Int ern at i onal  Journ al of Ele ctrical  an d  Co mput er  En gin eeri ng   (IJ E C E)   Vo l.   10 ,  N o.   4 ,  A ugus t   2020 ,   pp.  3501 ~ 35 07   IS S N:  20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v 10 i 4 . pp3501 - 35 07           3501       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Enh ancing the  CRI   and lu men ou tpu t for the  6600 K  WL E D   with con vex - du al - layer  remote ph osphor  geom etry  by apply ing    red - emit ting M GS R 3 SI 2 O 8 :EU 2+ , MN 2+  ph osphor       Thuc  Minh B ui 1 , Nguyen T hi  Phu ong L oan 2 , P h an   X u an Le 3 , Ng u ye n  Doan Q uo c  Anh 4 ,    An h  Tuan Le 5 , Le  Va n  Th o 6   1 Facul t y   of Elect ric a l  and   E lectr o nic s E ng ine er ing ,   Nha   Tra ng   Uni ver sit y ,   Vie tna m   2 Facul t y   of  Fund amenta l   2,   Pos ts a nd  T el e comm unic a ti ons Insti tute  of Te chnol og y ,   Viet n am   3 Facul t y   of Elect ric a l  and   E lectr o nic s E ng ine er ing ,   HCM C  Univer sit y   of  Food Ind ustr y ,   Vie tna m   4 ,5 Facul t y   of Electrical a nd   Elec t ronic s E ng ineeri ng,   Ton   Duc   Th ang  Univer si t y ,   Viet nam   6 Instit ute of Tro pic a l  Bio log y ,   Viet n am Aca dem y  of  Sci ence and Tec hno log y ,   Vie tna m       Art ic le  In f o     ABSTR A CT   Art ic le  history:   Re cei ved   Oct  2 , 2 019   Re vised  Jan   18 ,   20 20   Accepte d  Fe b 2 , 2 020     The   tra d it ion al   white   LE D  produc t  esta bl ished  with  a  single   chip  and  a  single  phosphor  result s  in  a  low  col or  ren der ing  ind ex  (CRI).   The   upgra de  of  LE D  pac kag e  is  comprised  of  two  c hips  and  one  p hosphor  m at eri a l  and  give s     the   highe r  CRI  while   kee p ing  high   luminous   eff ic i ency .   B ase d  on  pre vious   findi ngs,  th e  res ea rch   p ape r  p erf orm s  the   appl icati on  of  th e  two   chi ps  and  two  phosphors   to  enha n ce   the  col or  tun abi l ity   of  LE Ds   wit h  diffe ren t   amounts a nd  intensiti es  of  th e  tw o  emplo y ed  pho sphors .   Additi onal l y ,   a  c o lor   design  m odel   is bui lt   to  serv e  th e   purpose  of  b et t e ring  the c o lor  fin e - tuni ng  o f   the   white - li ght  LE D  m odule .   T he  m axi m um   va lue   of  the   d iffe r enc e  b et we e n   the   m ea sured  CIE  1931  col or  co ordina t es  and  tha t  of  the   sim ula t ed  m odel   is  appr oximatel y   0. 0063  ar ound  the   6600  K  co rre lated  co lor  t empera ture  (CCT).   From   the   result s,  th is  stud y   offe rs  a   quic k  appr oa c h  to  ac hi ev e     the   col o r  fine   t uning  of  a  whit e - li ght  LE D  m odule   with  a  h ig h  CRI  and  luminous   eff icie nc y .   Ke yw or d s :   Color re nderin g  in de x    Du al - la ye r  rem ote ph osphor   geo m et ry   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+, Mn 2+   Mie - scat te ring   WLE Ds   Copyright   ©   202 0   Instit ut e  o f Ad vanc ed   Engi n ee r ing  and  S cienc e .    Al l   rights re serv ed .   Corres pond in g  Aut h or :   Anh Tua n  Le   Faculty  of Elec tric al  an d El ect ronics E nginee rin g,   To n Du c  Th a ng  Un i ver sit y,    No.  19 Ng uyen  Huu T ho Stree t, Tan  P hong  Ward,  D ist rict   7,   H o  Chi  Mi nh Ci ty , V ie tna m .   Em a il : l eanh tuan1@tdt u. e du. vn       1.   INTROD U CTION   W it h  ou tst a nding   pro per ti es   of  lo ng  li fes pan,  high  reli abili ty   and   e ndura nce,  ec o - f rien dly  an d    powe r - sa ving  char act e risti cs,  an d  sm al l  siz e ,  w hite  li gh t - e m itti ng   di od e s  (LE Ds)   ha ve  a   w or ld wide   usa ge  i n  il lu m inati ng   ap plica ti on s,   pa rt ic ularly   in  as pe ct s  of  a uto m a ti c,  bill bo a rd,  a nd  lo w - te m perat ur e  li ghti ngs  [1 - 3] .   Rem ark ably ,  t heir  recent  a dv ances  i n   fa st  s witc hing  pro pe rtie s  ha ve  go t  them   widely   us ed  i n  sm art  lig htin g  wh ic h  is  ano t he r  auto  c on t ro l t echnolo gy.  I n  fact,  there h av e  been   a  va riet y  of   m e tho ds   t hat  com bin e  the  LED   chips  an d  the  phospho r  to  at ta in  wh it e  li gh t .  