LED色温图谱详解.docx

1、LED色温图谱详解 LED色温图谱详解 NO. X Y 实测色温(K)计算色温(K) 色温(K) 1 0.2675 0.2809 14610 14000 610 2 0.2820 0.3001 9655 9000 655 3 0.3027 0.3207 7572 7000 572 4 0.3172 0.3562 6081 6300 -219 5 0.3137 0.3352 6622 6500 122 7 0.3023 0.3118 8268 7100 1168 8 0.2916 0.2960 9310 8500 810 9 0.3352 0.3604 5400 5600 -200 NO. X

2、Y 实测色温(K)计算色温(K) 色温(K) 10 0.3222 0.3446 6122 5800 322 11 0.3519 0.3950 4628 4800 -172 13 0.3599 0.4021 4436 4700 -264 NOTE: 色温=实测色温-计算色温(根据相对色温线) 结论: 1. 根据实际测试的色标可看出: 不在色温线上面的色坐标点, 可以通过相对色温线的方式求出该点色温. 2. 向下延长各个相对色温线, 基本交汇在一点(X: 0. 33 Y: 0. 20) . 依此点坐标: 2500K 相对色温线与 X 轴的夹角约为 30 度. 25000K 相对色温线与 2500K

3、 相对色温线之间的夹角约为 90 度. 250000K 相对色温线与 2019K 相对色温线之间的夹角约为 100 度. 具体见上图所示. 3. 根据上图白光色坐标分布图与相对色温线的关系, 现在许多分光参数表是根据色温方式划分各个 BIN 等级(色标分布图是参照早期日亚白光色标分布图制作) .这样分当然具有一定的好处。 4. 工厂色标分布图所对应的的色温范围为: 4000K16000K. 5. 采用白光计算机(T620) 测试出的色温值与根据相对色温线所计算出的色温值有一定的差别, 机台测试出的色温值只能做一个参考值. 根据相对色温线所计算出的色温值与机台测试的色温值之间的差别详见上表 色温

4、值. 相关色温 8000-4000K 的白光 LED 的发射光谱和色品质特性 摘要： 文章报告和分析了 8000K、 6400K、 5000K 和 4000K 四种色温的白光 LED 的发射光谱、 色品质和显色性等特性， 它们与工作条件密切相关。 随着正向电流 IF 的增加， 色品坐标 x 和 y 值逐渐减小， 色温增大， 发生色漂移， 而光通量呈亚线性增加， 光效逐渐下降。 由于在白光 LED 中发生光转换过程， 产生光吸收的辐射传递， 致使白光中 InGaN 芯片的蓝色 EL 光谱的形状和发射峰发生变化。 白光 LED 的特性在很大程度上受 InGaN 蓝光 LED 芯片性能的制约。 人们

5、可以实现 8000-4000K 四种色温白光 LED， 显色指数高，且制作的白光 LED 的色容差可以达到很小， 实现优质的白光照明光源。 从上世纪 90 年代末到现在， 白光发光二极管的出现和快速发展， 引起人们极大的热情， 白光 LED 具有低压、 低功耗、 高可靠， 长寿命及固体化等优点。 其量大的吸引力和期望是作为继白炽灯泡、 荧光灯及高强度气体放电灯（HID） 后的第四代照明新光源具有庞大的照明市场和显著的节能前景的光源， 是符合环保、 节能要求的绿色照明光源。 因此， 受到日美和欧洲各国政府和商家的重视， 他们制定发展规划和目标， 且大集团公司在技术和资金上进行联合和重组。 200

6、3 年 6 月我国政府也推出半导体照明工程 ， 以期大力推动我国白光 LED 的发展。 尽管短短的几年来， 白光 LED 的研发和应用取得举世瞩目的成绩， 但目前还存在诸多问题， 只能用于一些特殊的领域中。 我们注意到， 目前普通的白光 LED 与用作照明光源白光 LED 的概念是有质的差异，并不是越白 越好。 人们对用作照明的白光光源有着严格的要求， 国际和我国早已制定标准。 照明光源有六个严格的标准色温区： 6400K、 5000K、 4000K、 3450K、 2900K 及 2700K 及其相应的色域， 照明光源的色品质参数是相互关联的。 必须同时得到满中， 方可称为合格的照明光源。

