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 ,  No.   4 ,  A ugus t   2020 ,   pp.  4015 ~4 022   IS S N: 20 88 - 8708 ,  DOI: 10 .11 591/ ijece . v10 i 4 . pp 4015 - 40 22          4015       Journ al h om e page :  http: // ij ece.i aesc or e.c om/i nd ex .ph p/IJ ECE   Dual - l ayer remo t e phosph or struct ure: a n ovel te chniq ue to  enhanc e the  co l or quality  scale an d lu min ous flux o f WLE Ds       Phun g  T on  T ha t 1 , Thuc   Minh Bui 2 , N guy en Thi Ph uon g  L oa n 3 , P ha n   X u an Le 4 ,    Nguy e n  Doan  Quo c  Anh 5 , L e Van Th o 6   1 Facul t y   of Elect ronic s T ec hno lo g y ,   Industri al Unive rsit y   of  Ho C hi  Minh C ity ,   Vi et nam   2 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   3 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   4 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   5 Pow er  S y stem  Optimiza ti o n  Re sea rch   Group ,   F ac ul t y   of   Elec tr i ca l   and   Elec t roni cs  Engi n ee rin g,     Ton  Duc Thang   Unive rsit y ,   Vie t 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   Sep   9 , 2 019   Re vised  Feb 1 4 ,   2020   Accepte d  Fe b 24 , 202 0       The   eff ects  of   red   l ight - emitting  phosphor  CaMgSi2O6:Eu2+ , Mn2+  on     the   op ti c al  prop ert i es  of  singl e - l a y er  r emote  pho sphor  struct ure   ( SR PS )  and  dual - l a y er   remote  phosphor  str uct ure   (DRP S)  are   the  foc us  of   thi s  st u d y .     The   diff ere n ce s   in  col or  qua li t y   and  luminous   flux  (LF)  of  white   li gh t - emitt ing  di odes  (W LE Ds )  bet wee n  the se  two  struct ure s  are   a lso  rev eale d  and   demons tra te d  ba sed  on  the   Mie t heor y .   SR PS   consists  of  one  m ixe d  phosphor  lay er  b et wee nC a MgS i2O6:E u2+,M n2+  andYAG :Ce 3+pa r ti c le s,  w hil e  DRP S   inc lud es  two  sepa rated  lay e rs:  re d  phosphor  lay er   an d  y e ll ow  pho sphor  lay er.  In  thi s  work,  5%  SiO2  is  adde d  int o  th e  p hosphor  lay ers  to  inc r ea se  sca ttering  abi l it i es.   Discre p anci es  in  struc ture s   gre a tly   aff e ct   the   opt ical   cha ra cteri sti cs  of  W LE Ds .   The   result s  show ed  tha t  the   col o r  ren d eri ng  inde x  (CRI)  inc r e ase d   with  the  con centra ti on   in  bo th  struct ure s  with   nea rl y   equal  val ues.   Mea nwh il e ,   col or  qualit y   sca l e  (CQS )  of  DP R S  is   74   at   ACCTs  ran ging  from   56 00K  to  8500K,  h ighe r  th an  CQS   of  SR PS   which  is  onl y   71   at  8500K.  In  addi t i on,   th e  luminous   flux  of   DRP S  is  significantl y   highe r  tha n   SR PS   at   2%  - 14%  of  CaMgSi2O6:Eu2+,Mn2+.   I n  summ ar y ,   DRP S  is  bet ter   for  col or  qua li t y   and  lumen  output in  compar i son  to  SR PS   a nd  addi ng     the   r ight   amount   of  r ed  phosphor   ca n   enh ance  CQ S a nd  LF.   Ke yw or d s :   Color re nderin g  in de x   Lum in ou s  flu x   Du al - la ye r  ph ospho r   Mie - scat te ring  theo ry   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 :   Nguyen  Doa n Quoc  A nh,    Faculty  of Elec tric al  an d El ect ronics E nginee rin g,   To n Du c   Tha 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 : ng uyen do a nquoca nh@tdtu .edu. vn       1.   INTROD U CTION   The  li ght - em itti ng   diodes  t ha t  eject  wh it e   li gh t  ( WLE D s)  a re  on e   of   the  m os t  com m on ly   us ed   li gh ti ng  s olu ti on  in   the  li gh ti ng  a nd  dis play   s yst e m s  ind us tr y  for  thei r  un i que  pro per ti es,  i nclu ding  reli ab il ity,  lum ino us  eff i ci ency,  an d  energy  eff ic ie nc y,  wh ic h  is  li kely   to  rep la ce  old e r  li gh ti ng  te ch niques  i n   the  f uture  [1 - 4] .  Howe ver,  th ere  arem ajor  c hanges   in  WL EDs  t hat  can   be  m ade  to  re ach  the   f ull  po te ntial   includi ng  ph ospho r  co nversi on  an d  l um ino us  eff ic ie ncy  [5 - 6],  as  well   as   i m pr ovin g  c olo r  purity   an d  pr ic e  com petit iveness  agai ns t  inca ndesce nt  an d  fluoresce nt  la m ps   [7 - 10] .  In  previ ou s   stu dies ,  qua ntu m   e ff ic ie ncy   was  e nhance d  us in g  a   ph os ph or s   synth esi s  m et ho dolo gy  c al le d  ex plo it in g  flu x  [ 11 - 14]   and  in ven ti ng  a  novel   phospho r.   