有良好的热性能,且在低CCT高CRI方面(比如CCT =2,700 K, CRI 》90)应用时能够降低红外发射。相比于商用高CRI的LEDs(图2g),有望增加4-12%的发光效率。进一步的提高有望通过将红光发射光谱移到更短波长(~600–630 nm)得到实现,最好是具有更窄的发射带。

  通用公司GE(Trigainphosphors)最近商业化的Mn4+掺杂氟化物是另外一类窄红光发射材料。这些材料的发射图谱中630 nm附近出现几条尖线(每条都《5 nm),当其与绿-黄发光石榴石材料结合时刻获得高CRI、高发光效率的灯。然而,Mn4+较长的发光衰减时间以及离子氟化物施主材料较低的热稳定性都有可能限制这些荧光粉生产相对较低电流密度和低发热产品的实际应用。

  最后,直接红光发射LEDs与互补pc-LEDs组合的杂化器件也可作为优质照明。然而,直接红光LED的温度敏感性要求更复杂的结构设计,并将其应用范围限制在低热约束领域,比如非定向的大面积照明。

  改进LCDs绿色发射器

  LEDs广泛应用于现代液晶显示器(LCD)中的背光组件。在这些器件中,LED发光穿过一个偏振滤波器、一层液晶、彩色滤波器以及一个二级偏振滤波器(图3a);穿过二级偏振滤波器的极化光的透射率取决于液晶的方向,可电调谐。与照明应用不同,要求具有最佳的显示性能。

  特别是,色域由LCD显示提供,取决于白色背光LED源中红色、绿色、蓝色部分的CIE(国际照明委员会Commission Internationale de l’clairage)图中的位置,通常由特定标准(比如国家电视标准委员会NationalTelevision Standard Committee (NTSC), CIE 1931)校正。人眼的灵敏度以及波长相关的分辨率在绿光波段内更高,因此可区分大量的绿色调。

  结果就是,如果背光LEDs中绿光发射器带宽较窄的话(图3b),显示于LCD上的色域将明显增加。常用的石榴石材料(如具有宽带绿-黄成分的YAG:Ce)的单一荧光粉pc-LEDs无法满足这些要求,而红、绿、蓝三原色的LED难以应用,特别是绿光LEDs的EQE很低。

  最先进的高色域LEDs由窄带绿光β-SiAlON:Eu2+ (λem= 525 nm, FWHM ~50 nm)和窄带红光K2SiF6:Mn4+(λem = 613, 631, 636, 648 nm, each FWHM 《5 nm)结合而成。特别是在更小的显示器中,例如平板电脑和某些TV模型,含有窄绿光和红光发射的量子点的板材作为高色域背光。发展绿光波段内具有窄发射带宽的固态材料将有助于提高基于节能LED背光的LCD显示器的最大可显示色域。

  白光LED及其他应用详解

  a. LCD显示器示意图。TFT表示薄膜晶体管(thin-film transistor)。

  b. 不同色域的CIE(1931)图。黑点表示NTSC标准的色度坐标。虚线表示NSTC色域。白点表示穿过相应滤色片(蓝、绿、红)的背光LED的色度坐标。根据发光材料的FWHM和光谱峰位置,绿色值可假设CIE图中的不同位置,从而产生不同色域。灰色三角形表示宽带绿-黄色发光石榴石可达到的色域。蓝色和红色三角形表示使用更窄的绿色发光材料增加的色域(见插图)。

  插图:黑色曲线显示典型绿色滤波器的通带。灰色、蓝色及红色曲线显示CIE图中对应绿色发光元件的发射分布。

  应用前景

  全球销售数据证实LED照明市场不断增长,在其他领域的扩张也可预见。LEDs具有独立色彩调节的潜力,因此可根据不同需求调整其发射性能。这类光谱控制照明可适应人体生理反应,例如有助于提高注意力或者改善睡眠。

  密集型LED照明在医疗方面的影响也越来越大,比如缓解肌肉紧张或者治疗皮肤疾病。此外,采用特定波长的固态照明有望刺激光合作用,优化温室作物的生长。在普通照明领域,经过成本效益和性能方面的不断发展,我们将从新的LED产品中不断获利。

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