CN108417695B - 一种类太阳光谱的led光源及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种类太阳光谱的LED光源及其制备方法，光转化层的荧光粉只有三种组分，生产过程中易于配粉，降低配粉出错率，而且光源色坐标落档率会比采用更多荧光粉的技术方案高，光源生产过程中更容易把控整体产品色坐标的落档率。本发明实现的光谱和太阳光光谱类似，比现有技术的仿太阳光谱多增加了紫光部分的能量。本发明采用紫光芯片，430nm以后的能量比较足，更接近于真实的太阳光谱。普通的LED光源由于深红部分能量缺失，造成光品质不好，本发明采用650nm发射峰的深红色荧光粉，对深红色部分的能量进行补足，实现更好的光品质，用最新的IES Rf‑Rg calculator(IES TM30‑15)的标准评估，Rf大于95，Rg大于99。本发明实现的光谱色温覆盖范围宽，从2200K～10000K。

Description

一种类太阳光谱的LED光源及其制备方法
技术领域
本发明涉及光学领域，更具体地说，涉及一种类太阳光谱的LED光源，以及一种类太阳光谱的LED光源的制备方法。
背景技术
现有技术中，实现白光LED的方式主要是通过蓝光LED芯片激发黄色荧光粉来实现。
通过上述的方式实现的白光存在显色性低等不足，主要是在青色490～510nm和深红630nm以后能量缺失。
为了克服上述不足，现有技术中还存在一些的仿太阳光LED光源，但由于担心紫光对皮肤的伤害，都取消了紫光。
然而，在理论上，如果要得到更接近的仿太阳光，紫光部分是不能缺失的。而且，如果能将近紫光的能量控制在一个合适的水平，对于人的健康还是有帮助的，如近紫光可以参与合成V-D3，可用于缓解抑郁症等。并且，在一些特殊场合照明，如服装照明，由于有些服装含有荧光增白剂，包含近紫光的光线，会呈现出更高的色域饱和度和光品质。
对于实现仿太阳光的光谱，现有技术中，如中国发明专利申请CN105552196A，公开了仿太阳光的LED光源及其制备方法，所述LED封装光源由四种荧光粉组成；而且实现的相对色温只有5000～6000K。
可见，上述发明存在荧光粉过多，光源生产过程中不容易把控整体产品色坐标的落档率，而且生产过程中相对有较高的配粉出错率；而且实现的光谱色温温覆盖范围较窄。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种所得光谱和太阳光类似、光品质好的类太阳光谱的LED光源，并提供一种类太阳光谱的LED光源的制备方法。
本发明的技术方案如下：
一种类太阳光谱的LED光源，包括紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片，以及涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上的光转化层，光转化层通过荧光粉和封装胶制备，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％。
作为优选，两种不同主波长范围的蓝光芯片数量为1：1。
作为优选，如果单颗发光芯片为并联连接，则蓝光芯片与紫光芯片的数量比为2：1。
作为优选，如果单颗发光芯片为串联连接，则蓝光芯片与紫光芯片的数量比大于3：1。
作为优选，两种蓝光芯片的主波长范围分别为445～450nm和457.5～462.5nm，紫光芯片的波段范围为400nm～430nm；
作为优选，两种蓝光芯片的主波长至少相差10nm。
作为优选，相对色温范围为2200K～10000K，当相对色温为4000K以上，得到的光谱用于模拟太阳光谱；当相对色温为4000K以下，得到的光谱用于模拟黑体辐射光谱。
作为优选，不同色温和黑体辐射光谱符合以下关系：
Figure BDA0001557242490000021
其中，T代表色温，h为普朗克常数6.626×10-34J·S，c为光速2.998×108m/s，K为玻尔兹曼常数1.3806505×10-23J/K，TB为黑体绝对温度，λ为辐射波长。
作为优选，所述的青粉为硅基氮氧化物、正硅酸盐、偏硅酸盐或硅铝基氮化物、锗酸盐中的一种或几种荧光粉；所述的绿粉为GaYAG、LuAG、硅基氮化物或硅基氧化物中的一种或几种荧光粉；所述的深红色粉为硅基氮化物红粉或铝基氮化物红粉。
作为优选，所述的光转化层为荧光粉和封装胶水的混合体，所述封装胶水为环氧树脂、硅胶或硅树脂。
