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白光LED和非接觸螢光粉的比較

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白光LED和非接觸螢光粉的比較

【撰文/科銳應用工程師Michael Leung

摘要

 產業界有各種方法可以利用LED產生白光。早期對「白光LED」(white LED)的嘗試一直集中在將螢光粉整合進封裝內。而從物理上將螢光粉與藍光LED激發源分離出來,以產生白光LED的方式通常被稱為遠程螢光粉(remote-phosphor)系統,這個想法已經存在了十年以上。然而近來數個聲稱藉著遠程螢光粉活動而產生30% 光效增益的例子,引發了「哪一個製程才是最好」的辯論新話題。

 我們這篇文章想達到的目標是對多個以不同幾何配置方式存在的整合式白光LED封裝和遠程螢光粉系統進行研究和比較。我們的分析發現,在筒燈(downlight)和球泡燈(bulb)的配置中,遠程螢光粉系統的光輸出增益約為20%;然而,螢光粉和塗層的成本遠遠超過了採用增加白光LED顆數的方法。系統整合商必須衡量成本和性能的條件,才能為其照明應用謹慎考慮不同的LED技術。

 實驗

 為了進行一個「對等」的比較,我們必須考慮選用的LED晶片、螢光粉和最後的系統配置,因為除了螢光粉的位置之外,這些東西大部分都是相同的。

 為取得一樣的LED基準值,白光LED和寶藍光(Royal Blue) LED的製成使用相同的LED晶圓、波長和輻射通量;它們的封裝尺寸和XLamp® XT-E LED系列相同。這些LED被製成9 x 9的高密度LED模組,作為在不同應用測試中的基本照明引擎。在遠程螢光粉部分,我們使用和XT-E暖白光LED產品相同的暖白光螢光粉,相關色溫(CCT)為3000K,製作了相同的螢光粉盤(disc)和螢光粉球泡燈(bulb)。這些非接觸螢光粉的組件一起整合到LED模組裡,並與相對應的白光LED模組進行比較。同時,我們也採用了市售的遠程螢光粉產品以進行比較。

 該螢光粉盤和球燈泡配置是用來調查不同的幾何配置在功效改善方面是否扮演著重要角色。螢光粉盤的系統以筒燈進行測試,而球燈泡的配置則以全向型 (omni-directional) 進行測試。

 此外,我們也希望在盡量接近實際的應用環境 (高通量、高溫) 下來測試系統,因此,該LED模組將設置在高溫階段85°C的穩態條件下(持續時間30分鐘);而LED在700mA條件下運作,系統層級光輸出約為1400流明。

 筒燈

 在筒燈的測試中,我們以如前所述的暖白光LED模組製作了一個4吋的白光LED筒燈,利用塑膠反射筒套和一片4吋的聚碳酸酯 (polycarbonate)擴散板(diffuser)。而在遠程螢光粉這一組,我們使用寶藍光(Royal Blue) LED模組、以及白色塑膠反射筒套和一片4吋螢光粉塗層玻璃。這兩個系統示圖繪製如下面圖1。遠程螢光粉的玻璃盤是採用與XT-E暖白光LED矽產品矩陣排列相同的螢光粉,然後將其塗佈在玻璃上。兩個系統的色溫都調到一致的3000K。這兩個筒燈模組在進行測量以前,設置在溫度為85°C的0.5M球體中達30分鐘,如圖2所示。

圖1 在筒燈測試設置中,白光LED和非接觸螢光粉系統圖示。

(圖中文字,左至右)

筒燈

白光LED/反射器/擴散板

藍光LED/反射器/螢光粉盤

 

圖2 白光LED和遠程螢光粉筒燈測試設置的照片

 

(圖中文字,左至右)

XT-E暖白光LED基準值/

XT-E+反射圓筒(97%反射)/

XT-E+反射圓筒+擴散板(整體損失~5%)

 

以和上述XT-E暖白光LED相同的晶片建構的XT-E RB基準值/

XT-E RB+反射圓筒(97%反射)/

XT-E-RB反射圓筒&遠程螢光粉盤(大和小)

球泡燈

 在球泡燈部分的測試中,我們用9顆XLamp XT-E高效率暖白光LED燈來建立一個直徑35mm的玻璃球體的球泡燈模組,該玻璃球上有擴散板塗層(大多數燈泡都有為遮蓋LED熱點(hot spot)的擴散塗層)。而在遠程觸螢光粉這一組,我們則是使用9個科銳的XT-E Royal Blue LED來製作模組,加上有塗佈螢光粉矽膠的玻璃球燈泡。這兩種系統圖示請看圖3。同樣地,採用和XT-E LED產品相同的螢光粉,色溫定在3000K來做比較。這兩種球泡燈模組在進行測量以前,均設置在溫度85°C的0.5M球體內30分鐘,如圖4所示。為了解溫度的影響,我們同時收集溫度25°C穩態下的測量數據。