Re s earche rs  hav e  recently   ad j us t ed  the  c onfig urat ion   of   LED  too ls  by  m od ify ing   the  gap   be twee n  the  phosp hor  m at erial   and   the  li gh t i ng   em it ti ng   chip ,  cre at ing   a  new   ty pe  of  LE D  na m ed  rem ote - typ e  LE D   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  :   4015   -   4022   4016   wh ic h works o n  the  scatt ered  photon e xtracti on conce pt and  i m pr oves t he qu a ntu m  eff ic ie ncy of  WLE D  up to  60%  by bo os ti ng the  bac k - sc at te red   photons  ex tract io n  e ff i ci ency [ 15 ] .   En han ci ng   br igh t ness  a nd  lu m ino us   e ff ic ie ncy  al so   reli es  upon  the   col or  qual it y.  A  nota ble  m e thod   that  us ually   ap pliedin  WLE D   producti on  is  e m erg ing   t he   blu e  li gh t  of   InGaN   LED  c hip   with  the  ye ll ow   gr ee n  li ght  fro m   a  ph osp hor; h owe ver,  the  r ed  li gh t  la ck  t he se  el e m ent s  [1 6].  T he refor e ,   it   is  essenti al   t hat  re d  phospho r  a nd  gr ee n - ye ll ow  phospho r  a re  c om bin ed  i n  order  to   yi el d  be tt er  colo r  qual it y.  The   proce s s   that   pro du ce   the  c om po und  of  the se  tw o  phosphors ,  howe ver,  dam ages  the  obta ined   li ght  f r om   e m issi on   proces s  du e   to  a   pa rt  of  li ght  em i tt ed  from   on e  phospho r  is  reab s orbe d  by  an ot her   causi ng  an   overla p  of   ph os ph or  sp ect ra wh ic h  le ads  tolo w  col or   qual it y  [1 7].   A  po s sible  so l ution   is  sta cki ng   the  la ye rs  of  phosp hor  m a te rial s  in  the  order  of   red  ph os ph or   la ye r  belo w  th e  gr ee n  one  to   en han ce  t he  e ff ic ie ncy.  This   patte rn  sug ges ts  that   the  la ye r  of  re d  ph osphor  c a n  re duce  the  re abs orption   of  li gh t  f ro m   gr ee n  ph osphor  i f  placed  directl y  above   the  chi p  [ 18] .   Ne ver thele s s,   sta cke d  ph ospho r  la ye rs  m od el   ca nnot  be   re - im ple m ented  f or  co pyri gh t  a nd  patents  reas ons   to  avo id  risks   relat ed  to  la w  vio la ti ons,  [ 8],   wh ic h  forces  us   to  lo ok   f or  a  new   m et ho d  nam ed   phospho r - in - glass  (P iG )  to  im pro ve  the  ch rom at ic   qu al it y  a nd   heat  perf orm ance  in  W LE D  co nf i gurati on  wit h  rem ote  phos ph or   la ye r s  [19 - 20] .  N ot  on ly   does  Pi G  ben e fi t  the  lum ino us  eff ic acy   a nd  therm al   sta bili t y  of  WLE Ds  but  it   al so   offers  col or   qu al it y  adv a ntages  that  ve r y  few   researc h  pap e rs  ha ve  m entioned   or   pro ved.   In   this  stu dy,  op ti cal   pro per t ie s  su ch  as  lu m ino us   ef fici ency  and   c o lo r  qu al it y  of   W L EDs  are  im pr oved  by   util iz ing   a  ne w  te ch nique  c al le d  dual - la ye r  rem ote  phospho r  str ucture  (D RP S) .   Be sid es,  the  c om par ison   of   op ti cal   char act erist ic s  betwee n  SRPS  (si ng l e  rem ote  ph ospho r  struct ur e )   and   DRP S  is  al so   cl early   presented  and d em on strat ed base d on Mi e scat te rin g  the or y.       2.   DETAIL   OF  SIMUALTI O N   2.1.   Simul at i on   of  SR PS  and  D R PS   As  can  be  see n  from   Figu re  1( a ),   the  WLE D  si m ulati on   with  rem ote  ph osp hor  str uctur est hat  have   the  ave ra ge  C CTs  of  5600  K,   6600  K,7 000  K,   7700  K,  and  85 00  K wa s  m ade   from   a   com m ercial   s of t ware   util iz ing   the   Mon te   Ca rlo   ray - traci ng  m et hod,   t he  Li gh tT ools  8.1.0.  Fig ure  1(b)  de picte d  the   3 - D  sim ulati on  ph ysi cal   m od el   of   W LE Ds  us ed  to  perf or m   op ti cal   si m ulatio ns   of  rem ote  pack a ge  WLE Ds.   SRPS  c ons ist s  of   a  sing le   phosp hor  la ye r  in  wh ic h  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,M n 2+   are  m ixed  with  YAG:C e 3+   com po und  as  il lustrate d  in  Fig ure  1  (c ) .  