一种类太阳光谱的LED光源的制备方法，在LED支架或基板上设置紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片；将光转化层涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上；光转化层含有封装胶和荧光粉，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％；
所得半成品先烘烤至荧光粉充分沉降，再进行工艺参数固化，得到成品。
作为优选，如果紫光芯片、蓝光芯片为正装芯片，则通过纯金、合金线和LED支架或基板进行电连接；如果紫光芯片、蓝光芯片为倒装芯片，则通过锡膏或共晶和LED支架或基板进行电连接。
作为优选，所得半成品先在60℃的烘箱内存放4～5小时，使荧光粉充分沉降，再按进行工艺参数固化，得到产成品。
本发明的有益效果如下：
本发明所述的类太阳光谱的LED光源中，光转化层的荧光粉只有三种组分，生产过程中易于配粉，降低配粉出错率，而且光源色坐标落档率会比采用更多荧光粉的技术方案高，光源生产过程中更容易把控整体产品色坐标的落档率。
本发明实现的光谱和太阳光光谱类似，比现有技术的仿太阳光谱多增加了紫光部分的能量，本发明采用紫光芯片，430nm以后的能量比较足，更接近于真实的太阳光谱。普通的LED光源由于深红部分能量缺失，造成光品质不好，本发明采用650nm发射峰的深红色荧光粉，对深红色部分的能量进行补足，实现更好的光品质，用最新的IES Rf-Rg calculator(IES TM30-15)的标准评估，Rf大于95，Rg大于99。本发明实现的光谱色温覆盖范围宽，从2200K～10000K。
附图说明
图1是普通LED照明光源光谱图；
图2是5000K太阳光的光谱图；
图3是实施例1的光谱图；
图4是实施例1与5000K太阳光的光谱对比示意图；
图5是4000K太阳光的光谱图；
图6是实施例2的光谱图；
图7是施例2与4000K太阳光的光谱对比示意图；
图8是2700K黑体辐射光谱图；
图9是实施例3的光谱图；
图10是实施例3与2700K黑体辐射的光谱对比示意图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。
本发明为了解决现有技术存在的光谱无法完美模拟太阳光谱的不足，提供一种类太阳光谱的LED光源及其制备方法，光转化层采用更少的荧光粉种类，紫光部分不缺失，更好地实现类太阳光谱，得到更健康、光品质更好的LED光源光谱。本发明所述的类太阳光谱的LED光源适用于多种封装形式，如贴片式LED、COB、CSP和灯丝等。
本发明所述的类太阳光谱的LED光源，包括紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片，以及涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上的光转化层，光转化层通过荧光粉和封装胶制备，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％。
其中，所述的光转化层为荧光粉和封装胶水的混合体，将混合的荧光粉和封装胶离心混合均匀，脱泡，再把光转换层均匀覆盖发光芯片，设定合适的烘箱温度，从而固化封装胶，最后得到类太阳光谱的LED光源。
使用量为8％～20％的青粉可以加强现有技术的普通LED光源光谱中所没有的490～505nm青色光的能量，从而使实现的LED光源的光谱更加接近太阳光谱，这比单纯用绿色荧光粉实现的光谱更加接近太阳光谱。
具体实施时，作为优选，所述的青粉为硅基氮氧化物、正硅酸盐、偏硅酸盐或硅铝基氮化物、锗酸盐中的一种或几种荧光粉；所述的绿粉为GaYAG、LuAG、硅基氮化物或硅基氧化物中的一种或几种荧光粉；所述的深红色粉为硅基氮化物红粉或铝基氮化物红粉。所述封装胶水为环氧树脂、硅胶或硅树脂。需要说明的是，上述青粉、绿粉和深红色粉包括但不限于以上具体成分，只要是各个颜色符合相应规定的波长范围即可。
本发明中，两种蓝光芯片的主波长范围分别为445～450nm和457.5～462.5nm，两种不同主波长范围的蓝光芯片数量为1：1。而且，两种蓝光芯片的主波长至少相差10nm为最佳。用主波长相差10nm以上的两种蓝光芯片，可以有效解决单个蓝光芯片半波宽较窄的问题，LED光源光谱在蓝光部分连续性更好；用两种主波长的蓝光芯片，也可以提高荧光粉的激发效率。
本发明中，紫光芯片的波段范围为400nm～430nm。本发明设置紫光芯片，可以补充常规LED光源紫光部分能量的缺失。同时，为了降低紫外的波长，本发明提供两种方式：
一种是单颗芯片之间全部采用并联方式，则如果单颗发光芯片为并联连接，则蓝光芯片与紫光芯片的数量比为2：1。
一种是单颗芯片之间全部采用串联方式，如果单颗发光芯片为串联连接，则每个串联电路中，蓝光芯片与紫光芯片的数量比大于3：1。
