Что такое люминофор, виды, характеристики

 

Какие виды люминофоров бывают, основные характеристики

Люминофор - это вещество, обладающее свойством люминесценции. В случае светодиодного освещения типом люминесценции является флуоресценция, излучение света, вызванное поглощением энергии синего света, исходящей от светодиодного чипа. Когда люминофор поглощает фотон синего света, он излучает фотон с большей длиной волны, расширяя спектр в сторону красного. Различные люминофоры имеют разные характеристики излучения, и поэтому в сочетании с синим светом и друг с другом создается высококачественный световой спектр.

Люминофоры производятся таким образом, чтобы сделать их наиболее подходящими для последовательного и высокопроизводительного производства светодиодов. Большинство люминофоров упакованы в виде порошков из хорошо сформированных частиц микрометрового размера. Они могут быть интегрированы в несущие материалы, которые затем покрывают и формируют светодиодные компоненты множеством различных способов.

---

Полезные статьи:

Светодиодное освещение - основные термины и характеристики

Что такое светодиодный ЧИП, типы и характеристики

Все статьи

 

Проще говоря, люминофор - это то, что делает светодиоды пригодными для использования. Светодиодные чипы по своей природе являются синими, красными или зелеными, причем синие светодиоды чаще всего используются в твердотельном освещении. Однако синий свет, который они излучают, непригоден для повседневного освещения и должен быть покрыт люминофором. Хотя эффективность светодиода в значительной степени зависит от синего чипа, качество цвета, которое мы видим, почти полностью зависит от используемого люминофора. Ниже приведены четыре основных типа люминофора для обеспечения правильного цветового таргетинга и очень высокого качества света.

• Силикаты представляют собой одни из самых ярких люминофоров, что делает их отличным выбором для дисплеев.
• Люминофоры NYAG (Гранат) могут использоваться в качестве люминофоров с одним раствором для промышленного или наружного освещения, где эффективность - главное в игре; не обязательно качество света. Однако их также можно комбинировать с другими люминофорами для получения белого света с качеством + 80CRI.
• Люминофоры GAL (алюминатные) - это патентованные люминофоры Intematix, которые можно смешивать с красными люминофорами (в частности, с красными нитридами XR) для создания белого света высочайшего качества, доступного в настоящее время на рынке - эта комбинация люминофоров (GAL + красный).
• Красный нитридный люминофор - ключевой ингредиент для создания высококачественного света со значением R9 до 98. Если вам нужен светодиод, который сравнивается с источником света накаливания, красный нитрид в настоящее время просто необходим.
• Люминофоры KSF имеют чрезвычайно узкую полосу излучения, что делает их идеальными для освещения дисплеев, где они обеспечивают значительно более высокую яркость экрана, эффективность и дисплеи с широкой цветовой гаммой.

Часто задаваемые вопросы о люминофоре

Что такое люминофор в светодиодах?

Люминофоры - это материалы, которые поглощают свет и преобразуют его в широкий спектр других длин волн (цветов) света с более низкой энергией, что делает их критически важными для многих осветительных приборов, особенно светодиодов. Большинство белых светодиодов на самом деле являются синими светодиодами с люминофорным покрытием.

Какие преимущества использования люминофора?

Люминофор обеспечивает стабильный высококачественный свет с различными цветовыми температурами и индексами цветопередачи - все с более высокой эффективностью и меньшей стоимостью. Для любого данного светодиода до 95% фотонов исходит от люминофора.

Люминофор - это натуральный материал?

Фосфор - это химически модифицированный порошок, состоящий из различных природных элементов. Он не токсичен и не содержит ртути. Люминофор не содержит элемент фосфор.

Что такое выносной люминофор?

Удаленный люминофор отделяет люминофор от источника фотонов, которые его возбуждают. По сравнению с традиционными конструкциями светодиодов, где голубые микросхемы покрыты люминофором. Эта архитектура обеспечивает беспрецедентную свободу проектирования, более эффективные производственные процессы, исключительное качество света и до 30% высокой эффективности системы.

Все ли светодиоды используют люминофор?