7、尽管目前作为照明光源白光 LEDs 还没有国际 CIE 标准及中国的国家标准， 但是应当参照国际 CIE 和中国国家标准来要求和指导白光 LEDs 新照明光源的发展和应用。 迄今有关不同色温度， 高显色性白光 LED 的色品质和光谱特性报道欠缺。 本文按照国家照明光源标准， 报告和分析所研发的 8000-4000K 不同色温的白光 LED 的发射光谱、 色品质及光电特性。 1、 实现相关色温原理和实验 从市场上可以很方便地购得多家公司提供的不同等级的 InGaN 蓝光LED 芯片。 这些芯片样品可分为发射波长 455-460nm、 460-465nm 及 465-470nm； 光强一般在 40

8、mcd 以上。 蓝芯片尺寸大多为 320X320um 左右。 依据发光学光转换和色度学原理， 采用蓝光 LED 芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉有机组合成白光 LED 技术实现白光。 荧光粉选择是多样性的， 可以是一种黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。 调控各发光颜色强度比， 实现各种色温的白光。 将含有荧光粉的优质高透过率树脂胶仔细涂覆在蓝芯片周围， 用常规的封装工艺和环氧树脂封装成常规 5mm 子弹型和半球型白光 LED。 白光LED 的发射光谱， 色品技及其他光电特性由浙大三色仪器有限公司生产的型号为 SPR-920D 型光谱辐射分析仪测试记录。 该仪器配有一个 0. 5m 的积分球及直流

9、电源。 所有实验均在室温下进行， 白光 LED 的发射光谱在正向电流 IF=20mA 下测试。 2、 不同色温白光 LED 的光谱特性 2 1 8000K 的白光 LED 7000-10000K 白光呈现发蓝高色温的白光。 在照明光源标准中没有这个标准。 它是不能有作普通家庭照明光源的。 这种高色温发蓝的白光 LED 可以用于要求不严的特殊照明和指示中， 有一定用途。 图 1 给出相关色温为 8070K 的半球 5 白光 LED 的发射光谱。 它是由 InGaN 蓝光 LED 的电致发光光谱和稀土 YAG： Ce 体系黄色荧光体被蓝光激发的光致发光光谱所组成， 两光谱的本质是不同的。 这样构成

10、相关色温为 8070K 的发蓝的白光光谱， 色品坐标 x=0. 2979， y=0. 2939， 在黑体轨迹的附近。 2 26400K 的白光 LED 图 2 是在正向电流 IF=20mA 下的色温为 6450K 的白光 LED 的发射光谱。 它是属于色温为6400K 的日光色。 是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。 其光谱所组成。 和图 1 光谱相比， 黄成份的光谱增强， 色温降低。 此时白光 LED 中的蓝光 EL 光谱和只有 InGaN LED 的蓝光光谱相比是有差异的， 因为发生荧光体高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。 而这种光吸收（激发） 与荧光体的激发光谱密切相关。 由于这种荧光

11、体光转换过程致使白光 LED 中的蓝光光谱的能量分布、 发射峰以及半高宽等性质发生变化。 所涂覆的荧光粉越多， 蓝色光谱变化越严重， 在低色温的白光 LED 中更为明显。 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3146， Y=0. 3360， 它们落在 CIE 标准色度图 6400K 标准色温的色容差图的最内圈， 其色容差 1. 9， 很满意， 显色指数 Ra 为 82， 完全符合照明光源的要求。 2 3 5000K 的白光 LED 色温 5118K 的白光 LED 的发射光谱 （如图 3 所示）， 它属于标准色温为 5000K的中性白光。 光谱性质和上述相同， 只是光谱中的黄成份的比例增加。