由此实现的类太阳光谱光源，由于在光谱的紫光部分有足够的能量，会比普通的LED更加拟合太阳光谱，从而会有更好的光品质，用最新的IES Rf-Rg calculator(IESTM30-15)标准来评估，Rf大于95，Rg大于99。
本发明所述的LED光源能够实现宽色温，可实现相对色温范围为2200K～10000K的光谱。而当相对色温为4000K以上，得到的光谱和实际太阳光谱类似，可用于模拟太阳光谱；当相对色温为4000K以下，得到的光谱和黑体辐射光谱类似，可用于模拟黑体辐射光谱。
而不同色温和黑体辐射光谱符合以下关系：
Figure BDA0001557242490000051
其中，T代表色温，h为普朗克常数6.626×10-34J·S，c为光速2.998×108m/s，K为玻尔兹曼常数1.3806505×10-23J/K，TB为黑体绝对温度，λ为辐射波长。
实施例1
本实施例中，所述的类太阳光谱的LED光源包括2种波段蓝光芯片、紫光芯片，2种蓝光芯片的波段分别为445～450nm和457.5～462.5nm，紫光芯片的波长为400nm～430nm；
荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉8％～20％、发射波长为520～540nm的绿粉65％～80％、发射波长为640～660nm的深红色粉8％～15％。
本实施例实现的光源色温为5300～5800K。
如图1所示，普通LED的光谱连续性不好，在青色部分480-510nm能量缺失，深红部分能量缺失，和太阳光的光谱差距大，造成光源显色性差，光品质不好。
如图2、3、4所示，实施例1的光谱在紫光部分、蓝光部分、青色光部分、绿色光和深红色光部分均出现峰值。其中，由于采用两种不同波段的蓝光LED芯片，故蓝光部分出现双峰，由于可见光谱范围内多处出现峰值，故整个光谱连续性很好，在640nm以前，光的强度和太阳光谱拟合很好。
由于人眼对深红色颜色不敏感，且深红部分的人眼视见函数很低，为了保证光源的光效，故深红部分不刻意去和太阳光拟合。
实施例2
本实施例中，所述的类太阳光谱的LED光源包括2种波段蓝光芯片、紫光芯片，2种蓝光芯片的波段分别为445～450nm和457.5～462.5nm，紫光芯片的波长为400nm～430nm；
荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉8％～20％、发射波长为520～540nm的绿粉65％～80％、发射波长为640～660nm的深红色粉8％～15％。
本实施例实现的光源色温为3800～4300K。
如图5、6、7所示，实施例2的光谱在紫光部分、蓝光部分、青色光部分、绿色光和深红色光部分均出现峰值。其中，由于采用两种不同波段的蓝光LED芯片，故蓝光部分出现双峰，由于可见光谱范围内多处出现峰值，故整个光谱连续性很好，在深红色波长以前，光的强度和太阳光谱拟合很好。
由于人眼对深红色颜色不敏感，且深红部分的人眼视见函数很低，为了保证光源的光效，故深红部分不刻意去和太阳光拟合。
实施例3
本实施例中，所述的类太阳光谱的LED光源包括2种波段蓝光芯片、紫光芯片，2种蓝光芯片的波段分别为445～450nm和457.5～462.5nm，紫光芯片的波长为400nm～430nm；
荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉8％～20％、发射波长为520～540nm的绿粉65％～80％、发射波长为640～660nm的深红色粉8％～15％。
本实施例实现的光源色温为为2200K-2700K。
如图8、9、10所示，实施例3的光谱在紫光部分、蓝光部分、青色光部分、绿色光和深红色光部分均出现峰值。其中，由于采用两种不同波段的蓝光LED芯片，故蓝光部分出现双峰，由于可见光谱范围内多处出现峰值，故整个光谱连续性很好，在深红色光谱以前，光的强度和黑体辐射拟合度很高。
由于人眼对深红色颜色不敏感，且深红部分的人眼视见函数很低，为了保证光源的光效，故深红部分不刻意去和太阳光拟合。
对应于所述的类太阳光谱的LED光源，本发明还提供一种类太阳光谱的LED光源的制备方法，步骤如下：
1)在LED支架或基板上设置紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片；其中，如果紫光芯片、蓝光芯片为正装芯片，则通过纯金、合金线和LED支架或基板进行电连接；如果紫光芯片、蓝光芯片为倒装芯片，则通过锡膏或共晶和LED支架或基板进行电连接；