O n  t he  oth e r   ha nd,  acc ordi ng  to  Fig ur e   1  (d),  DRP S  in cl ud es   tw o  se pa rated  la ye rs   of  re d  phospho r  an d  ye ll ow   phosphor . This  reali sti c  m od el   of   WLED s  co ns ist s  of a n  8  m m   long  ref le ct or  at   t he  so le ,   2.07   m m   hig h,  an d  9.8 5  m m   l ong  at   it s  top   s urface. A s  de pi ct ed  in  Fig ure   1(d),  the  thic kness  f or  each  l ay er  of  rem ote  ph osp hor  is  0.0 8  m m  with  nin e  LE D  chi ps ,  eac h  of   t hem   has  1.16   W  rad ia nt   power   at   45 5  nm   wav el e ng t h,   a   square  s ole  of   1.1 4  m m ,  and   is  0.1 5  m m   hig h  boun de d  to  t he  s pa ces  at   the  bot ton   of    the  ref le ct or . Wh e n  the  SiO 2   con ce ntrati on   in  the  m ixtur e  of   phospho r  is  fixed   at   5% ,  the  co nce ntra ti on   of  Ca Mg  phosphor  cl im bs   ceas el essly   fr om   2 %  to  30 % .  Howev e r,   the  a ve rag e  CC T  valu es  are  sta bili zed  wit h  the m od ific at ion   of YAG:Ce 3+   wt.               (a)   (b)   (c)   (d)     Figure  1. a)  Photo gr a ph  of   W LEDs  sam ple, ( b) Sim ulati on   of the  WLE Ds usin g  Li gh tT ools  program ,    (c)   Illustrat io n of SRPS  w it h  SiO 2   ( green )  a nd CaM gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  ( re d) in  YAG:C e 3+   com po un d  (y el low),  (d) Il lustrati on  of D RP S  with  SiO 2   in  CaM gSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  com po und  a nd YA G:Ce 3+   com po und.       Nex t,  the  Li ghtTo ols  8.5.0  so ft war e  is  ap plied  to  sim ul at e  the  par ti cl es  prop e rtie s  of   Si O 2   and  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ .  T he  r efr act ive  i nd e x  of  SiO 2   a nd  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  phosp hor  is  1.5 4  an d  1.8 0  resp ect ively .  T he  SiO 2   pa rtic le s  ha ve  s ph e rical   sh ape  with  a  3  µm   aver ag e  rad i us   in  t he  Mi e  si m ulati on   wh il e   the  Y A G:Ce 3+   phospho r  par ti cl es  hav e   an   a ver a ge  rad i us   of   7.2 5  μm   wit h  c on sist e nt  1. 38  re fr act ive  i nd e x  at   e v e r y   w a v e l e ng t h s ,   a n d   t h e   r e f r a c t i v e   i n d e x   f o r   t h e   s i l i c o n e   g l u e   i s   1 . 5 .   T o   k e e p   t h e   a v e r a g e   C C T   v a l u e   s t e a dy ,   i t   i s   v i t a l   t o   v a r y   t h e   d i f f u s i on a l   p a r t i c l e   d e n s i t y   i n   t h e   di r e c t i o n   o f   i n c r e a s i n g   t h e   w e i gh t   o f   t h e   diff use s  to   increase t heir p ercenta ge wh il e lesse ning t he wei ght o f Y A G:Ce 3+  phosphor  to ret ai n  t he bala nce.   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       Dual - l ayer r e mo te   phosp hor  structu re: a  novel  tech nique  to enh an ce  the   color   ( Ngu ye n Doa n Quoc  An h)   4017   2.2.   Prepar at i on   of Ca M gS i 2 O 6 : Eu 2+ ,Mn 2+   ph osphor   Ordina rily ,  re d - em it t ing   ph os ph or   Ca M gSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  is  su it able  for  hi gh   l oad i ng   a nd  lo ng  li fetim e   fluo re scent  lam ps   becau se  of  the  ou tst a nd i ng   prop e rtie s  in  quantum   eff ic ie ncy  or   chem ic a l  a nd   therm al   sta bility   [1 1].  The  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  com po sit ion , wh ic h  is   suppose dly  a  substance  t ha t  can   enh a nce  t he  lu m ino us   e ff ic acy   of   WLE D s,is  create d  th rou gh   t he  ch e m ic al   pr ocess es  betwee n  di ff e ren t  m at erial s  su ch   as  Ca O,   Mg O,   Si O 2 ,  E u 2 O 3 ,  MnC O 3   a nd   N H 4 Cl .  The  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  phosp hor   com po sit ion   is  cal culat ed  in  detai l  as  can  be  seen  from   T able  1.   The  fa br ic at io n   of  C aM gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  m us t   be  ta ken   in  order   of   six   separ at e  ste ps:   m ixing ,  dr yi ng,  firin g  twic e,  wash i ng   a nd  dr yi ng  agai n  to  get    the  best  res ult,  each  of   them   play s  an  essent ia l  ro le   and   cl ose ly   relat es  to  the  pr ece ding  ste p( s ).   T his  order   i s   pr ese nted   s pec ific al ly   as  fo ll ow s:   ( 1)  Mi x  the  m at erial s  by  slu rr yi ng  t hem   in  m e thano l  with   the  f ocus  on  so a king  wit h  a   fe w  c ub ic   ce nt i m e te rs  water;   ( 2)   D ry  the  m ixtur e   in  t he  ai r  un ti l  it   com plete ly   gets  dr ai ned ;   (3)  Fire  the  dri ed  m a te rial s  i n  cap pe d  quar tz   tub es   un der  the  conditi on   of   N 2  at   10 00ºC  withi n  an   hour ;   (4)  Fire  this  c om po und  agai n  in  cap ped   quar tz   tub es  n  a n  hour  but  with  C O  at   1150ºC.  ( 5)   C ollec t  and   wash  w i t h   w a t e r   t o   r e m o v e   r e s i d u e   a n d   d u s t .   ( 6 )   W a i t   u n t i l   t h e   m a t e r i a l s   d r y   a n d   w e   a c h i e v e   C a M g S i 2 O 6 : Eu 2+ , M n 2+ .       Table  1.  C om po sit ion o f  the  re d - em it t ing  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+ phosp hor   Ing redien t   Mole (% )   By  weig h t   (g)   Molar  m ass     (g/ m o l)   Mole   ( m o l)   Ion s   Mole   ( m o l)   Mole   (%)   CaO   2 6 ,65 9   64   5 6 .07 7 4   1 .14 1   Ca 2+   1 .14 1   0 .10 6   MgO   2 3 .18 3   40   4 0 .30 4   0 .99 2   Mg 2+   0 .99 2   0 .09 2   SiO 2   4 8 .98 9   126   6 0 .08   2 .09 7   Si 4+   2 .09 7   0 .19 5   Eu 2 O 3   0 .23 4   3 .5   3 5 1 .926   0 .01   O 2 -   6 .47 8   0 .60 1   MnC O 3   0 .93 5   4 .6   1 1 4 .9469   0 .04   Eu 2+   0 .02   0 .00 2   NH 4 Cl   --   2 1 .4   5 3 .49   --   Mn 2+   0 .04   0 .00 4       3.   SCATT ERI N G   C OM PUT ATIO N   The  scat te rin g  coeffic ie nt  μ sca ( λ ) ,  anisotropy  facto r  g(λ) ,  and   reduce d  scat te rin g  coeffic ie nt   δ sca ( λ ) accord in g  to  Mi e the ory  [ 21 - 25]  can  be de fine d by ap pl yi ng  e xpres sion s  (1 - 3):       (1)       (2)       (3)     wh e re  N(r)  in di cat es  the  de ns i ty   of   distrib ute d  diffusio nal  pa rtic le s  (m m 3 ),   C sca   is  the   scat te ring  cr os s  se ct ion s  (m m 2 ),  p (θ, λ ,r)  is the p hase f unct ion, λ is the ligh t wav el en gth  (nm ),  r  is d iffusi onal  p arti cl es r adius  (µ m ),  θ  is   the  scat te ring   ang le   ( °C),  a nd  f(r)   is  the  f unct ion   desc rib e  the  diffus or   distrib ution   of  siz e  in  the  phos ph or   la ye r,  which  ca n be calc ulate d as f ollo ws:       (4)       (5)     The  functi on  N(r)   a re  c om piled  by  th e  de nsi ty   of dif fusive  par ti cl e  N di f ( r)  and  ph os ph or   par ti cl e  N phos ( r ).   f dif (r)  and   f phos (r)  are   functi ons  f ord iffuso r  an d  phos ph or   par ti cl e     siz e  distribu t ion .  K N   is  the  diffus or   unit sin  one   diffus or co nce ntrati on a nd is  def i ned b y:         ( 6)     w he re M (r) is t he diff us i ve uni t spati al  d ist ribu ti on  of m ass, prop os ed  b y e qu at io n:   ( ) ( ) ( , ) sc a sc a N r C r dr 1 1 ( ) 2 ( , , ) ( ) c o s c o s g p r f r d d r  ( 1 ) s c a s c a g   ( ) ( ) ( ) d i f p h o s f r f r f r  ( ) ( ) ( ) .[ ( ) ( ) ] dif ph os N dif ph os N r N r N r K f r f r   () N c K M r dr 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  :   4015   -   4022   4018       ( 7)     ρ diff ( r )   and   ρ phos ( r ) descr ibethe   diffus or an d p hosph or d e ns it y.     In Mi e - scat te ring  the or y,   C sca   can  be  ac hieve d  as  a r e su lt s  of the  equati on  belo w:         ( 8)     w he re  k   =  2π /λ , and  a n   a nd  b n   are esti m at ed  by:       (9)       (10)     Wh ic h  ha ve  th e  refract ive  i ndex x=   k.r m ,  an dR ic cat i  -   Be ssel  functi on   and  .   It  ca n  be   seen  f r om   Figu re  2  that  t he   scat te ring   c oe ff ic ie nts  at 45 3  nm ,  555  nm,  an d  680  nm  wav el e ngthsi ncr ease   dep e ndently   on   t he  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+  phosphor  c oncent rati on .  The  sc at te ring   e ff ec ts  of  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  an d  Si O 2   pa rtic le s  cause  co ns i der a bl e  influ en ce  on   RP - W L EDs .  Partic ularly ,  th e  red   li gh t  f ro m   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+  has  bette r   abs orbin g  ca pa bili ty   than  the   li gh t  rad ia ti on   of  LE D  a nd  th eref or,   the  will   be  ab unda nt  re d  li ght  wh ic h  can  be  us e d  to  c om pen sat e  f or   def ic i ency  in  RP - W LEDs .  Furthe r m o re,  5%  wt.  of  SiO 2   was  ad de d  to  en ha nce  the  scat te red   li gh t,   resu lt in g  in  a   rise  assim il ated   li gh t  of   pc - LEDs ,   wh ic h  is  the  r easo n  w hy  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+  and   SiO 2   par ti cl es  are   util iz ed  to  yi el d  w hite  LE Ds  wit h  bette r  c olo r   qu al it y.  