The  ve ry  first  and   chea pest  pa cka ge  ap plyi ng   that  com bina ti on   consi sts  of  a   s ing le   blu e   chi p  a nd  a  si ng le   ye ll ow   phosp hor,  but  the   re su lt ed  CR I   is  ver y  l ow.  T he refor e ,   fo c us in g  on  im pro ving  the  CR I,   the  pac kage  was  bu il t  with  the  par ti ci pat ion   of  a  red   an d  a  blu e  chi p  as  well   as  a  si ng le   la ye r  of  ye ll ow   ph os ph or.  T he  c ol or   re nd e rin g  i nd e x  CR I  is  a   qu a ntit at ive  m easur e   of   li gh t  qu al it y  com par ed  to  t he  nat ur al   li ght  or  blac k - body  r adiat io n.  Th us ,  wh e n  CR I  has  a  hig h  value  t his   m eans    the  app li ed  phos ph or   has  a  broa d  em issi on   sp ect r um   wh ic h  helps  to  bette r  the  li gh t  qual it y  fo r  LE Ds   li gh t,   si m il ar  to  the   con ti nuous  s pectr um   o f  the  black - body  rad ia ti on  [ 4 - 6].  W it h  the  goal   of   c us tom iz ing    the  chrom at ici ty   and   CR I  fo r  LE D  lam ps ,  m any  rep or ts  with  the  top ic s  of   c om bi ning  phosp hor s  with     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   3501   -   3507   3502   LED  c h ips  t o  accom plish  the  op ti m iz ation  and  predict io n  of  the   sp ect ru m   hav e  bee n  gi ve n.   S peci fical ly ,  these  repo rts  fo c us   on  the  app li cat io n  of  the  e m pirical   and   m at he m a ti cal   m od el s  fo r  the  a naly sis  and  deco m po sit io n  o f  the  s pectrum   of   LED  chi p  [ 7 - 10 ] .  Nev e rthe le ss,  c on st r ucting  a  wh it e   LED  pac ka ge   with  tun a ble  c orrelat ed  c olo r   te m per at ur e s  (CCTs ),   high   ef fici en cy ,  an d  superi or   CR I  is  a  real  chall eng in g  ta sk   to  acco m plish  [ 11,  12] .  P rev i ously ,  the   str uc ture  of  a  blu e   chip   com bin e d  with  tw o  ph os ph or  m at eria ls  was   app li ed   to   rea ch  a  hi gh  val ue   of  CR I,  bu t  the  ef ficacy   is  poor  be ca us e   of  the   Sto kes   sh ift  [ 13 - 16] .   The n,     the  i m ple m ent  of   the  t wo   red   and   blu e  c hip s   tog et he r  with  on e  phosp hor  r esulte d  in  a n  increase  i n  CR I   an d  eff ic acy   but  w as  un a ble  to  tu ne  the  col or,   in  com par iso n  with  the  str uct ur e  c onsist ing   of   tw o  phosphors .  For   tho se  dr a w bac ks ,  a nother  w hi te   LED  pac ka ge  com pr ise d  of   t he  tw o  dif f eren t  LE D  c hip s  an d  tw o  phos ph ors   has  be en  pro posed  to  ac hieve  high  CR I  a nd   l um ino us  o ut put  as  well   as  be  able  to  kee p  a  t un a ble  col or.  I n  this   arti cl e,  we  sugg e st  a  c olo r   struct ur e   that   is  desi gn e d  base d  on  Be er’ s  la w  a nd  li near  co nversi on  f or     the  dem and   of  pro du ci ng  w hite  LED s  wit h  s ub tl e  c olor  difference   [ 17 - 21 ] .  I n  a dd it io n,  this  W - LE D  m odule   was  m anu factu red   by  app ly in g  yt trium   al u m inu m   gar net  ( YAG)   a nd   nitr ide - based   phospho rs  in  blu e  a nd   r ed   LEDs  with  high  CR I  a nd   l um ino us   e ff ic ie ncy.  F or   t he  WLE D  produc ti on ,  t he  ph os phors  that  a re  m ixed  in   sil ic on e  gl ues   with  dif fer e nt   pr op or ti ons  and   de ns it ie s  are  com bin ed  w it h  the  r e d  a nd   blu e  L ED  chips .   Fr om  the r e su lt s of the  artic le ,  it  is possible t o  c onstruct a nd  apply  this  pro po s ed  co l or   de sign m od el  easil y.       2.   PREP ARATI ON A ND SI M ULATIO N   2.1.   Prepar at i on   Mg 8 Ge 2 O 11 F 2 : Mn 4+   is  a  c ompo sit io n  of  the   f our  oth e r  c hem ic al   m a te rial s,  inclu ding  MgO,  Mg F 2 ,  MgCO 3 ,  GeO 2   with  the  m ole  and   w ei gh t  ex pr e ss ed  in  Ta ble  1 .  T he  pre par at io n  pr oc ess  of   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+     incl ud e s  tw o  m ai n  sta ges  of   firin g  that  need  to  be  f o ll owed   in   a  stric t   orde r  to  get   the  best  final  com po sit ion   f or   t he  resea rc h.   Be f ore  the  first  firi ng,  f our  a forem entioned   m at erial s  m us t  be   m ixed  by  ball - m illi ng .  T hen,  the  at ta in  m ixt ur e  is  fire d  in  capp e d  qu a rtz  tub es  in  with  a ir  at   1200 0 C  w it hi n  two  ho ur s .  