Не во всех светодиодах используется люминофор, но в большинстве обычных систем белых светодиодов люминофор используется для преобразования синего света. Другой способ добиться белого света с помощью светодиодов - использовать систему красный-зеленый-синий (RGB). Системы RGB требуют более сложных систем управления, поскольку каждый цветной светодиод ведет себя по-разному в разных средах.

Что такое светодиодный люминофор?

Светодиодный люминофор представляет собой разновидность фотолюминесцентных материалов, способных поглощать энергию фиолетового и синего света от нитрида галлия или другого светодиодного чипа и преобразовывать ее в видимый свет. Люминофоры изготовлены из твердых люминесцентных материалов, которые могут поглощать синий свет (450-460 нм) и испускать зеленый, желтый, оранжевый или красный свет.

Большинство белых светодиодов состоят из светодиодного чипа, который излучает синий свет с узким спектром между 440–470 нм и покрытия из желтого, зеленого и / или красного люминофоров. Люминофоры предназначены для поглощения части синего света от кристалла светодиода. Свет, излучаемый люминофором, в сочетании с остающимся синим светом, просачивающимся через слой люминофора, дает свет, который человеческий глаз воспринимает как белый.

Характеристики светодиодных люминофоров

Характеристики белого светодиода, включая его долгосрочную надежность, сильно зависят от выбора люминофорных материалов, а также от метода, используемого для интеграции этих материалов в светодиод. Коммерчески доступные желтые люминофоры обычно обеспечивают хорошее широкополосное излучение в видимой области спектра (500-700 нм), эффективное поглощение синего света (420-480 нм) и хорошую химическую и термическую стабильность. Однако в спектре излучения этих желтых люминофоров отсутствует красный режим. Следовательно, белые светодиоды с только желтым люминофором часто характеризуются голубовато-белым оттенком и CCT в диапазоне от 4000 до 6500 K. Кроме того, эти светодиоды часто не соответствуют минимальным требованиям CRI, что важно для светодиодов осветительного уровня.

Характеристики светодиодных люминофоров в основном можно разделить на свойства порошка, гранулометрический состав и стабильность (характеристики старения). Обычно люминесцентные характеристики светодиодов в основном относятся к квантовой эффективности люминофоров, спектру, относительной яркости, относительной интенсивности. Координата цвета CIE1931, максимальная длина волны, FWHM (полная ширина на половине максимума) и так далее, с некоторыми корреляциями между этими параметрами. В практических приложениях в качестве ключевых показателей эффективности в разных областях обычно выбираются разные параметры. В общем, такие параметры, как (1) квантовая эффективность, (2) координата цвета CIE1931, (3) максимальная длина волны и (4) FWHM, считаются основными параметрами оптических характеристик; эквивалентный размер частиц, гранулометрический состав и дискретная степень представляют свойства частиц порошка.

Характеристики светодиодного люминофорного порошка 

1. Квантовая эффективность.

Отношение энергии излучения (числа фотонов) люминесцентных материалов к энергии возбуждения (числа фотонов)

Квантовая эффективность ≈ Энергетическая эффективность (η)

η = E _эм / E _в

E _em : энергия излучения, E _in : энергия возбуждения

В реальном процессе не вся энергия может быть поглощена, а определенная часть энергии отражается или уходит. Следовательно, скорость поглощения является параметром, без которого не обойтись сам процесс люминесценции. Приведенную выше формулу можно изменить, используя такие параметры, как внешняя квантовая эффективность (eQE), внутренняя квантовая эффективность (iQE) и скорость поглощения (Abs).

• Внешняя квантовая эффективность: отношение количества излучаемых фотонов ко всем входящим фотонам.
• Внутренняя квантовая эффективность: отношение количества излучаемых фотонов к количеству поглощенных падающих фотонов.

eQE = Abs * iQE

iQE = η = E _em / E _в

Установлено, что iQE определяется кристаллической структурой самого светодиодного люминофора. Чем лучше кристалличность, тем выше iQE. Скорость поглощения зависит не только от кристаллической структуры самого люминофора, но также в значительной степени зависит от размера частиц и гранулометрического состава порошка. При разработке и применении светодиодных люминофоров люминесцентные характеристики люминофоров часто оцениваются IQE. Соответствующая способность люминофоров возбуждать энергию оценивается по скорости поглощения. EQE (продукт IQE и Abs) отражает энергоэффективность светодиодного люминофора. Следует отметить, что разница в QE между светодиодными люминофорами большая. Также есть существенные отклонения, если светодиодные люминофоры производятся разными процессами и разными производителями даже в условиях одной и той же системы, одинакового соотношения, одинаковой температуры и времени синтеза. 