Nex t,  the   anisot ropy  f ac tor  of   Ca M gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,M n 2+  pa rtic le s  for  wa velen gth s of 453nm ,   555nm ,  and  680nm   was  pr e sented   in   Fig ur e   3,  wh ic h  ind ic at es  th e  anisotr opy  fac tor  value s  at   680nm   wav el e ng t h  inc reases  in  com pa rison  to  55 5nm   values.   I n  com par ison   with  othe r  wa vele ng t hs ,  the   a nis otr op y   factor   values  obta ined  at   45 3nm   wav el eng t h  is  the  highes t,  wh ic h  m eans  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+  pa rtic le s  are  favor a ble to  th e color  hom og eneit y of rem ote phosp hor W LEDs .             Figure  2.  Scat te rin g  c oeffici ents  of   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+   of  453 nm , 5 55  nm ,    and 68 0 nm  w avelen gth s     Figure  3. A nis otr op y sca tt eri ng  of  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ of 45 3 nm , 5 55  nm ,    and 68 0 nm  w avelen gth s       The  refract ive  ind e x  of  sil ic one  (n sil )   in   SRP S  an d  DRP S  is   1.5 3  w hile  n ph os   is  the  refract ive  in de x  of  the  pho sph or   par ti cl es.  T herefo re,  th e  relat ive  refract ive  values  of  dif f us ive  par ti cl es   (m dif )  an d  ph os ph or  (m ph os )  in  the  sil ic on e  can   be   com pu te d  from   an d  .  The n  the  phase   functi on is e xpresse d  as  f ollo ws:   3 4 ( ) [ ( ) ( ) ] 3 dif dif ph os ph os M r r f r f r  22 2 0 2 ( 2 1 ) ( ) s c a n n C n a b k '' '' ( ) ( ) m ( ) ( ) ( , ) ( ) ( ) m ( ) ( ) n n n n n n n n n m x x m x x a x m m x x m x x '' '' ( ) ( ) ( ) ( ) ( , ) ( ) ( ) ( ) ( ) n n n n n n n n n m m x x m x x b x m m m x x m x x () n x () n x / d i f d i f s i l m n n / p h o s p h o s s i l m n n 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       Dual - l ayer r e mo te   phosp hor  structu re: a  novel  tech nique  to enh an ce  the   color   ( Ngu ye n Doa n Quoc  An h)   4019       ( 11)     w he re ,  S 1 ( θ )   and   S 2 ( θ)   are  the  angular  scat te ring   am plit ud es  cal cul at ed  by  the  f ollow i ng  equ at io ns :         ( 12)         ( 13)       (14)       4.   RESU LT S   A ND D I SCUS S ION   Figure  4  s how ed  that  the  re du ct io n  in  sca tt ering   coe ff ic i ent  of   Ca Mg S i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ at   45 3nm ,   555nm ,  and   680n m   wav el e ngths  are  nea rly   equ al ,   creati ng   the  scat te rin g  sta bili ty   of   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+ ,  wh ic h  is  ben e fici al   fo r   the  chrom at ic   per f or m ance  of  re m ote  ph ospho r  WLEDs.  T he   an gu la r   scat te rin g  a m plit ud es  of  Ca MgSi 2 O 6 :E u 2+ ,Mn 2+   a re  a lso  c om pu te d  by  MAT LAB   pro gram   after  that.   Accordi ng  t o    the  ob ta ine d  re su lt s,  Ca M gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,M n 2+   par ti cl es  ar e  great ly   adv a ntag eous  to   the   bl ue - li gh t  scat te ring.  A s   known ,  a  la r ge   a m ou nt  i n  bl ue   li gh t  can  le ss en  the  e ff ect   of  ye ll ow   rin g.   Me anwhil e,   C aM gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+   par ti cl es  not  only   com pen sat e  to  the  re d - li gh t  bu t  al s o  to  the  blu e - li ght,  as  s how n  in  an gula r  scat te rin g  a m plit ud es  within  Fig ur e  5. T hese calc ulati on s  dem on strat ing t he res ults f ro m  Figure  6  t o  Fi gure  8.             Figure  4.  R ed uc ed  scat te ri ng  coeffic ie nt   of  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ of 45 3nm , 5 55nm , an d 6 80nm   wav el e ng t hs     Figure  5.  The  a ngular  scatt ering am plit ud es  of  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ of 45 3nm , 5 55nm , an d 6 80nm   wav el e ng t hs       The  disc re pancy   in  CR I  values  bet ween   t he  SRPS  a nd  DRPS  s how n  i n  Fig ur e  6  is  neg li gi ble.   Wh e n  i ncr easi ng  the  c oncen trat ion   of  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn 2+ up  to   22 %,  CR I  of  SR PS  a nd  DRP S   te nd  to   cl i m b  up,  es pe ci al ly   with  the  highest  ACCT  at   8500  K,  wh i ch  ha ve  a n  im portant  m eanin g  i n  im pr ovin g  CR I   for  bo t h  SR PS  a nd  DRP S.  Wh il e  CR I  is  hard  t o  co ntr ol  at   high  ACCT  (85 00  K ),   ph os ph or  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ can  defi nitel y  m ake  it  possible.   