12、 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3422，Y=0. 3543， 其色容差在 5000K 标准色温的色域中为 2. 1， 很满意， Ra=81。 完全符合照明光源的光色参数要求。 若要提高显色指数 Ra， 需要增加光谱中的红成份， 可能牺牲光效。 此外， 在 IF=20mA 下， 白光 LED的光转换倍数高达 4. 9 倍。 这里所说的光转换倍数（B） 定义是在某一正向电流 IF 和不同的色温下， 是不同的。 2 4 4000K 的白光 LED 迄今有关符合照明光源标准要求的 4000K 白光 LED 光谱和色品质的报告很少。 这是因为仅用稀土 YAG： Ce 体系黄色荧光体难以制作合乎

13、要求的 Tc4000K 的白光 LED， 显色指数低，色品质差。 为此， 需要加入适量的红色荧光体， 补足光谱中红成份。 图 4 为我们开发 4019K 白光 LED 的发射光谱， 它属于标准的色温为 4000K 的冷白色。 光谱中黄和橙成份增加， 相对光谱中蓝成份的比例进一步下降。 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3810， Y=0. 3815， 在标准 4000K 色温的色容差的最内圈中， 其色容差为0. 6， 显色指数 Ra=82。 色品质甚佳， 完全符合照明光的严格要求。 3、 白光 LED 的性质与 IF 的关系 3 1 色品坐标 光源的色品坐标是一个重要参数。 图 5 给出

14、5000K 白光 LED 在不同正向电流 IF驱动下的色品坐标 X 和 Y 值的变化曲线。 这条曲线给绘在标准 6400K 色温的色容差图中， 具有直观动态感。 其中纵坐标为 Y 值， 横坐标为 X 值， 而上横坐标为 IF（mA） 。 显然， 随 IF 增加， 色品坐标 X 和 Y 值逐渐偏离， 到 IF=70， 80mA 时， 偏离非常严重。 3 2 相关色温 由上述色品坐标 X 和 Y 值随 IF 的变化， 指明发生色漂移， 这必然在相关色温中也呈现反映。 图 6 表示白光 LED 在不同 IF 工作下的相关色温变化规律。 显然， 随着 IF 增加， 相关色温 Tc（K）逐渐增加， 由日

15、光色变为蓝白色。 这是因为随正向电流 IF 的增加， 白光 LED 的发射光谱， 特别是 InGaNLED 蓝芯片的发射光谱发生很大变化， 导致白光的发光颜色、 色品质等性能改变。 3 3 白光 LED 的光通和光效 制作的白光 LED 的光通（） 和光效（ ） 随施加的正向电流 IF 的变化曲线 （如图 7 所示） 。 光通呈亚线性增加， 趋向饱和， 而光效逐渐下降。 白光 LED 的光效下降与 Taguchi等人的结果是一致的。 白光 LED 的光通和光效的这种变化， 在不同色温的白光 LED 中是一致的。 对这种小功率白光 LED 来说， 既要照顾光通量， 又要考虑光效， 故一般选择在

16、IF=20mA 下工作。 早期 Nakamura 等人已指出， InGaN/AlGaN DH 蓝光 LED 的光输出功率随 IF 增加呈亚线性增加。 我们认为， 引起白光效随 IF增加逐渐降低的因素是多方面的。 首先， 蓝光 InGaN 芯片的发光效率随 IF 增加而逐渐降低的因素是多方面的。 首先， 蓝光 InGaN 芯片的发光效率随 IF 增加而逐渐下降； 第二， 随着 IF 增加， P-N 结温快速升高，结温和环境温度上升， 对半导体蓝光芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭； 第三， 由于在白光 LED中发生蓝光黄光光转换过程， 产生光吸收的辐射传递， 不仅使白光光谱中的蓝芯片的 EL