Ne xt,  the  fr ie d  m at erial   will   be  pow der iz e d  by   us in g  dr y  ball - m i ll ing   m et ho d.   Finall y,  the  pow der  go e s  thr ough  the  seco nd  firi ng   i n  open  quartz  bo at s  ov e rn i gh t  f or   a bo ut  16  hours  at   1200 0 C.   T he  at ta in   pro du ct   has  de ep  r ed  em issi on   c olor  with   th e  em issi on   pea k  of   1.8 8  e V   a nd  the  e xcita ti on  ef fici ency  of  ove r   3.40 eV , whic h i s b e nef ic ia l e nough t o be a ppli ed  in  the  sim ula ti on  pr oce ss.       Table  1.  T he  in gr e dients  of M g 8 Ge 2 O 11 F 2 :Mn 4+  com po sit io n   Ing redien t   Mole %   By  weig h t  (g)   MgO   700   282   MgF 2   100   62   MgC O 3   8   9 .2   GeO 2   192   201       2.2.   Simul at i on   The  a ppli cat ion s  of  the   Lig ht   To ols  pro gr a m   and   Mi e - the or y  play   a  c r uc ia l  ro le   i n  ca rry ing   out  this   work,  as  it   is  easi er  to  sim ulate   the  dual - la ye r  phosp hor  str uct ur e  of  W LE D,   base d  on  the  a nal ysi s  of   phospho r  scat te rin g  phe no m enon  a nd  the  in vestigat io n  in  t he  im pacts  of   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   phospho r  on   the  WLE Ds’  perform ance  at   the  6600  K  correla te d  te m per at ur e.   Be f ore  str uctu rin g  the  in - cu p  ph os ph or   config ur at io n  of   WLE Ds ,  it   is  necessa ry  to  pr e par e   the  require d  phospho r  la ye r  by  m ixing   the   ch e m ic al   com po undi ng  of   t he  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  p hosph or   a nd   t he  ye ll ow  YAG:C e 3+   w it h  the  sil ic on  glu e ,   as  dem on strat e d  in  Fi gure  1.   The  sim ulate d  m od el   of   WLE Ds  incl ud es  t he   fo ll owin g  c onsti tuents:  nin e   blu e  chips ,  a  ref le ct or   c up,  a  phospho r  la ye r,   an d  a  sil ic on e  la ye r.   A dd it io na ll y,  the  par am et ers  of   eac h  pa rt  are   expresse d  as  fo ll ow s.   -     A  r eflect or  with  2.07 m m  d epth,   8  m m  b otto m   le ng th a nd  9.8 5  m m  top  len gth  is  att ached  to the blue  c hip s   -     Each  blu e  ch i p i s d esi gn e d wi th 1.16  W ra diant po wer an d 453 nm  p eak  w avelen gth   -     The  re fr act ive  ind e xes  of  p hosp ho r  pa rtic le s  MgSr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ ,Mn 2+  a nd  YAG:   Ce 3+   are  set   at   1. 85   a nd   1.83 res pecti ve ly   Be sides,  i n  te rm s  of   m a intai nin g  the   ACCTs   (a ve rag e   co rr el at ed  c olor  te m per at ur es) ,     the  con ce ntrati on   of   Y A G:   Ce 3+   need s  to  be   adjusted  a ppr opriat el y  to  the  change  of  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   con ce ntrati on.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       En hancin g  t he  CRI   and  l um e n o utput f or t he 660 0  K  W LE D   wi th convex - du al - layer   …  ( Thuc Mi nh Bu i )   3503   (a)     (b)             (c)     (d)     Figure  1. Illust rati on of  WLE Ds  str uct ur e:   ( a)  3D   m od el li ng , ( b)   bondin g diag ram ,    (c)  il lustrati on  of p c - WLEDs  m od el , ( d)  sim u la ti on   of  WL EDs usin g  li ghtt oo ls c omm ercial  so ftwa re       3.   RESU LT S   A ND  DI SCUS S ION   As  ca n  be  seen  from   Figure  2,   t he   cha ng e   in   the  c on ce nt rati on  of  re d  phospho r  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   is  opposit e  to   tha t  of  the  Y A G:Ce 3+   ye ll ow  phosp hor.  T his  opposit e  change   dem on strat es  t wo  aspects ,  th e  first  on e   is  t o  m ai ntain  the  ACCTs  a nd  t he  sec ond  one   is  it s  influ e nc e  in    the  scat te rin g  a nd  a bs orpti on  processes   of  phosp hor  la ye r s   inside   the   WL EDs,  w hich   does  ha ve   a  gr eat   effe ct  on   t he  c olo r   qual it y  and   lum en  outp ut  of   WLE Ds.   He nc e,  sel ect ing   t he   appr opriat e  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   con ce ntrati on  is  ver y  im po rt ant  as  it   is  th e  facto r  deter m ining   the   WLED s ’  c olor  qual it y.  