今天的大多數照明標準“白色”LED使用InGaN半導體，在光譜的藍色部分發光，并與釔鋁石榴石（YAG）熒光粉（摻雜鈰）結合。大多數LED的藍色光子被磷光體吸收，并在光譜的黃色部分重新發射。殘留的藍色光子和黃色照明的混合為眼睛提供了良好的白光近似。

這種LED和熒光粉的組合是一種經過驗證的技術，性能良好，但并不完美。一個值得注意的缺陷是由于系統輸出中缺少紅色成分而限制了高相關色溫（CCT）和較低顯色指數（CRI）。將YAG熒光粉與其他材料結合使用會增加紅色發光，從而導致“暖”白色LED的可用性，但代價是來之不易的功效。

本文詳細介紹了該問題，探討了如何制造用于LED的熒光粉照明正在迎接挑戰，然后考慮他們的熒光粉研究將對固態照明的效能，CCT和CRI產生什么影響。

藍色LED加YAG熒光粉等于白光

用于高熒光粉 - 亮度LED是一種高度專業化的材料，包括摻雜有稀土元素鈰的YAG（科學地標記為Y3Al5O12：Ce3 +）。該材料是從用于CRT的熒光粉演變而來，并于1967年首次合成。

在操作中，LED的藍色光子被YAG熒光粉中的原子或分子吸收，從而將組成電子提升到更高的能級。然后，電子通過重新發射能量部分地作為比吸收的光子更長波長（略微紅色，一些綠色和大量黃色）的光子而部分地作為熱量快速回落到較低水平。

YAG熒光粉的主要黃色發光和直接來自LED的藍色輻射通過YAG：Ce涂層“泄漏”結合在一起，可以很好地近似白光通過磷光體的吸收和再發射將藍光轉換為“白光”背后的現象被稱為斯托克斯移位，以愛爾蘭物理學家喬治·G·斯托克斯的名字命名，他在1852年的論文中描述了這種效應。圖1顯示了如何通過YAG熒光粉的吸收和發射曲線發生斯托克斯位移。

圖1：暴露在藍光下的YAG熒光粉的吸收和發射光譜。1

圖2顯示了使用YAG熒光粉的現代白光LED的相對光譜發射曲線（在這種情況下，OSRAM OSLON SSL 150 LED產生136 lm（正向電流350 mA，正向電壓3.1 V），效率為125 lm/W.虛線是眼睛的靈敏度函數，說明眼睛如何對不同波長的光作出反應。雖然第一個峰值（對應于直接來自LED的藍色光子）較大，但它不太明顯，因為眼睛對光線不敏感相比之下，熒光粉發出的光子以560 nm為中心 - 眼睛最佳感應光的點。

圖2：現代白光LED（歐司朗OSLON SSL 150）的光譜發射曲線。

由于它是經過驗證的技術可產生可接受的結果，因此YAG的特性代表了其他LED熒光粉的基準。只有YAG熒光粉強烈吸收藍色光子，它還具有快速的“衰減時間”（吸收藍色光子的電子“放棄”黃色光子和熱量的能量所需的時間），可以防止稱為飽和猝滅的現象。這是一個過程，通常發射的光子被“淹沒”并防止熒光體基質內的高光子通量逸出.YAG熒光粉具有許多其它LED應用的優點。首先，在藍色LED激發下YAG磷光體的量子效率（來自磷光體的總輸出光子能量與來自LED的輸入光子能量的量度）大約為健康的80％。其次，研究人員報告說，沒有跡象表明YAG熒光粉在長期藍光LED激發或暴露于濕氣下會降解。最后，YAG熒光粉的合成相對簡單，并使用相同的高純度前體（Y2O3，Al2O3，CeO2），這些前體已經多年用于傳統的CRT熒光粉.2

YAG熒光粉的缺點》盡管LED具有經過驗證的性能，但YAG熒光粉并不完美。兩個實際問題是“溫度淬火”和相對較低的化學穩定性。溫度淬火的原因很難掌握，但用外行人的話說，升高的溫度會導致電子通常吸收藍色光子（然后發出黃色）一）“失蹤”（換句話說，原子被電離）。 YAG熒光粉在大約200°C時會受到溫度淬火的影響，在正常工作期間LED不會出現異常高的溫度。此外，該材料的低化學穩定性限制了LED的使用壽命（定義為器件光度下降的點）當新的時候減去70％的產量。制造商通過指出現代白光LED能夠運行30，000小時甚至更長時間來反駁這一論點，但研究人員表示，這是在“理想”操作條件下測量的，化學不穩定性可能會影響惡劣環境中使用的設備的性能。但是，也許YAG熒光粉面臨的最大挑戰是美學上的挑戰。固態照明制造商熱衷于讓消費者接受這項技術，但一個常見的抱怨是，白色LED產生的“刺眼”光線幾乎沒有傳統白熾燈照明帶來的“溫暖”。這種感覺是由于YAG磷光體產生“藍色”白光而紅光含量很少的事實。結果是具有高CCT（5000至8300K）的光。缺少顯著的紅色波長為YAG磷光體器件引入了另一個問題：CRI差。 CRI是衡量照明光源與太陽光（CRI為100）相比再現物體顏色的程度的衡量標準。盡管存在明顯的缺點，但白熾燈泡的CRI約為95.相比之下，冷白光LED通常具有CRI為70到80.（有關CCT和CRI的更多信息，請參閱TechZone文章“定義白色LED的顏色特征”和“什么是顯色指數及其重要性？”。）

