白光LED发光二极管的几种光的损失

2019年08月01日
 
 白光LED发光二极管在生活中有广泛的应用,但是白光LED灯珠的光衰减也是最严重的LED发光二极管之一,拓展光电将为大家介绍一下白光LED发光二极管的几种光的损失。
 
原因一、白光的产生和显色指数的提高
 
 蓝光芯片与荧光粉是商品化白光LED发光二极管的主要产生方式,图1是蓝光芯片与YAG:Ce3+荧光粉组合制作的白光LED的光谱,从白光的光谱图上可以看出,荧光粉光致发光的发射谱在整个可见光波段都有分布,峰值位于人眼视觉曲线的峰值附近。因此这种方法制作的白光LED发光效率(流明效率)较高,显色指数可以达到70以上,与传统的日光灯接近,能够满足普通的照明需要。
 
 为了提高蓝光芯片+YAG荧光粉方法产生的白光LED的显色指数,可以通过引入发射峰值在490nm的硅基氮氧化物青色LED荧光粉、紫光LED芯片和发射峰值在630nm以上的硅基氮氧化物红色LED荧光粉来弥补。
 
一般情况下,适当添加红色荧光粉可以将显色指数提高到80以上,再引入青色荧光粉可以得到高于90的显色指数,在此基础上,增加紫光芯片可以得到全光谱的白光LED,显色指数可以接近日光的100。
 
 
原因二、光致发光的能量损失
 
 蓝光LED芯片+荧光粉方法产生白光的一个关键物理过程是光致发光,即荧光粉将蓝光其他波长的光。这个过程不可避免存在着能量的损失。这个损失包括三个部分:
 
一是荧光粉有低能级向高能级激发过程量子效率的损失,跃迁到高能级的粒子数少于吸收的蓝光光子数;
 
二是荧光粉由高能级向低能级跃迁时,存在着非辐射跃迁,引起的辐射发光量子效率的损失,发射的可见光子数目少于向低能级跃迁的光子数目;
 
三是单个蓝光的光子能量高于荧光粉转换后发射的长波长光子能量,在光子数相同的情况下,对应的辐射通量较小。
 
第一、二两种能量损失,损失的是光子数目,改进荧光粉的配方和制备工艺,提高荧光粉激发和发射两个过程的量子效率,可以减少这两部分的能量损失。
 
第三种能量损失是不同波长光子本身能量不同,这一点是光子的物理本质所决定的,改变工艺无法减少这一部分的能量损失。在现在的白光LED中,上述三部分的损失大约占到蓝光能量的20%-30%。
 
原因三、提高显指的发光效率损失
 
 使用蓝光LED芯片+YAG荧光粉制作的白光LED具有较高的发光效率,一方面是得益于YAG荧光粉商业化的时间早,工艺和技术成熟度高,荧光粉激发和发射的量子效率都比较高,另一方面YAG荧光粉的发射波长峰值位于人眼视觉函数的峰值附近,流明效率高。青色和红色荧光粉发射峰值远离视觉函数的峰值,流明效率低。掺入青色和红色荧光粉后,在显色指数提高的同时,必须接受发光效率的下降。
 
一般情况下,显色指数由70提高到80,发光效率会下降10-15%,显色指数由80提高到90,发光效率会再下降10%左右。
 
原因四、界面处菲涅尔损耗
 
 光子从LED芯片有源层(PN结)发射到空气中,需要透过芯片与封装胶、封装胶与空气两个界面,因为这两个界面的两侧材料折射率存在差异,光透过这界面时,一部分光会反射回来,反射回来的的光中很大一部分会被吸收损耗掉。这一种界面反射光造成的损失称为菲涅尔损耗。菲涅尔损耗的大小与界面两侧光学介质的射射率大小和折射率差有关,定量的分析非常复杂,一般情况下,折射率差越大,菲涅尔反射就越严重。
 
原因五、全反射损耗
 
当光由光密介质射向光疏媒质时,光的入射角大于某一个临界值qc时,将在界面发生全反射,这个临界值称为全反射角。
 
 LED芯片制造的材料是高折射率的半导体材料,折射率大于封装胶和空气的折射率,这样在LED芯片和封装胶的界面、封装胶和空气的界面都只有小于一定入射角的光线能够穿过,这一部分光线形成了一个以全反射角为半角宽度的锥形,通常被形象地称为光线的“逸出锥”。
 
 蓝光芯片的主要材料是GaN和蓝宝石,典型折射率分别是2.45和1.78;封装胶主要是环氧树脂和硅胶,典型折射率分别是1.42和1.51;空气的折射率近似为1。
 
 由GaN入射至硅胶时,全反射临界角为38.050;由GaN入射至空气时,全反射临界角为24.090;由蓝宝石入射至硅胶时(对应于倒装封装),全反射临界角为58.030;由GaN入射至空气时,全反射临界角为34.180。可以看出从增大全反射临界角的角度看,倒装技术也是有利于芯片光提取效率的提高。
原文地址:http://www.tzled.net/Article/baiguangLEDfaguange_1.html
来源:深圳市拓展光电有限公司
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公司简介

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阿里巴巴是由马云在1999年一手创立企业对企业的网上贸易市场平台。2003年5月,投资一亿元人民币建立淘宝网。2004年10月,阿里巴巴投资成立支付宝公司,面向中国电子商务市场推出基于中介的安全交易服务。2012年2月,阿里巴巴宣布,向旗下子公司上市公司提出私有化要约。