Vivid ly   from     the  char t,  when  there  is  a n  increas e  in   MgSr 3 Si 2 O 8 : Eu 2 + ,Mn 2+   c oncent rati on   from   2%  to  24 %  wt. ,    the  co ncen t rati on   of   ye ll ow   phospho r  Y AG :C e 3+  decli nes  to  retai n  the  ACCTs,   wh ic h  is  sim il ar  to     the  WLEDs str uctu re  with the  A CC T  of 66 00  K .   Figure  3  pr e se nts  the  em issi o n  sp ect ra  of  th e  W LE D  pac ka ge  with  6600  K  A CC T  wh e r e  the  i m pacts   of   dif fer e nt  co ncen t rati on s   of  MgS r 3 Si 2 O 8 : Eu 2+ ,   Mn 2+  ar e  dem on strat e d  ob viously .  Be sides,  the  s ynthesis    of   the  sp ect ra l  reg io ns   as  s how n  in  Fi gure  3  act ually   form s  the  whit e  li gh t.  As  can  be  see n,   whe n    the  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  co ncen t rati on  ris es  f ro m   2%  t o  22%,  t he  em iss ion  sp ect ru m   increase s  sig nif ic antly   in  the  wa veleng t h  ra ng e  of   680  nm   –   738  nm .  Ho we ver,  this  change  will   be  insig nificant  if  there   is  no   sp ect ral  inc rea se  in  the  tw o  range  of   420  nm   -   48 0  nm   and   500  nm   -   640  n m .  Moreo ve r,   t he  gro wth  of    the  sp ect r um   i n  the  wa vele ngth  ra nge  of  420  nm   -   48 0  nm   raises  the  lum ino us   flu x  of   blu e  li gh t  (b l ue - li gh t  scat te ring).   Th us ,  it   can  be  addresse d  that  a  hig he r  colo r  tem per at ure  will   le ad  to  a  hig her   s pectral  em issi on .   This  re su lt   is  ve ry  i m po rta nt  to  the  a ppli cat ion   of  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+  f or   t he  c olo r   qu al it y  m anag em ent  of  the  W LE Ds  with  high  col or   te m per at ure.  Furtherm ore,  with  these   find i ng s ,  the   researc h  pa pe r  co uld     assure  the  abili ty   of   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   in  enh a nci ng   t he  chrom at ic  qu al it y  of   W L ED  pac kages  with     bo t h  lo w  col or   te m per at ure  (66 00   K)   a nd   high  c olor   tem per at ur e  (77 00   K).  T he refor e ,  the  s uitable   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  c on c entrati on  is  decide d  acc ordin g  to   the   requirem ents  from   m anu fac turers .     If   the  goal   is  to  achieve  a   high  col or   qual it y  fo r  WL ED  products,  a  sm a ll   red uct ion   in  l um ino us   fl ux    is acc eptable.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   3501   -   3507   3504         Figure  2. The  c hange i n phos phor c oncentrati on  for  m ai ntaining  the  A CC T  of   W LE Ds     Figure  3. Em is sion spect ra  of   6600  K WLE D s w it h  diff e re nt MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+  co ncen t rati on       Dem on strat ed   in  Fig ure  4  is  t he  upwa rd  tren d  in   the   col or   r end e rin g  i nd e x  f ollow i ng  the  increase  of   MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,   Mn 2+   phospho r  c on ce ntr at ion .  T his  tre nd  can  be  e xp la ined  by  the  abs orption  pro cess  of     the  re d  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+   phosphor  la ye r .  S pecifica ll y,  as  soon  as   the  re d  phosp hors     MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  a bs or b  the   bl ue  li gh t  e m itted  f ro m   the  bl ue  c hip s ,   they   will   tu rn  these  blu e  li gh ts  into  red   li gh ts.   Mo r eov e r,  besi des  the  bl ue  li ght,  t his  re d  phosp hor  M gSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  al s o  a bs or bs   the   ye ll ow   li gh t.  H ow e ve r ,  wh e n  dra wing  a  com par iso n  betwee n  thes e  two  abs orption   processes ,  it   has  turn e d  out  that  the  bl ue  li gh t  from   LED  chi ps   is  a bs or bed  m or e  strongly   than  t he  ye ll ow  li ght  beca use   of   t he  a bsor ption  pro per ti es  of   the   m at erial ,  wh ic h  certai nl y  le ads  to  the  la rg er  am ou nt   of   red   li ght  com po nen ts  inside    the  WLE Ds  w hen  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+  is  ad de d.  Co nse qu e ntly ,  the   c olor  renderi ng  ind ex  (CRI )  r eaches     a  highe r  val ue.  CR I  is  an   im portant  facto r  that  nee ds   to   be   fo c us e d  o n  wh e n  c hoos i ng  a  m od ern  m od el   of   WLE Ds,   s o  the  hig he r  the  CR I  is,  the  m or e  exp e ns ive  th e  LED  pro du ct s  beco m e.  