LED發光原理-螢光粉如何調控光波長與色溫
一、核心作用：如何用藍光「製造」出白光
要理解螢光粉的作用，首先要明白一個關鍵點：LED晶片本身很難直接發出高品質的白光。
物理限制：單一LED晶片只能發出單一波長的光（單色光），例如藍色、紅色或綠色。
白光的本質：我們看到的“白光”，是由多種不同顏色的光混合而成的。例如，太陽光就包含了所有可見光譜。
因此，科學家想出了一個巧妙的方法：用藍光LED晶片去激發螢光粉，從而獲得白光。這也就是著名的「藍光LED+螢光粉」技術，其發明者也因此獲得了2014年諾貝爾物理學獎。
基本原理：光致發光
螢光粉是一種受到高能量光照射後，能吸收其能量並發出低能量光的材料。這個過程叫做「光致發光」。
二、螢光粉在白光LED中的具體應用方案
主要有三種主流方案，其中第一種應用最廣泛：
1. “藍光LED晶片 + YAG黃色螢光粉”方案（最主流）
這是目前市面上超過 95% 的白光LED所採用的方案。
- LED晶片：發射波長 around 450-455 nm 的藍光。
- 螢光粉：主要是鈰摻雜的釔鋁石榴石（YAG:Ce³⁺） 螢光粉。
- 工作原理：
- 藍光LED晶片發出高能量的藍光。
- 一部分藍光直接射出。
- 另一部分藍光照射到包裹在晶片周圍的YAG螢光粉上。
- 螢光粉會吸收這部分藍光，轉換為能量較低的、光譜範圍較寬的黃光。
- 剩餘的直接藍光與螢光粉發出的黃光混合，在人眼的視覺系統中就合成了白光。
優點：結構簡單、成本低、效率高、技術成熟。
缺點：由於光譜中缺乏紅色成分，導致顯色指數（CRI） 相對較低，發出的白光在表現紅色物體時不夠鮮豔，光色偏冷。
2. “藍光LED晶片 + 紅 / 綠螢光粉”方案
為了改善顯色性，發展了這種方案。
- LED晶片：同樣是藍光晶片。
- 螢光粉：使用多種能夠發射紅光和綠光的螢光粉（如氮化物或氟化物螢光粉）。
- 工作原理：藍光晶片發出的光同時激發紅色和綠色螢光粉，產生的藍光、綠光、紅光三基色混合形成白光。
- 優點：顯色指數（CRI）非常高（>90），光色和色彩還原度佳。
- 缺點：成本較高，光效相比YAG方案略有下降（由於螢光粉轉換中的能量損失，即「斯托克斯位移」）。
3. “紫外線LED晶片 + 紅 / 綠 / 藍螢光粉”方案
這種方案類似於傳統螢光燈管的工作原理。
- LED晶片：發射不可見的紫外光（如365-400 nm）。
- 螢光粉：使用分別能發射紅、綠、藍三基色的螢光粉混合物。
- 工作原理：紫外光本身不參與混光，它只作為能量源，去激發所有螢光粉。由螢光粉發出的三基色光混合成白光。
- 優點：顯色性極佳，光色均勻，沒有藍光晶片方案中「藍光溢位」的風險。
- 缺點：能量轉換損失最大（紫外光到可見光能量差大），效率最低，成本最高。目前多用於對色彩品質要求極高的專業領域，如博物館照明、攝影等。
三、對LED性能的關鍵影響
螢光粉直接決定了白光LED的以下幾個核心性能：
- 色溫：透過調整螢光粉的化學成分、比例和顆粒大小，可以精確控制發出的白光色溫，從暖白光（2700K-3000K，偏黃）到冷白光（5000K-6500K，偏藍）均可實現。
- 顯色指數：透過在YAG螢光粉中添加紅色螢光粉等，可以補全光譜中的紅色部分，顯著提高CRI，使被照物體顏色更真實。
- 光效：螢光粉的轉換效率是決定LED整體光效的關鍵因素之一。高效率的螢光粉能將更多的藍光或紫外光轉換為可見光，減少熱損耗。
- 壽命與穩定性：螢光粉在長期高溫和強光照射下可能老化、性能衰減，導致LED的光輸出下降和顏色漂移（如變藍）。因此，開發耐熱、穩定的螢光粉是研究重點。
四、常用螢光粉材料類型
- 矽酸鹽：早期使用，穩定性一般。
- 鋁酸鹽（如YAG）：目前最主流的黃光螢光粉，效率高，穩定性佳。
- 氮化物 / 氮氧化物：通常是紅色或綠色螢光粉，化學穩定性極佳，耐高溫，是提升高CRI LED性能的關鍵材料，但成本較高。
- 氟化物：新興的窄頻發射螢光粉（如KSF紅粉），能顯著提升顯示器的色域，廣泛應用於高階液晶顯示器的背光。
總結
螢光粉在LED中的應用是一項至關重要的技術，它成功地將高效的藍光LED轉換成了可用的白光，開啟了固態照明革命。它不僅是“顏色製造者”，更是LED光源品質（色溫、顯色性）的調控者。隨著對光品質要求的不斷提高，螢光粉技術的持續創新仍然是LED產業發展的關鍵驅動力之一。