2. Спектры

Спектр указывает длину волны возбуждения и длину волны излучения светодиодных люминофоров.

(1) Спектр возбуждения (Ex)

• отражает степень отклика материала на внешнее световое возбуждение.
• характеризует эффективные длины волн для возбуждения.

(2) Спектр излучения (Em)

• указывает на изменение энергии излучения материала при возбуждении определенной длины волны.
• отражает форму, расположение и энергоемкость выброса.

(3) Закон Стокса: длина волны излучения больше длины волны спектра возбуждения.

Закон Стокса (также известный как сдвиг Стокса) анализирует механизм фотолюминесценции с точки зрения спектра и подтверждает концепцию квантовой эффективности. Во время процесса освещения энергия возбуждения не полностью поглощается люминофором светодиода. Часть энергии отражается или передается. Хотя большая часть поглощенной энергии будет высвобождаться в форме света, остальная часть энергии может быть преобразована в тепло, механическую энергию или другие формы электромагнитных волн. Для процесса люминесценции потеря энергии приводит к тому, что излучаемая энергия меньше поглощенной, и, таким образом, длина волны излучаемого света короче, чем у возбуждающего света. Это так называемый стоксов сдвиг.

3. Пиковая длина волны (λ / нм)

WLP (пиковая длина волны): длина волны соответствует максимуму силы света или мощности излучения. Это чисто физическая величина, которая может быть выражена в λp. Обычно длина волны пика относится либо к длине волны пика возбуждения, либо к длине волны пика излучения, которые представлены как λex и λem, соответственно. Длина волны пика возбуждения - это длина волны светодиодного люминофора, наиболее чувствительная к энергии возбуждения. Пиковая длина волны излучения - это длина волны света с наибольшей интенсивностью, излучаемой светодиодным люминофором. В реальных применениях светодиодных люминофоров светодиодные устройства являются основой люминесценции. Для разных типов устройств определяются свет возбуждения и длина волны возбуждения. Следовательно, длина волны пика часто относится к длине волны пика излучения.

4. Полная ширина на половине максимума (FWHM)

FWHM - это ширина линии на половине максимальной высоты полосы, которая объективно отражает чистоту цвета и световую площадь светодиодного люминофора. Вообще говоря, чем уже ширина пика излучения на полувысоте, тем чище цвет света, который он представляет. И чем шире FWHM пика излучения, тем шире диапазон света, который он представляет. В разных областях требования FWHM немного отличаются. Например, в области белого светодиодного освещения для полной ширины светодиодного люминофора требуется определенная ширина. Спектр, излучаемый светодиодным устройством, образованный люминофором и стандартным синим светом, может покрывать всю видимую область для достижения эффекта «солнечного спектра». В области светодиодных дисплеев с подсветкой FWHM чем меньше, тем лучше,

С другой стороны, FWHM также указывает на кристалличность светодиодного люминофора. Чем лучше кристалличность люминофора, тем меньше дефектов решетки и тем уже соответствующая полуширина. В той же системе свойства порошка будут лучше, если полуширина светодиодного люминофора будет меньше. 

И разные системы имеют свои характерные FWHM. Например, FWHM желтого порошка составляет 100-120 нм; FWHM нитридного красного люминофора (SCASN) составляет 70-90 нм; FWHM оксида азота зеленого люминофора ( β-Sialon) составляет 40-60 нм; FWHM красного люминофора фторида кремния (KSF) составляет около 30 нм. 

5. Координаты цветности (Cx, Cy)

Диаграмма цветности CIE 1931 - это диаграмма цветности CIE, представленная номинальными значениями, где "x" представляет красную составляющую, а "y" - зеленую составляющую. Точка E представляет собой белый свет, координаты которого равны (0,33, 0,33). Цвета, окружающие край цветового пространства, являются наиболее насыщенными цветами спектрального диапазона. 