No ne thele ss,  CR I  canno t   fu ll y  evaluate  the  W LE Ds ’  c olor  qual it y  si nce  it   is  j us t  one  of  the  m ea su rem ent  facto rs.   T her e fore,  a  ne w   ind e x  cal le d  c o lo r  qu al it y  sc al e  (CQ S)  is  i ntr oduce d  to   be   an   al te rn at iv e  beca us e   it   c ov e rs  t hr ee   dif fer e nt   factors,  inclu di ng   the  CR I,   th e  viewer s ’  pr e f eren ce  a nd   the  colo r  coor din at es.  The  CQS  s hows  a  co ns id erab le   i m pr ovem ent  with  the  c once ntrati on  of  the   red   phosp hor  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+ ,  a s  il lustrate d  i n  Fi gure  5.     It  is  obvious  t o  a dm it   that  t he  red  ph osphor   MgS r 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  ca n  en hance  the   c olor  qu al it y  of   w hite  li gh t  LE Ds  with  dual - la ye r  phosp hor  str uct ur e .  T hu s ,  this   resu lt   play s  an  im po rtant  r ol e  in  accom pli sh in g    the  go al   of  col or   qual it y  enh a ncem ent.  In   ad diti on ,  a no t her  adv a ntage  of  this  ty pe  of   ph ospho r  is  it s  lo w  cost   wh ic h  is  ben ef ic ia l  to  m ass  p rod uction,  and  thu s,  that  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+   is  widely  us ed  in  this  in du st ry   can  be  easi ly   unde rstood.  H ow e ve r,   t he  down si de  w hen  util iz ing   this  phosp hor  m at erial   is  that  it   ca n  ca us e    a d ec rease i n  t he  lum en  out put o f WLE Ds.           Figure  4. The  c olor r e nderi ng  ind e x of  W L E Ds  as  a  functi on  of  M gSr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+  co ncen tra ti on       Figure  5. The  c olor  qu al it y  sc al e o f   W L EDs   as a  functi on  of  M gSr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+   co nce ntr at ion       In   this  pa rt,  w e  will   sh ow   a nd   e xp la in  the   m at he m a ti cal  m od el   of   the   transm i tt ed  blu e  li gh t  an d  conve rted  ye ll ow   li ght  in  t he  double - la ye r  phosp hor  str uct ur e  t o  obta in  a  sign ific a nt  en ha ncem ent  of   th e  LED   eff ic acy . T he  a sy m m e tric al  SP D of m on oc hrom e LED  is t ypic al ly   m od el ed wit h Gaussi an fu nctio n  [ 22 ,   23] :   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       En hancin g  t he  CRI   and  l um e n o utput f or t he 660 0  K  W LE D   wi th convex - du al - layer   …  ( Thuc Mi nh Bu i )   3505   2 2 ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 p e a k opt P P   (1)     wh e re σ  d e pe nds  on pea k wa velen gth   λ peak   a nd F WH M Δ λ   can  be  e xpress ed  as ;     2 ln 2 2 2 ln 2 2 2 ln 2 2 2 1 2 2 1 2 2 hc hc hc hc hc hc E p e a k p e a k p e a k   (2)     The   S PD  of  a  wh it e  LE D  util iz ing   ye ll ow  Y AG  ph os ph or   and  bl ue  LE D  chip  ca n  hypot hetic al ly   be   viewe d  as  the  aggre gate  of   t he  bl ue  an d  ye ll ow   sp ect ra.  Howe ver,  in  f act ,  the  suppo sed  ye ll ow   phos ph or  rad ia te s  li gh t  i n  both  of   t he  ye ll ow   an d  gr ee n  sp ect ra  as  de m on strat ed  fro m   the  deli ber at e  sp ect ra  in  Figure   3.   In  the e ven t t ha t a blue  and  a  ye ll ow  r an ge  a re p ic ke d,  th e con t rast b et wee n  the esse ntial l y est i m at ed  SPD  a nd   twofol d  sh a di ng   (b l ue  an d  ye ll ow   sh a ding)  ra nge  m od el   can  be  spo ken   for  a  gree n  ra ng e .  I n  th is  w ay ,   consi der i ng   t he   pr act ic al   ci rcu m sta nce,  a  gr ee n  ra nge  can  be  a dd e d  t o  the  tw ofold  range  m od el   to  f or m     the  acc om pan yi ng   i nv est iga ti ve  tri - s pectr um   (B – G – Y )   m od el   re pr e sented   by  ( 3)  a nd  s ub se quently     al te red  as  ( 4) .     2 2 _ _ 2 2 _ _ 2 2 _ _ ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 y y p e a k y y opt g g p e a k g g opt b b p e a k b b opt P P P P   (3)     2 2 _ _ 2 2 _ _ 2 2 _ _ ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 ) ( * 5 . 0 e x p 2 1 y y p e a k y t o t a l opt y g g p e a k g t o t a l opt g b b p e a k b t o t a l opt b P P P P   (4)     in which:   -   P λ   Sp ect ral powe r dist rib ution (S PD)  (m W/nm ).     -   h  Pla nck’s  c onsta nt  (J. s ).    -   c  Sp ee d of l ig ht ( m  ·  s −1 ).    -   λ  Wav el e ng t h ( nm ).     -   P opt   Op ti cal  pow e r ( W) .     -   λ peak   Pea k wa velen gth   ( nm ).     -   Δλ   F ull - width at  h al f - m axi m um  ( F WH M)  ( nm ).     -   η  Ra ti o o f  s pe ci fic sp ect ra  to white s pectr um , d i m ension le ss.    -   P opt_b ,  P opt_g ,   P opt_y ,   an d  P opt_total   Op ti cal   powe r  ( W)   f or   t he  blu e,   gr ee n,   ye ll ow,   an d  wh it e  s pectra,   resp ect ively .     -   λ peak_b , λ peak_g ,   an d  λ peak_y   Pea k wav el e ng t hs   (n m )  f or  t he blue, g reen, a nd  ye ll ow  s pectra,  r es pecti vely .    -   σ b , σ g ,   a nd  σ y   F WH M - relat e d  c oeffici ents  ( nm )  for  the  b l ue , gree n,  a nd y el low  s pectra,  re sp ect ively .    -   η b , η g ,  and η y   Ra ti os  of  blu e – gr ee n – ye ll ow   ( B – G – Y )  s pectr a to  wh it e s pe c trum , r especti ve ly , d im ensionle ss.    -   λ 1 , λ 2   Wa veleng t hs  at  half o f  the  peak inte nsi ty .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8708   In t J  Elec  &  C om p  En g,   V ol.  10 , No .  4 ,  A ugus t   2020   :   3501   -   3507   3506   Ther e f or e,   the   SP D  m od el in g  f or  the   ph ospho r - c oated  w hite  LED   can   be  e xpresse d  a s  a  tric ol or  sp ect r um ,  wh ic h  can  be  c on si der e d  as  an  ext end e d  Ga us sia n  m od el .   The  scat te ring   of  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+   phospho r  pa rtic le   was  analy zed  by  usi ng  th e  Mi e - theo ry.  In   a dd it io n,   th e  scat te ring   cr os s  sect io n  C sca  for  sp he rical   pa rtic le s  can  be   com pu te d  by  the  f ollow i ng  ex pressi on  by  ap plyi ng   t he  Mi e  theo r y  [24].    The  tra ns m it ted  li ght p ower  c an be cal c ulate d by the  Lam ber t - Be er la w [25] :     =  ⁡ ( −  )   (5)     w he re  I 0 ,  L ,  and   µ ext  repre sent  the  incid ent  li gh t  pow er  the  thick n e ss  of   phosphor  la ye r  (m m ),   a nd   the  extinct io n  coeffic ie nt,  r especti vely .  More ov e r,   the   extinct ion   c oeffici ent  can   be  dem on str at ed  as     the  f ollow i ng   form ula:  µ ext   =  N r .C ext ,  in  wh ic h  N r  ind i cat es  the  num ber   de ns it y  distribu ti on  of   pa rtic le s    (m m - 3 ),  w hile  C ext   (m m 2 )  is k now n  as t he  e xt in ct ion  c ross - s ect ion   of ph ospho r partic le s.   It  can  be   im p li ed  from   (5 )  that  the  dual - l ay er  rem ote  ph osp hor  re su lt s  in  the  la r ge r  lum ino us   eff ic ie ncy  f or  the  LE D  pac ka ges  tha n  t he  sing le - la ye r  phosp hor.   He nc e,  the  ben e fit  of   us in g  dual - la ye r  rem ote  phos phor  la ye r  i n  yi el din g  bette r  lum en  outp ut  is  s uccess f u ll y  dem on str at ed  in   this  stud y .   On  the  oth e r  ha nd,  the   co nce ntrati on  of   re d  phosp hor  M gSr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+   great ly   aff ect s  t he  op ti c al   path  of   this  dual - la ye r  rem ote  ph os ph or   str uctu re.  Vivi dly,  the  red uc ti o n  fa ct or   µ ext  has  a   direct  propor t ion   t o    the  MgS r 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+   co ncen t rati on,  but  an  i nv e rse  rati o  to  the  li ght   transm issi on  powe r.   Th us ,  as  t he  thick ness  of   t he   two  phosp hor  la ye rs  a re  f ixed,   a  dec rea se  in  lum ino us   flu x  can   occ ur   with   the  grow t h  of  MgSr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,Mn 2+  c on c entrati on,  le a di ng   t o  t he  dec li ne  in  al l  five   CC Ts,  as   s hown  i n  Figure  6.  O bviou sly ,   w he n  t he   co nce ntrati on  of  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+   reaches   24 %   wt,  t he  lum inous  flu x  decr ease s  dr a m at ic ally.  Ho wev e r,   this  dra wb ac k  in  lum e n  outp ut  can  be   acce pted  due   to  the  gr eat   be nef it s   that  the  red   phosp hor  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+  br in gs   to  t he  W L EDs ,  inclu ding  the  bette r  CR I  an d  CQS .   