 

圖3 球燈泡測試中白光LED和遠程螢光粉系統示圖

 

(圖中文字,左至右)

全向型照明應用

白光LED +擴散板球燈泡

藍光LED +螢光粉球燈泡

圖4 白光LED和遠程螢光粉球燈泡測試設置的照片

(圖中文字,左至右)

 

XT-E暖白光LED基準值/

XT-E+薄型擴散板球燈,可看到內部的LED/

XT-E+厚型擴散板球燈

 

以和上述XTE-HEW LED相同的晶片建構的XT-E RB基準值/

XT-E RB+科銳的WW球燈/

XT-E RB+X公司的WW球燈

 

結果與分析

 

處於穩定狀態下的球體量測於下面表1中列出:

筒燈應用

表1:白光LED與遠程螢光粉系統在不同的LED筒燈配置上的光輸出總結。

表1列出了筒燈應用之不同的測試配置與光輸出的量測結果。來自9顆白光LED的基準值光輸出,在85°C穩態下(持續時間30分)為1234流明。為了比較遠程螢光粉盤的系統,我們需將白光LED放在白光反射器和擴散盤內來模擬筒燈的應用,這樣就和大部分客戶會使用的白光LED相去不遠。該白光LED的配置在85°C穩態下的光輸出為1146流明,這應該是用來與遠程螢光粉系統比較的基準值。

此外,我們還測量了三個遠程螢光粉盤:一個具有和基準值白光LED相同的螢光粉,另外兩個則為市售的螢光粉盤(大、小盤跟LED的距離不同)。科銳的螢光粉盤在85°C穩態下的光輸出為1324流明,比基準值高15%。而對於市售的螢光盤,大、小盤的光輸出分別為1363流明(提高19%)和1322流明(提高15%)。

 

溫度從25°C至85°C過程中發生的因熱流明下降程度,白光LED平均為16%,遠程螢光粉系統為14%。也就是說,遠程螢光粉系統在光通量的維持及熱冷因素方面的表現稍為好一點。

圖5a(左)和圖5b(右):在白光LED和遠程螢光粉盤系統中,溫度改變導致色點偏移的比較

接下來我們觀察白光LED和遠程光粉系統的顏色一致性(color maintenance)。上述的圖5a(左),裸白光LED和具反射筒套及擴散板的白光LED配置上,於溫度25°C和85°C分別繪製了色點。高溫時的偏移是向左下方,朝向CIE圖的藍色角落。而白光LED,當溫度在85°C時,LED晶片上的螢光粉和螢光粉溫度會非常接近LED的接合點溫度(大約是90°C)。螢光粉的轉換效率會隨著升高的溫度下降,從而減少螢光粉的黃光,整體的LED顏色將偏藍。在圖5b(右),顯示了於25°C和85°C時,三個遠程螢光粉盤的色點。螢光粉盤越遠離LED的位置以及高熱階段,偏移就越小,而且螢光粉溫度也更低,並能維持效率,從而保持一個相對穩定的色點。

燈泡應用

 

表2:不同LED燈泡配置的光輸出總結

上表列出了燈泡應用的不同測試配置和光輸出結果。在85°C穩態下(持續時間30分鐘),9顆白光LED基準值的光輸出為1234流明,和筒燈結果相同。而針對燈泡的比較,我們採用了玻璃燈泡和擴散板粒子塗層來遮蓋LED的熱點,以求接近實際的燈泡應用。該燈泡配置的光輸出在85°C穩態下為1099流明(薄型塗層和較大的擴散板負荷會導致較低的光輸出),這應該是用於比較遠程觸螢光粉系統的基準值。

 兩個燈泡使用XT-E Royal Blue LED也經過量測,一個的螢光粉和白光LED的相同,另一個市售的塑膠燈泡有內嵌的螢光粉。科銳的螢光粉燈泡在85°C穩態下的光輸出量測結果為1326流明,比基準值高20.6%,而市售的螢光粉燈泡在85°C穩態下具有1127流明的光輸出,比基準值高2.5%。

 

【全文刊載於《CTIMES雜誌》2014年7月號】-- CTIMES粉絲團

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