17、 的发射光谱形状和发射峰发生变化， 而且蓝光效率下降在荧光体的光效下降和光衰程度似乎比 InGaN 蓝芯片更快。 实际上是荧光体的发光效率受蓝芯片下降的诛连 和强烈的制约。 4、 结束语 综上所述， 采用蓝光 LED 芯片和荧光体有机结合是可以成功地开发出 8000-4000K 不同色温段， 显色指数高， 色品质优良， 符合照明光源 CIE 严格标准要求的白光 LED。 制作的白光 LED 的色容差可以达到很小。 8000K、 6400K、 5000K 和 4000K四种色温的白光 LED 的发射光谱、 色品坐标、 显色性等光色特性与工作条件密切相关。 随着白光 LED 的正向电流增加， 色品

18、坐标 X 和 Y 值逐渐减小， 而相关色温逐步增大， 致使色漂移； 而光通量呈亚线性增加，光效却逐渐下降。 由于在白光 LED 中发生光转换过程， 产生光吸收的辐射传递， 致使白光中 InGaN 芯片的蓝色 EL 光谱的形状和发射峰发生变化。 白光 LED 的上述特性与 InGaN 蓝光 LED 芯片性能密切相关， 在很大程度上受其制约。 E: 色温=实测色温-计算色温(根据相对色温线) 结论: 1. 根据实际测试的色标可看出: 不在色温线上面的色坐标点, 可以通过相对色温线的方式求出该点色温. 2. 向下延长各个相对色温线, 基本交汇在一点(X: 0. 33 Y: 0. 20) . 依此点坐

19、标: 2500K 相对色温线与 X 轴的夹角约为 30 度. 25000K 相对色温线与 2500K 相对色温线之间的夹角约为 90 度. 250000K 相对色温线与 2019K 相对色温线之间的夹角约为 100 度. 具体见上图所示. 3. 根据上图白光色坐标分布图与相对色温线的关系, 现在许多分光参数表是根据色温方式划分各个 BIN 等级(色标分布图是参照早期日亚白光色标分布图制作) .这样分当然具有一定的好处。 4. 工厂色标分布图所对应的的色温范围为: 4000K16000K. 5. 采用白光计算机(T620) 测试出的色温值与根据相对色温线所计算出的色温值有一定的差别, 机台测试出

20、的色温值只能做一个参考值. 根据相对色温线所计算出的色温值与机台测试的色温值之间的差别详见上表 色温值. 相关色温 8000-4000K 的白光 LED 的发射光谱和色品质特性 摘要： 文章报告和分析了 8000K、 6400K、 5000K 和 4000K 四种色温的白光 LED 的发射光谱、 色品质和显色性等特性， 它们与工作条件密切相关。 随着正向电流 IF 的增加， 色品坐标 x 和 y 值逐渐减小， 色温增大， 发生色漂移， 而光通量呈亚线性增加， 光效逐渐下降。 由于在白光 LED 中发生光转换过程， 产生光吸收的辐射传递， 致使白光中 InGaN 芯片的蓝色 EL 光谱的形状和发

21、射峰发生变化。 白光 LED 的特性在很大程度上受 InGaN 蓝光 LED 芯片性能的制约。 人们可以实现 8000-4000K 四种色温白光 LED， 显色指数高，且制作的白光 LED 的色容差可以达到很小， 实现优质的白光照明光源。 从上世纪 90 年代末到现在， 白光发光二极管的出现和快速发展， 引起人们极大的热情， 白光 LED 具有低压、 低功耗、 高可靠， 长寿命及固体化等优点。 其量大的吸引力和期望是作为继白炽灯泡、 荧光灯及高强度气体放电灯（HID） 后的第四代照明新光源具有庞大的照明市场和显著的节能前景的光源， 是符合环保、 节能要求的绿色照明光源。 因此， 受到日美和欧洲

22、各国政府和商家的重视， 他们制定发展规划和目标， 且大集团公司在技术和资金上进行联合和重组。 2003 年 6 月我国政府也推出半导体照明工程 ， 以期大力推动我国白光 LED 的发展。 尽管短短的几年来， 白光 LED 的研发和应用取得举世瞩目的成绩， 但目前还存在诸多问题， 只能用于一些特殊的领域中。 我们注意到， 目前普通的白光 LED 与用作照明光源白光 LED 的概念是有质的差异，并不是越白 越好。 人们对用作照明的白光光源有着严格的要求， 国际和我国早已制定标准。 照明光源有六个严格的标准色温区： 6400K、 5000K、 4000K、 3450K、 2900K 及 2700K