In  ad diti on,  dual - la ye r  rem ote  phosp hor  c an  yi el d  high er  lum ino us  fl ux  tha n  t h e  si ng le - la ye r  phospho r  without  the  pr esence  of   re d  phospho rs.   T he refor e ,  the  only   issue  her e  i s  the  pur pose  of   m anu fact ures  for   determ ining   th e  m os t  app r op riat e  phosp hor   co ncen tr at ions  of  Mg Sr 3 Si 2 O 8 :Eu 2+ ,M n 2+  wh e n  m ass  producin g  WLE Ds pro duct s.            Figure  6.  The  lum ino us   flu x o f WLE Ds  as  a  functi on  of   M gSr 3 Si 2 O 8 :E u 2+ , Mn 2+   co nce ntr at ion       4.   CONCL US I O N   Fr om   this  arti cl e,  a  sim ple  m et ho d  f or   be tt er  perf or m ance  of  a dju sti ng  the   col or  wi th  w hite - li ght  LED  m odules   w hile  retai ni ng   t he  high   CR I  an d  l um ino us   e ff ic acy   is  pro posed.   De pendi ng  on   the  m anu facture rs'   req ui rem e nts,  a  col or   de sign   m od el   is  bu il t  base d  on   the  ap plica ti on s  of  Be er ’s  la w  a nd   li near   c onve rsion  w hich   ca n  s upport  t he  different  w hite - li ght  LE Ds.  Th e  si m ulate d  an d  exp e rim ental   sp ect ra   sh ow  po sit ive  ov e rl ap pe d  res ults.  More over ,  the  bi gg est   diff e ren ce  betwe en  the  m easur e d  an d  sim ulated   CI E   1931  colo r  co ordi nates  is  identifie d  by  ap prox im at el y  0. 0063   wit h  the  6600   K  CC T.  He nce,  it   is  po ssible  to   structu re t he pr opos e d  c olor  de sign m od el  and  get it  appli ed  e asi ly .       REFERE NCE S   [1]   A.  A.  Alat awi ,   e t  al. ,   “ High - power  blue   superlum ine sce n t  diode   f or  high  CRI  li ghti ng  and  high - sp ee d  visibl e  li ght   comm unic at ion,”  Opti cs  E xpre ss ,   vol .   26 ,   no .   20 ,   pp.   26355 - 2636 4,   2018 .     [2]   J.  F.  Ruan,   et  al. ,   “ Phase  tra nsform at ion  in duce d   rev e rsibl e  m odula ti on  o f  upconve rsion   luminesce nce   of   W O3:Yb3+,   Er3 +  phosphor for   sw it chi ng   device s , ”  Opt ic s Le tt ers ,   vol .   43 ,   no .   16 ,   pp.   3885 - 3888 ,   2018.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  Elec  &  C om p  En g     IS S N:  20 88 - 8708       En hancin g  t he  CRI   and  l um e n o utput f or t he 660 0  K  W LE D   wi th convex - du al - layer   …  ( Thuc Mi nh Bu i )   3507   [3]   Y.  Yuan,   et   a l. ,   “ High  luminous   fluore sce n ce   g en era t ion  using  Ce :YAG   tra nspare nt  ce r amic  ex ci t ed  b y   b lue   l ase r  diode , ”  Opt ic al   Mate rials  Ex pre ss ,   vol. 8,  no.   9,   pp.   2760 - 2767 ,   Sep.   2018 .     [4]   S.  R.   Chung,   et  al. ,   “ Full  col or   display   fab r ica te d  b y   CdS e  bi - col or  quan tum  dots - base d  whit e  li gh t - emitting   diode s,”   Opti cal   Mate rials  Ex pre ss ,   vol. 8,  no.   9,   pp.   2677 - 2686 ,   2018.     [5]   F.  Steudel,   et  al. ,   “ Pixel a te d   pho sphors   for  high - resolut ion  and  h igh - cont r ast  whi te   l ight   sour ce s, ”  Opti cs  Ex pres s ,  vol.   26 ,   no .   20 ,   p p.   26134 - 26144 ,   2018.     [6]   L.   Ta ng ,   et   al . ,   “ Photo - induced  luminesce nc e  degr adation  i n  Ce,   Yb  co - doped  y t tri um   al um inum  gar net   phosphors , ”  App li ed   Optic s ,   vol .   57,   no .   26 ,   pp .   7 627 - 7633,   2018 .     [7]   R.   Le i ,   et   al . ,   “ I nflue nc e  of  exc i ta ti on  power  an d  doping  conc en tra ti on  on  th e  upconve rsion  emi ss ion  and  opti cal   te m per at ur e  sen sing  beha vior  o f  Er3+ :  BaGd2( MoO 4)4  p hosph ors,”   Optic al  M ate rials  Ex press ,   vol.   8,   no .   10,     pp.   3023 - 3035 ,   Oct .   2018 .     [8]   X.  Huang,   et   al. ,   “ High - eff ic ie n c y   and  the rm all y   stabl e  far - r ed - e m it ti ng  NaL aMg W O6:Mn4+  pho sphors for  indoor   pla nt   growth  l ig ht - emitt ing   diod es, ”  Opt ic s Le tt e rs ,   vol. 43,  no.   1 4,   pp .   3305 - 330 8,   2018 .     [9]   V.  V.  Bakhmet’ ev,   e t  al. ,   “ Eff ect  of  coppe r  in tro duct ion  and  sho ck - wave   proc essing  of  zi nc  sulf i de  on  the   spec tr al   cha ra cteri sti cs  of  a  m anga nese - a ct iv at ed  phosph or  s y nth esiz ed  f rom   it , ”  in   Jour nal  of  Opti cal   T ec hnolog y  c/c  of   Optic hesk ii   Zhur nal ,   vo l. 85,  no.   6,   pp .   