Цифры на границе представляют длины волн спектрального цвета, а контур содержит все воспринимаемые тона. Весь монохроматический свет расположен на изгибе языка контура, который является монохроматическим локусом. А настоящие цвета в природе расположены внутри замкнутой кривой. Три физических основных цвета, выбранные в системе RGB, находятся на кривой языка диаграммы цветности. 

Другими словами, каждый тип света может найти соответствующее представление точки координат на диаграмме цветности CIE. Если соединение двух координатных точек проходит через промежуточную область белого света, белый свет может быть сформирован комбинацией двух люминофоров. 

В практических применениях светодиодного люминофора синий или фиолетовый свет от полупроводниковых кристаллов имеет фиксированную точку координат цвета, образующую треугольник с двумя другими точками координат цвета. Если геометрический центр треугольника находится в области белого света, он будет светиться белым светодиодом. 

При разработке белого светодиодного освещения самый ранний белый свет формируется путем сочетания стандартного синего света и желтого люминофора для получения белого света с высокой цветовой температурой. Однако, несмотря на преимущества светодиодов, в то же время присутствует низкий коэффициент цветопередачи (Ra). 

Для продвижения CRI светодиодных устройств, технологический маршрут постепенно развивался до стандартного синего света + зеленого порошка + нитридного красного порошка. Также постоянно улучшаются характеристики светодиодных устройств на основе трехцветного решения.

Параметры светодиодного устройства

1. Световой поток и световая отдача.

Световой поток светодиода - это количество света, излучаемого в единицу времени.  Световая отдача светодиода - это световой поток светодиода на единицу мощности. Оба они указывают на силу света светодиодных устройств, которая является важным параметром для световых характеристик светодиодных устройств. 

Однако они используются в разных случаях. Для приложений, требующих сильного освещения, важен световой поток (абсолютное значение); в то время как для областей с высокими эксплуатационными характеристиками требуется высокая световая отдача.

2. Цветовая гамма

Цветовая гамма - это диапазон цветов света, достигаемый светодиодными устройствами. Благодаря большему охвату светодиодные устройства могут достигать большего количества и более насыщенного цвета. Взяв поле дисплея в качестве примера, ранние телевизоры были только черно-белыми с небольшой цветовой гаммой. По мере развития технологии электронно-лучевой дисплей может отображать 72% цветового стандарта NTSC, а ЖК-дисплей - 90%. 

Теперь у обычных дисплеев со светодиодной подсветкой показатель составляет 105%. Новейшая технология отображения квантовых точек может увеличить значение цветовой гаммы до более чем 110%. Однако он имеет такие недостатки, как высокая стоимость, высокая токсичность и низкий выход, и поэтому в настоящее время не может доминировать на рынке. 

3. Индекс цветопередачи

Индекс цветопередачи (CRI) - это величина, описывающая степень различий между цветом объекта, воспринимаемого человеческим глазом под образцом источника света, и цветом под стандартным источником света (солнечный свет) с той же цветовой температурой. Значение до 100 и может быть отрицательным. Более высокий индекс цветопередачи указывает на образец источника света, передающий цвет более похожий на стандартный источник света, и, таким образом, считается, что он имеет лучшее качество света.

4. Стабильность

Стабильность важна для светодиодных люминофоров и светодиодных устройств. Более высокая стабильность означает более длительный срок службы и, следовательно, лучшую практичность и применимость. Стабильность относится не только к сроку службы люминофора и устройства, но и к влиянию окружающей среды. Обычно проверка стабильности проводится в экстремальных условиях, таких как высокая температура и высокая влажность. 

Среди них наиболее широко используемый и наиболее представительный метод - «двойные 85 тестов» (85 ° C и 85% влажность). Изделие считается аттестованным, если после испытания в «двойных 85 испытаниях» в течение 1000 ч его световой поток составляет более 90% от исходного состояния, а смещение цветовых координат составляет менее 10%. Изделие считается превосходным, если его световой поток превышает 95%, а смещение цветовой координаты после испытания составляет менее 5%.