本期文章

白光LED和非接觸螢光粉的比較

撰文/科銳應用工程師 Michael Leung    

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。


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。


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。

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
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%。

我們也觀察了燈泡應用的色點溫度穩定性,與進行筒燈比較時的色點繪圖相似。圖6a顯示了具備光擴散功能的燈泡偏向藍色,而遠程螢光粉燈泡從25°C到85°C的過程中,卻顯示了相對穩定的色點(圖6b)。這進一步驗證了非接觸螢光粉可以隨著上升的溫度維持更加穩定的顏色表現。

我們在不同配置上的遠程螢光粉系統測試,無論是筒燈或燈泡(全向型),都顯示了不論是用反射器和擴散板、或是只用擴散罩燈泡去包覆LED,和終端用戶的配置相比,光輸出提高達20%以上的通量。這些情況跟實際的應用如筒燈、吊燈用的燈泡或壁燈等相比都相去不遠。此外,我們也展示了遠程螢光粉系統在溫度方面具有較佳的色點穩定性,對於特定照明應用的要求這一點可能非常重要。


如何運作
在這個實驗中,我們已經顯示遠程螢光粉系統比起整合式白光LED更有效率,而且在溫度增加時,有較佳的色點穩定性。這裡,我們將討論一些遠程螢光粉提供的螢光粉機制,並且試著去了解它的效率增益。

整合式白光LED的螢光粉非常接近晶片,它不是以薄型塗層、就是內嵌在矽封裝陣列中。LED晶片產生的藍光在所有方向上發射,其中一部分的光線會與LED晶片上的螢光粉交互作用,並轉化成不同波長的光,而其中多為黃光。這些黃光也會向所有方向發射,一部分的黃光全反射回到LED晶片後被吸收,失去效率(如圖7a所示)。相比之下,在遠程螢光粉系統中,螢光粉和LED晶片相隔一段距離。當藍光觸及螢光粉而出現激發發光過程後,來自螢光粉的黃光在向所有方向發射後如同白光LED;然而由於LED晶片相隔距離遠,黃光擊中晶片並被吸收的機率顯著降低(如圖7b所示)。只要遠程螢光粉系統具有精心設計過的高效率反射器來回收黃光,遠程光粉系統的整體效率將比白光LED為高。

此外我們可以看到在白光LED中,由於螢光粉與LED晶片直接接觸,因此可能變得非常熱而降低其轉換效率,從而改變其整體的藍光至白光的比率,並引起顏色偏移,如同前面圖5和圖6所示。相反地,在非接觸螢光粉系統中的螢光粉不受LED溫度的影響,因此在轉換率和整體的色點上都能維持一致性。


支付的成本
在前面的比較當中,我們尚未觸及成本的問題。我們已經展示遠程螢光粉系統能提高20%的系統光輸出,但是我們也需要在最終的比較結果列入成本取捨這一項。這裡以下面的例子說明。

一個典型的1000流明筒燈內部可用10顆LED,成本約17美元(假設一個LED成本約為1.7美元)。但如果想要提高20%的光輸出增益,一個辦法是添加兩顆額外的LED,也就是3.4美元的額外成本;或者是使用遠程螢光粉盤,這得多花8美元的額外成本 (此為大批量的價格;個別價格為15美元)。照明系統設計人員和系統整合商將必須評估他們的照明是否要添加這項額外成本並做出決定。


結論
我們已經證明了整合式白光LED和遠程螢光粉系統,在筒燈和全向型(omni-directional) 燈泡上實際用法的比較。我們執行的結果顯示,遠程螢光粉系統在高光通量、高溫的環境下能提供20%的光輸出增益,並且比白光LED有更穩定的系統色點表現。然而,這些性能上的增益付出了很高的成本,因為螢光粉,特別是暖白色範圍內的,尤其昂貴,甚至超過額外增加用來補償白光LED 顆數來增加輸出流明的成本。此外,這些成本並不考慮其他重要因素,例如關於智財(IP)的取得以及Royal Blue LED的LM-80測試。

遠程螢光粉系統可能在特定的應用上具備優勢,但是除非它的成本下降,或是在特定的照明應用中遠程螢光粉的整體系統成本能夠低於白光LED的成本,否則白光LED依然是一般照明的選擇。


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