2)将光转化层涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上；光转化层含有封装胶和荧光粉，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％；
3)所得半成品先烘烤至荧光粉充分沉降，再按正常条件进行工艺参数固化，得到成品。
步骤3)中，所得半成品先在60℃的烘箱内存放4～5小时，使荧光粉充分沉降，再按正常的工艺参数固化，得到产成品。
上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。

Claims (13)

1.一种类太阳光谱的LED光源，其特征在于，包括紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片，以及涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上的光转化层，紫光芯片的波段范围为400nm～430nm；光转化层通过荧光粉和封装胶制备，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％。
2.根据权利要求1所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，两种不同主波长范围的蓝光芯片数量为1：1。
3.根据权利要求2所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，如果单颗发光芯片为并联连接，则蓝光芯片与紫光芯片的数量比为2：1。
4.根据权利要求2所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，如果单颗发光芯片为串联连接，则蓝光芯片与紫光芯片的数量比大于3：1。
5.根据权利要求1至4任一项所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，两种蓝光芯片的主波长范围分别为445～450nm和457.5～462.5nm。
6.根据权利要求5所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，两种蓝光芯片的主波长至少相差10nm。
7.根据权利要求1所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，相对色温范围为2200K～10000K，当相对色温为4000K以上，得到的光谱用于模拟太阳光谱；当相对色温为4000K以下，得到的光谱用于模拟黑体辐射光谱。
8.根据权利要求7所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，不同色温和黑体辐射光谱符合以下关系：
Figure FDA0002300594640000011
其中，T代表色温，h为普朗克常数，c为光速2.998×108m/s，K为玻尔兹曼常数，TB为黑体绝对温度，λ为辐射波长。
9.根据权利要求1所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，所述的青粉为硅基氮氧化物、正硅酸盐、偏硅酸盐或硅铝基氮化物、锗酸盐中的一种或几种荧光粉；所述的绿粉为GaYAG、LuAG、硅基氮化物或硅基氧化物中的一种或几种荧光粉；所述的深红色粉为硅基氮化物红粉或铝基氮化物红粉。
10.根据权利要求1或9所述的类太阳光谱的LED光源，其特征在于，所述的光转化层为荧光粉和封装胶水的混合体，所述封装胶水为环氧树脂、硅胶或硅树脂。
11.一种类太阳光谱的LED光源的制备方法，其特征在于，在LED支架或基板上设置紫光芯片、两种不同主波长范围的蓝光芯片；将光转化层涂覆于紫光芯片、蓝光芯片上；光转化层含有封装胶和荧光粉，荧光粉由下述组分组成：
发射波长为490～505nm的青粉：8％～20％；
发射波长为520～540nm的绿粉：65％～80％；
发射波长为640～660nm的深红色粉：8％～15％；
所得半成品先烘烤至荧光粉充分沉降，再按工艺参数进行固化，得到成品。
12.根据权利要求11所述的类太阳光谱的LED光源的制备方法，其特征在于，如果紫光芯片、蓝光芯片为正装芯片，则通过纯金、合金线和LED支架或基板进行电连接；如果紫光芯片、蓝光芯片为倒装芯片，则通过锡膏或共晶和LED支架或基板进行电连接。
13.根据权利要求11所述的类太阳光谱的LED光源的制备方法，其特征在于，所得半成品先在60℃的烘箱内存放4～5小时，使荧光粉充分沉降，再按工艺参数进行固化，得到产成品。
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