H oweve r,   CR I  is   just  one  of  th e  ind ic at ors  use d  t o  evaluate t he  c ol or   qual it y, wh i ch has  recently  b ee n replace d by a  new e r qu al it y i nd ic at or  ca ll ed  CQ S.   2 4 ( , , ) ( , , ) ( , ) s c a r pr k C r  ( , , ) r 22 12 1 ( , , ) [ | ( ) | | ( ) | ] 2 r S S  1 1 ( , ) ( c os ) 21 ( , ) ( c os ) ( 1 ) nn n nn a x m n S b x m nn      2 1 ( , ) ( c os ) 21 ( , ) ( c os ) ( 1 ) nn n nn a x m n S b x m nn      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  :   4015   -   4022   4020       (a)   (b)     Figure   6.  CR I values  of S R P S ( a )  a nd D R P S (b) g row wit h  Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ c onc entrati on       CQS  in volves  three  el em ents:  CR I,   vie wer s '   pr efere nce ,  a nd  col or   c oor di nates,  m aking  it   beco m es  the  m os t  crit ical  ind ic at or   to  assess  colo r  qual it y.  As  known ,  the  CR I  va lue  of   SRP S  con ti nues  to  in creas e   wh e n  Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,M n 2+ con ce ntrati on  e xceeds  30% whil e  the  CR I  va lue  of  DRP S  ha s  a  te nd e ncy  to dr op   at   al l  ACCTs  after  this  c onc entrati on  li m it .   This  is  the   sa m e  to  CQS  as  the  res ults  of S RPS  a nd  DRP S  CQ S   interact ions  wi th  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ c onc entrati onare  s how n  in  Fig ure  7.   SRPS  ca n  yi el d  the  highest  CQS   of   71   at   CC T  8500K  w hile  74  is  the  hi gh e s t  CQS  value  of   DRPS  at   m os t  ACCTs.  T hus,   it   can  be  co nc lud e d   that  DRPS  br i ng s  gr eat er  c olo r  qual it y   than  SRPS.A s  il lus trat ed  in  Figur e  6  and   Fig ure   7,   CR I  and   C QS   go   up  s harply   w he n  t he  red  ph ospho r  c oncentr at ion   is   ad justed  i n  the   ra nge  of  2%   -   30  %.   The  great est   va lue  of   CR I  and   CQ S   wer e  res pecti vely   85   an d  71  at   30 %  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ , Mn  concentrat ion   w h il e  the  highest   angular  scat te r ing   am plit ud es  of   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn  is  achieve d  at   453  nm   wav el engt h  as  m entione d  i n  Figure  5,  w hi ch  m eans  the  blu e - li gh t  s cat te ring   is  be nef it ed  from   the  ad ded   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn   con ce ntrati on  as  well ,  br i ng i ng   not  on ly   ad van ta ges  f or   c hrom at ic  per f orm ance  i m pr ov em ents  bu t  al so   li ght   ou t pu t.  T he  ba ckscatt erin g  ev ent,  howe ver,  will   occu r  in  S FPS  if  Ca MgS i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn  c on ce ntrati on  e xceeds  14%  causin gligh t   loss  a nd   re su lt ing   in  re du ced  lum ino us   f lux   w hich  ca n  be  obser ve d  from   the  lu m en  ou t put   values  of S R P S and DRPS  e xpresse d  i n  Fi gure  8.           (a)   (b)     Figure  7.  CQS   values  of S R P S ( a )  a nd D R P S (b) g row wit h  Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ c onc entrati on       As  a  re su lt ,   the   lum inous  fl ux  increases  sh a r ply  at   first,  the n  reac hes  t he  pe ak  val ue  a nd   finall y  goe s   dow n  sli ghtl y,  as  de picte d  in  Figure  8  (a ).   F igure  8  ( b)   de pi ct ed  a  sh a rp   r edu ct io n  i n  D RPS  bri ghtnes s  w he n  increasin g  the   con ce ntrati on   of   re d  ph os phor  Ca MgSi 2 O 6 :E u 2+ ,M n 2+ ,   wh ic h  is  the   resu lt   of   a  noti ceable   decr ease   in  e nergy  f ro m   transm it t ing   li gh t  t hroug h  t he  re d  phosp hor  la ye r.   H ow e ve r,   at   2 - 14%  Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ ,  lum ino us  fl ux  of  DR PS  is  al ways  great er  t han  SR PS  at   al l  ACC Ts.  T he refor e ,  DRPS   pro vid es  both  hi gher  brig htn e ss and C QS   f or  W LE Ds  tha n SRPS.   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       Dual - l ayer r e mo te   phosp hor  structu re: a  novel  tech nique  to enh an ce  the   color   ( Ngu ye n Doa n Quoc  An h)   4021       (a)   (b)     Figure  8.  Lum en ou t pu ts  of SR PS  (a )  a nd  D RPS (b)  w it h  C aM gS i 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+ co nce ntr at ion       5.   