23、及其相应的色域， 照明光源的色品质参数是相互关联的。 必须同时得到满中， 方可称为合格的照明光源。 尽管目前作为照明光源白光 LEDs 还没有国际 CIE 标准及中国的国家标准， 但是应当参照国际 CIE 和中国国家标准来要求和指导白光 LEDs 新照明光源的发展和应用。 迄今有关不同色温度， 高显色性白光 LED 的色品质和光谱特性报道欠缺。 本文按照国家照明光源标准， 报告和分析所研发的 8000-4000K 不同色温的白光 LED 的发射光谱、 色品质及光电特性。 1、 实现相关色温原理和实验 从市场上可以很方便地购得多家公司提供的不同等级的 InGaN 蓝光LED 芯片。 这些芯片样品

24、可分为发射波长 455-460nm、 460-465nm 及 465-470nm； 光强一般在 40mcd 以上。 蓝芯片尺寸大多为 320X320um 左右。 依据发光学光转换和色度学原理， 采用蓝光 LED 芯片和可被蓝光有效激发的荧光粉有机组合成白光 LED 技术实现白光。 荧光粉选择是多样性的， 可以是一种黄色荧光粉或黄色和红色混合荧光粉。 调控各发光颜色强度比， 实现各种色温的白光。 将含有荧光粉的优质高透过率树脂胶仔细涂覆在蓝芯片周围， 用常规的封装工艺和环氧树脂封装成常规 5mm 子弹型和半球型白光 LED。 白光LED 的发射光谱， 色品技及其他光电特性由浙大三色仪器有限公司生

25、产的型号为 SPR-920D 型光谱辐射分析仪测试记录。 该仪器配有一个 0. 5m 的积分球及直流电源。 所有实验均在室温下进行， 白光 LED 的发射光谱在正向电流 IF=20mA 下测试。 2、 不同色温白光 LED 的光谱特性 2 1 8000K 的白光 LED 7000-10000K 白光呈现发蓝高色温的白光。 在照明光源标准中没有这个标准。 它是不能有作普通家庭照明光源的。 这种高色温发蓝的白光 LED 可以用于要求不严的特殊照明和指示中， 有一定用途。 图 1 给出相关色温为 8070K 的半球 5 白光 LED 的发射光谱。 它是由 InGaN 蓝光 LED 的电致发光光谱和稀

26、土 YAG： Ce 体系黄色荧光体被蓝光激发的光致发光光谱所组成， 两光谱的本质是不同的。 这样构成相关色温为 8070K 的发蓝的白光光谱， 色品坐标 x=0. 2979， y=0. 2939， 在黑体轨迹的附近。 2 26400K 的白光 LED 图 2 是在正向电流 IF=20mA 下的色温为 6450K 的白光 LED 的发射光谱。 它是属于色温为6400K 的日光色。 是目前照明光源使用的最广泛的色温之一。 其光谱所组成。 和图 1 光谱相比， 黄成份的光谱增强， 色温降低。 此时白光 LED 中的蓝光 EL 光谱和只有 InGaN LED 的蓝光光谱相比是有差异的， 因为发生荧光体

27、高效的吸收蓝光和光转换的辐射传递。 而这种光吸收（激发） 与荧光体的激发光谱密切相关。 由于这种荧光体光转换过程致使白光 LED 中的蓝光光谱的能量分布、 发射峰以及半高宽等性质发生变化。 所涂覆的荧光粉越多， 蓝色光谱变化越严重， 在低色温的白光 LED 中更为明显。 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3146， Y=0. 3360， 它们落在 CIE 标准色度图 6400K 标准色温的色容差图的最内圈， 其色容差 1. 9， 很满意， 显色指数 Ra 为 82， 完全符合照明光源的要求。 2 3 5000K 的白光 LED 色温 5118K 的白光 LED 的发射光谱 （如图 3 所示

