余辉荧光粉可缓解LED照明频闪

作者:吴懿平 博士

引言

白光LED已经广泛用于日常照明等领域,并以其节能、耐用、寿命长等优点成为新一代的照明光源。目前用于照明的LED芯片几乎全部是蓝光LED芯片。由蓝光LED芯片发出的蓝光一部分去激发YAG:Ce3+荧光粉发出黄光,并有黄光与透射出的蓝光合成而得到可供照明的白光。这种黄色YAG:Ce3+荧光粉自身没有余辉效应,所以蓝光及其激发黄色荧光粉合成的白光光源是瞬时的。同时,电能加载LED芯片上激发出的蓝光也是瞬时的。因此,若采用脉动供电,则蓝光LED激发黄色银光粉产生的白光就会出现与脉动供电同频率的闪烁。例如,采用市电供电的LED驱动电源必须要加上电解电容才能保持电流恒定而无频闪。在AC-LED照明方式下,为了消除频闪,许多学者一直在研究荧光粉的余辉现象,希望这种荧光粉能够在蓝光激发下,可以通过自身的余辉现象来弥补AC-LED的频闪,从而提高照明质量。

余辉效应与有效时间

传统蓝光激发的黄色荧光粉只有在蓝光激发下才能够发出黄光,激发光源消失,产生的黄光荧光也就瞬间消失。而余辉荧光粉在光的照射下能够发出可见光,并且将所吸收的能量储存起来,当光照停止时,其能将剩余的能量以光的形式发射出来这一过程叫做荧光粉的余辉效应。余辉发光的原理如图1所示。从价带被激发的电子进入导带中后,又会掉入这些陷阱能级。由于这些被陷阱能级所捕获的激发电子必须首先脱离陷阱能级进入导带之后才能跃迁回到之前的价带,所以它们被射入光子激发后,往往需要延迟一段时间才能发光,由此出现了所谓的余辉现象。

具有余辉的荧光粉按照激发后光照的持续时间可以分为长余辉、短余辉和超长余辉荧光粉。此外,余辉荧光粉的激发光源有很多,通常激发光源可以有:可见光、紫外光、电子束、等离子体,甚至X射线与β射线等高能束也可能作为激发光源,实现荧光粉的余辉发射现象。

在LED照明应用领域,获得白光的方法有多种方案,其中采用蓝光LED芯片和黄色荧光粉组合来实现白光照明是当前LED照明的基本方法和最成熟的技术方案。如果蓝光LED芯片的供电是非稳恒直流供电,则会出现闪烁。为了消除频闪,一种方法是通过复杂的电路设计并加入大电容滤波来改进LED照明的供电质量;另一种方法则是采用具有余辉的荧光粉来缓解LED照明的频闪。

采用市电通过整流桥堆整流后获得的脉动直流电给LED芯片供电或者将交流市电直接加在由LED芯片组成的整流桥堆上实现LED供电是目前最简单、成本最低的照明供电方案。加载LED芯片上的电压和电流波形如图2所示。

当电压高于LED的正向电压Vf时候,芯片被激发产生蓝光,而低于Vf时,芯片不发光。不考虑其他因素,我们假定荧光粉余辉的有效时间tx应该至少大于电流的间隙才能够缓解频闪现象。通过简单的计算可以得到导通角:

若50 Hz市电,其整流后的脉动直流周期T=10 ms,则电流间隙时间tx=2α/π×T。依据GB 17625.1得知,目前的导通角α<60°=π/3,于是可得到余辉时间的范围为tx≥2α/π×T≈6.67。因此,当荧光粉应用于50 Hz市电供电时,为了尽量消除频闪,其余辉时间tx应该不小于6.67 ms。