367 - 370 ,   J un .   2018 .     [10]   Y.  Ma,   e t  al . ,   “ Phos phor  m odel ing  base d  on  f l uore sce nt  r adiat ive   tr ansfe r  equ at ion , ”  Opti cs  E xpre ss ,   vol.   26 ,     no.   13 ,   pp .   1644 2 - 16455,   2018 .     [11]   Z.   W en,   e t  al. ,   “ Fabric at ion  an d  opti cal  prope r ti es  of  Pr3+ - dop ed  Ba  (Sn,  Zr,   Mg,  Ta )  O3  trans par ent   c era m i c   phosphor,”   Opti cs  Letters ,   vol .   4 3,   no .   11 ,   pp .   24 38 - 2441,   2018 .     [12]   X.  L.   Song,  et  al. ,   “ Bia xial  h y per bo lic  m et a m at eri a ls  using  ani sotropi c  fe w - lay er  bl ac k  p hospho rus,”   Optics   Ex press ,   vol .   26 ,   no.   5,   pp.   5469 - 5477,   2018 .     [13]   J.  Cao,  et  al . ,   “ Upconve rsion  lu m ine sce nce  of  B a3L a(PO4)3:Yb 3+ - Er3+/T m 3+  phosphors   for  opti m al   t empera t ure   sensing, ”  Appl i e d  Optic s ,   vol .   57 ,   pp .   1345 - 1350 ,   2018.     [14]   Y.  Peng,   et   al. ,   “ Flexi ble   f abr i c ation  of  a  pat te rn e d  red   phosphor  lay er  on  a  YA G:Ce3+   phosphor - in - gla ss   for  high - power  W LE Ds , ”   Optic a l  Mat eria ls E xpre ss ,   vol.  8,   no .   3 ,   pp .   605 - 614,   2018 .   [15]   H.  Lee,  e t  al . ,   “ Phos phor - in - gla ss   with  Nd - dope d  gla ss   for   a  wh it e   LE D  wi th  a  wide  co lor  g amut, ”   Optic s   Lette rs ,  vol.   43 ,   no .   4 ,   pp .   627 - 630 ,   2018 .   [16]   T.   X.  Lee,   et   a l. ,   “ Minia tur iz ed   LE D  primar y   op ti cs  design  used   for  short - dista nc e  col or   m ixi ng, ”   Appl i ed  Opti cs ,  vol.   55 ,   no .   32 ,   p p.   9067 - 9073 ,   2 016.   [17]   J.  Gade ga ard ,   e t   al. ,   “ High - outp ut  LE D - b ase d  l i ght  en gin e  for   p rofil e   li gh ti ng  f i xture s  with  h igh   col or   uniformit y   using f ree fo rm   ref lector s, ”  App lied  Opti cs ,   vo l. 5 5,   no .   6 ,   pp .   135 6 - 1365,   2016 .     [18]   B.   J.  Chen,   et   a l. ,   “ Free form   m ic rostruc tur e  li n e ar  li ght  emitt er  design  for  a  natural   li gh t  illum ina ti on  s y s te m ,”  Appl ie d   Opti cs ,   vol.   54 ,   no .   28 ,   p p.   E159 - E164, 2 015.     [19]   S.  P.  Ying,   e t  al. ,   “ Im proving  the  col or   unifo rm ity   of   m ult ip l e  co lore d  li ght - emitt ing  d iode s   using  a   per iod i c  m ic rostruc ture s urfa ce,”  App li ed   Optic s ,   vo l. 54,  no.   28 ,   pp .   E75 - E79,   2015 .     [20]   S.  W ang,   et  al. ,   “ Im prove m ent   in  angu la r   col or   uniformit y   of   white   li ght - emit ti ng  diod es  usin g  scre en - printed   m ult il a y e r  phosp hor - in - gla ss , ”   A ppli ed   Optic s ,   v ol.   53 ,   no .   36 ,   pp .   8492 - 8498 ,   20 14.     [21]   W .   S.  Sun,  et   al . ,   “ Com pac t  LED   proje ct or  desi gn  with  high  un iformit y   and  ef fi ci en c y , ”  Appl i ed   Optic s ,   vol.   53,   no.   39 ,   pp .   H227 - H232,  Oct .   201 4.     [22]   M.  L.  Piao ,   e t  al . ,   “ Achi evi ng  h i gh  le v el s  of  col o r  uniformit y   and   opti c al  eff i cienc y   for   a   wedge - sh ape d  wav egui d e  hea d - m ounte d   di spla y   using  a  ph otopoly m er , ”   Ap pli ed   Optic s ,   vol .   53 ,   no .   10 ,   pp .   2180 - 2186,   201 4.     [23]   K.  C.   Huang,   et  al. ,   “ Im prove d  CCT  uniformity   of  white   LE D   using  remote  p hosphor  with  pat te rn ed  sapphire  subs tra te , ”  Appl i ed  Opti cs ,   vo l. 5 2,   no .   30 ,   pp .   73 76 - 7381,   201 3 .     [24]   S.  Bindai,   et  al . ,   “ Re al i za t ion  of  phosphor - in - gla ss   thi n  f il m   on  soda - li m e  si li c at e   gla ss   wit h  low  sintering   te m per at ur e  for   high  co lor  r endering  whit e LE Ds , ”  Appl i ed  Opt ics ,   vol. 58,  no.   9,   pp.   2372 - 2381 ,   2019.     [25]   C.   Huang,   et   a l. ,   “ Bandwidt h  co rre ctio n  of  spec t ral   m ea surem ent  base d  on  Le ven ber g – Marqua rdt   al gorit hm   with   improved  Ti kho nov  reg ul ariza t io n, ”  Appl i ed  Opt i cs ,   vol .   58 ,   no .   9 ,   pp .   2166 - 2173 ,   2019.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.