28、）， 它属于标准色温为 5000K的中性白光。 光谱性质和上述相同， 只是光谱中的黄成份的比例增加。 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3422，Y=0. 3543， 其色容差在 5000K 标准色温的色域中为 2. 1， 很满意， Ra=81。 完全符合照明光源的光色参数要求。 若要提高显色指数 Ra， 需要增加光谱中的红成份， 可能牺牲光效。 此外， 在 IF=20mA 下， 白光 LED的光转换倍数高达 4. 9 倍。 这里所说的光转换倍数（B） 定义是在某一正向电流 IF 和不同的色温下， 是不同的。 2 4 4000K 的白光 LED 迄今有关符合照明光源标准要求的 4000K

29、白光 LED 光谱和色品质的报告很少。 这是因为仅用稀土 YAG： Ce 体系黄色荧光体难以制作合乎要求的 Tc4000K 的白光 LED， 显色指数低，色品质差。 为此， 需要加入适量的红色荧光体， 补足光谱中红成份。 图 4 为我们开发 4019K 白光 LED 的发射光谱， 它属于标准的色温为 4000K 的冷白色。 光谱中黄和橙成份增加， 相对光谱中蓝成份的比例进一步下降。 该白光 LED 的色品坐标 X=0. 3810， Y=0. 3815， 在标准 4000K 色温的色容差的最内圈中， 其色容差为0. 6， 显色指数 Ra=82。 色品质甚佳， 完全符合照明光的严格要求。 3、 白

30、光 LED 的性质与 IF 的关系 3 1 色品坐标 光源的色品坐标是一个重要参数。 图 5 给出 5000K 白光 LED 在不同正向电流 IF驱动下的色品坐标 X 和 Y 值的变化曲线。 这条曲线给绘在标准 6400K 色温的色容差图中， 具有直观动态感。 其中纵坐标为 Y 值， 横坐标为 X 值， 而上横坐标为 IF（mA） 。 显然， 随 IF 增加， 色品坐标 X 和 Y 值逐渐偏离， 到 IF=70， 80mA 时， 偏离非常严重。 3 2 相关色温 由上述色品坐标 X 和 Y 值随 IF 的变化， 指明发生色漂移， 这必然在相关色温中也呈现反映。 图 6 表示白光 LED 在不同

31、 IF 工作下的相关色温变化规律。 显然， 随着 IF 增加， 相关色温 Tc（K）逐渐增加， 由日光色变为蓝白色。 这是因为随正向电流 IF 的增加， 白光 LED 的发射光谱， 特别是 InGaNLED 蓝芯片的发射光谱发生很大变化， 导致白光的发光颜色、 色品质等性能改变。 3 3 白光 LED 的光通和光效 制作的白光 LED 的光通（） 和光效（ ） 随施加的正向电流 IF 的变化曲线 （如图 7 所示） 。 光通呈亚线性增加， 趋向饱和， 而光效逐渐下降。 白光 LED 的光效下降与 Taguchi等人的结果是一致的。 白光 LED 的光通和光效的这种变化， 在不同色温的白光 LE

32、D 中是一致的。 对这种小功率白光 LED 来说， 既要照顾光通量， 又要考虑光效， 故一般选择在 IF=20mA 下工作。 早期 Nakamura 等人已指出， InGaN/AlGaN DH 蓝光 LED 的光输出功率随 IF 增加呈亚线性增加。 我们认为， 引起白光效随 IF增加逐渐降低的因素是多方面的。 首先， 蓝光 InGaN 芯片的发光效率随 IF 增加而逐渐降低的因素是多方面的。 首先， 蓝光 InGaN 芯片的发光效率随 IF 增加而逐渐下降； 第二， 随着 IF 增加， P-N 结温快速升高，结温和环境温度上升， 对半导体蓝光芯片和荧光粉的发光将产生严重的温度猝灭； 第三， 由于在白光 LED中发生蓝光黄光光转换过程， 产生光吸收的辐射传递， 不仅使白光光