LED制造商在一定程度上解決了CCT和CRI的挑戰，將YAG熒光粉與另一種添加紅色波長的熒光粉混合，將CCT擴展到更溫暖的區域并改善CRI。用藍色LED代替紫外LED可以進一步改善CCT和CRI。 LED制造商為此提供商業紫外線產品。例如，Philips Lumileds提供其Luxeon LED的紫外線版本。該器件發出的波長介于395和400 nm之間，在500 mA時的最小輻射強度為525 mW/sr。 （由于眼睛無法看到紫外線的原因，紫外線LED的輻射強度（瓦特/球面度）被評定，而不是白光LED引用的更熟悉的效率（lm/W）數據。）

添加“紅色”磷光體的主要缺點是LED功效降低。更糟糕的是，紅色熒光粉的溫度淬滅閾值甚至低于YAG熒光粉，進一步降低了典型LED工作溫度下的功效。

Cree的Xlamp?XT-E白光LED工作電壓為350 mA和2.85 V，但冷白色（5000 K）版本的發光度為135 lm，功效為135 lm/W，而暖白色（2700 K）的亮度分別為97 lm和97 lm/W.與冷白色器件相比，其他制造商的暖白產品表現出相似的低效率。圖3顯示了藍色LED和YAG熒光粉的CCT和CRI之間的差異以及紫外LED與YAG熒光粉的混合物和紅色熒光粉。

圖3：將紫外線LED與黃色/紅色熒光粉結合使用可改善CCT范圍和CRI，但會降低功效。3

提高熒光粉效率

在過去的十五年中，對LED效率的追求一直是主要制造商固態照明組件發展的關鍵驅動因素。在光子的初始生成和從模具中提取光子方面都取得了顯著的進步。制造商最不希望的是紅色熒光粉的轉換效率相對較低，從而影響其暖白光LED的發光度。制造商正在努力應對生產新材料的挑戰，這些材料有望形成具有更高轉換效率的商用熒光粉，同時支持寬CCT范圍和良好的顯色指數。最有希望的候選產品是氮化物和氮氧化物材料，它們用另一種稀有元素金屬銪（Eu）代替鈰的電致發光特性。許多這些新型熒光粉可以用紫色或藍色LED激發并與房間相匹配和YAG：Ce熒光粉的高溫量子效率。此外，氮化物熒光粉在高溫/高濕條件下不會降解，因此適用于惡劣環境下的LED照明。

一系列高效氮氧化物熒光粉是MSi2O2N2：Eu 2 +（其中M = Ca 2 + ，Sr 2 + ，Ba 2 + ）組合物，其發射范圍為575至675 nm，在超過200°C的溫度下，量子效率大于85％（圖4）。來自這些氮化物磷光體的黃色，橙色和紅色Eu 2 + 發射可以與YAG：Ce組合用于比當前商業產品更高效率的暖白色LED。 YAG：Ce和CaAlSiN3：Eu 2 + 與藍色LED結合的磷光體混合物已經被用于制造高CRI暖白光燈。

圖4：氮化物和氧氮化物材料作為暖白光LED的高量子效率熒光粉顯示出前景.2

一個缺點是雖然這些新材料具有巨大潛力，但合成它們是比傳統的磷光體困難得多。然而，這并沒有阻止一些有進取心的制造商商業化氮化物熒光粉。 Intematix于2011年在其熒光粉產品系列中增加了紅色氮化物材料。該公司的熒光粉用于普通照明的高效暖白光LED，為客戶提供額外的獎勵，使他們免受某些專利許可問題的影響。

該公司聲稱新熒光粉將使照明市場能夠創造出比傳統YAG熒光粉解決方案更高效率和更高CRI（高達98）的暖白應用。據稱，使用這種新型熒光粉可以使客戶（合法地）規避與YAG熒光粉應用相關的某些專利，否則將會產生許可費用。

即將推出高效暖白光LED ，隨著制造商試圖讓消費者相信固態照明是傳統照明的實用替代品，LED的功效已大幅提升。然而，光子生產和光提取的進一步增長很難找到，因此LED制造商越來越多地將注意力轉向芯片特性的其他方面以尋求更好的性能。

其中一個方面是熒光粉，特別是那些用于將紅色波長添加到白色LED的輸出，以使設備顯得更暖。傳統的解決方案擴展了產品的CCT和CRI，滿足了消費者對各種溫度選擇和忠實色彩再現的需求，但否定了從引入其他技術中獲得的一些來之不易的功效。基于摻雜銪的氮化物和氮氧化物的磷光體有望產生具有良好CCT和CRI的新材料，但具有與現代高效冷白光LED中使用的純YAG磷光體相當（或更好）的量子效率。一些材料現在正在推向市場，工程師應該期待新一代更高效的暖白光LED即將推出。