另一方面,由于当余辉荧光粉与市电供电的蓝光LED芯片结合时,在前半个周期内芯片的激发时间(激发能量)固定,所以我们不希望荧光粉的余辉时间tx太长,这样会使得余辉的强度不够,达不到消除频闪的目的。所以余辉荧光粉在蓝光激发下余辉时间应该大于6.67 ms,并且最好能够在6.67 ms内将其自身的能量全部激发出来,从而来消除频闪。余辉时间太长,则荧光粉产生的强度不够;余辉时间太短,则根本无法弥补电流间隙,更达不到消除频闪的目的。实际上,荧光粉的余辉强度是呈指数衰减的。到目前位置还没有研发出衰减时间在10 ms范围内的可供实际应用的蓝光驱动的余辉荧光粉。

YAG:Ce3+体系的荧光粉

众所周知,由于蓝光LED有着很高的发光效率和使用寿命,因此,照明用的LED白光是由蓝光LED激发Y3Al5O12:Ce3+黄色荧光粉而合成的白光。遗憾的是目前国内外研究的比较多的具有余辉的荧光粉大都是采用紫外光、X射线、氙灯和自然光等作为激发源,而对于蓝光激发源的余辉荧光粉的研究报道比较少。

Bo Wang等人在YAGG荧光粉的基础上添加了Ce和Pr元素,通过高温固相法获得Ce3+、Pr3+:Y3Al5-xGaxO12(x=0~5)系列荧光粉,在430 nm波长蓝光激发下,单纯不掺杂Ga的YAG荧光粉没有余辉特性,如图3(a);而掺杂了Ga的荧光粉其余辉时间有可能长达60 min,如图3(b)。由此可见,能够被蓝光激发的余辉荧光粉确实存在。由于这类荧光粉的余辉时间太长,发射强度又达不到缓解频闪的效果,因此这类荧光粉不适合用于LED照明来消除频闪。

也有不少学者在YAG:Ce3+荧光粉的基础上进行了改进。Jumpei Ueda等人研究得出在停止蓝光照射后,Ce3+、Cr3+共掺杂的Y3Al2Ga3O12荧光粉的余辉时间能持续5 min,并且产生的余辉光为绿光,同时此荧光粉的余辉时间要明显优于目前的绿色SrAl2O4:Eu2+-Dy3+长余辉荧光粉,5 min的余辉有效时间算是比较长,明显要大于tx,因此也不适合用来消除频闪。由于单纯的YAG:Ce3+荧光粉经过验证是不能被蓝光激发产生余辉的,于是,Ueda等人就采用另外一个主体结构,即Ce3+:Y3Sc2Ga3O12荧光粉结构来试图获得可共实用的余辉荧光粉。研究表明在真空下此荧光粉在蓝光激发下表现出具有长余辉特性,余辉时间长达660 s。按照前面所述的判据,此荧光粉余辉时间大于tx,还是不符合应用于LED消频闪的要求。

在蓝光作为光源的条件下,有一些荧光粉的余辉时间很短,甚至只有纳秒级别,Hui Chen等人采用几种荧光粉混合制得了一种微晶玻璃,这种微晶玻璃能得到性能不错的白光,微晶玻璃中的YAG:Ce3+,Mn2+,Si4+荧光粉在450 nm蓝光的激发下得到了纳秒级别的余辉,如图4(a),这种余辉的时间太短,往往不容易被监测到。Zebin Lin等人也研究了用于白光的色度可调的微晶玻璃,他们在TeO2基玻璃中分别加入Y3Mg2AlSi2O12:Ce3+橙色荧光粉和Y3Al4.6Ga0.4O12:Ce3+绿色荧光粉,在450 nm蓝光激发下得到的余辉图像如图4(b)所示,余辉时间也为纳秒级别。可见,这两种类型的荧光粉由于余辉时间太短,也不能用于LED消除频闪。

其他的余辉荧光粉

Hang Lin等人研究了Ce3+:GdAGG的荧光粉的余辉。在蓝光的激发下,该荧光粉的余辉平均寿命为115 ms,余辉时间大于tx,因此消除频闪的效果可能并不好。用此荧光粉做成微晶玻璃(Phosphor-in-glass)后,可以得到流明数为82 lm/W,显色指数为70.9的白光。

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