CONCL US I O N   To  su m   up ,  thi s  stud y  has  f oc us e d  on  so lvi ng   tw o  pro ble m s :  (1 )  com par in g  CQS  an d  LED  opti cal  perform ance  of   SRPS  an d  D RPS,  an d  (2)  analy zi ng   the  eff ect   of  red   phosp hor  Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+   on  CQS  a nd   L F   of   t hese  tw o  structu res.   B oth   phosp hor  structu re  a nd   phospho r  co nc entrati on  s hould   be   si m ultaneou sly   m od ifie d  ti ll   an  a pprop riat e  value  t o  ac hieve  the  desire d  CQ S  an d  L E.  T he  res ults  sh ow e d  that  CR I  a nd  CQS  go  up  w hen  raisi ng  th e  Ca MgSi 2 O 6 :E u 2+ ,Mn 2+   co nc entrati on.  DR PS  yi el ds   a   C QS   of    74  at   ACCTs   ra ng i ng  f rom   56 00K  t o  8500K   but  it   causes   a  si gnific ant  dec re ase  in  L F.  H ow e ve r,    this  structu re  al ways  br in gs  hig he r  lum in ou s  flu x  than   SRPS  do es  at   al l   ACCTs  with  about  2 - 14 %     of   Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,M n 2+ .   This  res ult  is  de m on s trat ed  thr ough   the  scat te rin g  pro per ti es  of   Ca MgSi 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+   inclu din g   the  scat te ring  coe ff ic ie nt  μ sca ( λ ) ,  anisotr op y  facto r  g(λ) ,  red uce d  scat te rin g  coeffic ie nt  δ sca ( λ ) ,  and   t he  a ngula r  scat te rin g  am plit ud es  S 1 ( θ )   and   S 2 ( θ) .  In   co nclu sio n,   the  CR I  of  SR PS  a nd   DRPS  are  al m os t  eq uiv al ent   wh il e  the  CQS  an d  LF  of  DRPS  outpe r form   that  of   t he  SRPS .  The refore ,     the  con ce ntrat ion   of  Ca Mg Si 2 O 6 :Eu 2+ ,Mn 2+   m us t  be  s el ect ed  appropr ia te ly   to  achieve  the  de sire d    CQS a nd LF .       REFERE NCE S   [1]   Z.  Guo,  et   a l . ,   “ Spect ra l  opti m izati on  of  ca nd le - l ike   white   l ight - e m it ti ng  diode s  with  high  col or  re nder ing  inde x  an d   luminous   eff icac y , ”  Journal  o f  D isplay   Te chnol o gy ,   vo l. 12, no. 1 1,   pp .   1393 - 139 7,   2016 .     [2]   P.  J.  Pedro,   et   a l . ,   “ Unique  hue  cor recti on  app lied   to  the   col or  ren der ing  of  L E D  li ght  source s, ”  Journal  of  th e   Optic al   Societ y of  Ame ri ca ,   vol .   33,   no .   3 ,   pp .   A2 48 - A254,  2016.   [3]   G.  He,   et   al . ,   “ Stud y   on  the   co rre lations  be twe en  col or   ren d ering  indi c es  and  the   spec tral  po wer  distri but ion s:   comm ent , ”  Opt i cs  Ex press ,   vol .   23,   no .   3 ,   pp .   A1 40 - A145,  2015.   [4]   David,   et   al . ,   “ D eve lopment   of  t he  IES  m et hod   f or  evalua t ing  th e   col or  ren di ti on  of  li ght   source s, ”  Opti cs  Ex press ,  vol.   23 ,   no .   12 ,   p p.   15888 - 15906 ,   2015.   [5]   L.   Y.  Chen ,   e t  a l . ,   “ Chrom at i ci t y   t ai lor able  gla s s - bas ed  phosphor - conve rt ed  whit e  li ght - emitting  diode s  with  hig h  col or  r ende r ing  i ndex, ”   Opti cs  E x press ,   vol. 23, n o.   15 ,   pp .   A1024 - A1029,  2015.   [6]   J.  K.  Sheu,   e t  a l . ,   “ W arm - white  li ght - emit ti ng  diode   with  high   col or  ren d eri ng   inde x  fab r ic a ted  b y   combinin g   tri chr o m atic   InGaN e m it t er  wi th s ingl e  r ed  phosp hor, ”  Opt ic s  Ex p ress ,   vol. 23, no. 7,  pp.   A232 - A239,  2015 .   [7]   Y.  Yuan,   et   al .,   “ Exc el l ent   col o r   ren der ing  inde x   and  high  quant um   eff ic ie nc y   of   rar e - earth - fre e  f luosil icat e  gla ss   for  single - ph ase   white   li ght   phosphor,”   Opt ic s Le tt ers,   vo l. 41, no. 13,  pp.   3122 - 31 25,   2016 .   [8]   M.  T.  W ang,  a nd  J.  M.   Huang ,   “ Acc ura te  con trol   of   chr om ati ci t y   and  sp ec tr a   b y   fe edback  p hosphor   coa t ing , ”  Optic s E xpre ss ,   vol.   23 ,   no .   9 ,   pp .   11576 - 11585 ,   2015.   [9]   Y.  Li n ,   Z .   Guo,   and  Y.  C ao,   “ Stud y   on  t he   cor r el a ti ons  bet w ee n   col or  r ende ring   indi c es  and  th e   spec tral  powe r   distri buti ons:   rep l y   to   comm ent , ”   Optic s E xpre ss ,   vol.   23 ,   no .   3 ,   pp .   A146 - A148,  20 15.   [10]   W .   G.  Bi,   et   a l . ,   “ Im prove d  eff ic acy   of  warm - white   l ight - emit ti ng   diode   luminai r e s,”   Appl i ed  Opti c s ,   vol.   54,   no .   6 ,   pp.   1320 - 1325 ,   2015.   [11]   K.  Y.  Yeh,   et   al . ,   “ Novel  blue - e m it ti ng  phosphors   -   BaBe SiO 4 :Eu 2+ :  luminesce nc e  prope rties  and  it s  appl i ca t ion  fo r  UV - li ght  emit ti n g  diode s, ”  Opt ical  Mat erial s E xp ress ,   vol. 6, no.  2,   pp .   416 - 428 ,   2016.   [12]   S.  P.  Ying,   and  J.  Y.  Shen,   “ Con ce ntr ic   ring  phosphor  geometr y   o n  the   luminous   eff ic i ency   of  whit e - li ght - emitting  diode s with   ex celle nt   co lor  r endering  prope r t y , ”  Optic s Let te rs ,   v ol.   41 ,   no .   9 ,   pp .   1989 - 9192,   201 6.   [13]   J.  Kaur,   e t  a l . ,   “ UV   induc ed  the rm olumi nesc enc e  and  photo luminesce nc e  st udie s  of  Sm 3+  Doped  La AlO 3   phosphor,”   Journal  of   Display   Technol og y,   vol.  12,   no .   9 ,   pp .   92 8 - 932,   2016 .   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  :   4015   -   4022   4022   [14]   J.  Xu,  J.  Ueda ,   and  S.  Ta nabe,  “ Design  of  de ep - red   per sisten t  phosphors   of   Gd 3 Al 5 - x Ga x O 12 : Cr 3+   tra nspare nt   ce ramic s sen sit ized  b y   Eu 3+   as  an el e ct ron  tr ap  usi ng  conduc t ion  b and  engi n ee ri ng, ”  Optic a l  Mate ri als E xpre ss ,   vol .   5,   no .   5 ,   pp .   963 - 968,   2015 .   [15]   H.  Xiao,   et   a l . ,   “ Red - phosphor - dot - doped  arr a y   in  m irror - surf ac e  subs trate  l i ght - emitt ing  d io des, ”  Journal  o f   Display  Techno l ogy,   vo l. 12, no.  8,   pp .   873 - 877 ,   2016.   [16]   O.  H.  Kw on,   et   a l . ,   “ W hit e  lu m ine sce nce   charac t eri sti cs  of  red /green  sili c ate   phosphor - gla ss  thi ck  fil m   lay e rs  print ed   on  gl ass  subs tra te , ”  Opt ical  Mat erial s E xp ress ,   vol. 6, no.  3,   pp .   938 - 945 ,   2016.   [17]   L.   W ang,   et   a l . ,   “ Highl y   eff i ci en t   nar row - band  gre en  and  red   phosphors   ena bli ng  wider   col or - gam ut  LE D  bac kl igh t  for  m ore   bri ll i an t  displ a y s , ”   Opti cs  Ex press ,   vol .   23,   no .   22 ,   pp .   2 8707 - 28717,   20 15.   [18]   Y.  Du,  et   al . ,   “ El ec tro luminesce n t  prope rties  of  W LE Ds   with  the   st ruc ture s  of  Ce: YA G  single   cr y stal /bl u e  chi p  an d   Sr 2 Si 5 N 8 :Eu 2+ Ce: YA G singl e cr ystal /bl u e chi p , ”  J ournal  of  Displa y  Techno logy,   v ol.   12 ,   no .   4 ,   pp .   323 - 327,   2016 .   [19]   J.  W .   Moon,  et   al . ,   “ Optic al   charac t eri sti cs  and  longe vity   of  th e   li ne - emit ti ng  K2S iF6:Mn4+  pho sphor  for  LE D  appl i ca t ion,”  Op ti cal Mat erial s  E xpre ss ,   vol .   6 ,   n o.   3 ,   pp .   782 - 79 2,   2016 .   [20]   Li u,   et   al . ,   “ Red - blue - gre en  soli d  stat e  li ght  sou rce s  using  a  n ar row  li ne - width  gre en  phosphor, ”  Optic s  E xpre s s ,  vol.   23 ,   no .   7 ,   pp .   A309 - A315,  20 15.   [21]   V.  K.  Rai ,   and  A .   Pande y ,   “ Eff ic i ent   co lor  tun abl e  ZnWO 4 :Er 3+ - Yb 3+   phosphor   for  high  te m pe rat ure   sensing , ”  Journal  of   Displ ay  Techno logy,  vol.   12 ,   no .   11 ,   p p.   1472 - 1477 ,   2 016.     [22]   C.   Hu,  e t  a l . ,   “ YA G:Ce/ (Gd,Y)AG :Ce   dual - l a y ere d   compos it e  struc ture  ce rami c  phosphors   designed     for  bright whit e  l ight - emitting d io des  with  v ari ous  CCT, ”   Optic s   Expr ess ,   vol. 23, n o.   14 ,   pp .   18243 - 18255,   2015 .   [23]   C.   H.  Ch ia ng ,   e t  a l . ,   “ Eff ec ts  of   phosphor  distri but io n  and  st ep - in dex  remote   c onfigura t ion  o n    the   p erf orm anc e   of  white l igh t - e m it ti ng  diod es, ”   Optic s Let te rs ,   v ol.   40 ,   no .   12 ,   pp .   2830 - 2833 ,   20 15.   [24]   J.  Hu,  et   al . ,   “ Nea r  ult rav iolet   exc ited  Eu 3+   doped  Li 3Ba2 La3(W O4)8  red   p hosphors   for  w hit e  li gh t  emitti ng   diode s,”   Opti cal   Mate rials  Ex pre ss ,   vol. 6, no .   1,   pp.   181 - 190 ,   20 16.   [25]   K.  Y.  Yeh,   et   al . ,   “ Novel  blue - e m it ti ng  phosphors   -   BaBe SiO 4 :Eu 2+ :  luminesce nc e  prope rties  and  it s  appl i ca t ion  fo r  UV - li ght  emit ti n g  diode s, ”  Opt ical  Mat erial s E xp ress ,   vol. 6, no.  2,   pp .   416 - 428 ,   2016.       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.