白光led的應用前景

近10年來，隨著科學技術的快速發展，照明效率逐步提高。傳統的光源可以在許多地方使用，尤其是大型慈濟燈的出現，這加快了傳統慈濟燈的光度速度。與傳統的照明光源相比,白光LED有許多優點,如:體積小、能耗低、響應快、壽命長、無污染等,因此被喻為第四代照明光源。目前白光LED主要應用于大屏幕顯示、各種指示燈、部分道路照明、景觀照明等,并迅速地向汽車尾燈、LCD背光源、家庭照明等領域進軍。目前,獲得白光LED的成熟方法是:采用藍光InGaN加YAG:Ce3+黃色熒光粉,利用透鏡原理將互補的黃光和藍光混合以得到白光。該白光發射體系因二極管的工作溫度及電流改變,管芯的藍光發射和YAG:Ce3+熒光粉的黃光發射都會產生一定的波長移動,從而導致其白光發射不穩定。隨著GaN基芯片向短波方向擴展,科研人員開始嘗試用發射350~410nm的InGaN管芯抽運三基色混合熒光粉而產生白光,但這種白光體系在熒光粉混合后往往存在相互間顏色再吸收和配比調控問題,使流明效率和色彩還原性受到較大影響。因此,開發一種能克服混合熒光粉的不足,提高流明效率和色彩還原性能的新型熒光粉成了當務之急。可被380~410nm范圍激發的單一基質白光熒光粉正是這樣一種極具潛力的白光LED用熒光粉,近年來受到了國內外研究人員的廣泛關注,具有良好的發展前景。筆者介紹了國內外單一基質白光熒光粉的研究現狀,指出了該熒光粉目前存在的問題,并展望了其未來的發展前景。1單烷基光束粉1.1單離子混合smwp1.1.1發射光譜和熒光光譜KimJS等報道了適于近紫外光激發的Ba3MgSi2O8:Eu2+和Sr3MgSi2O8:Eu2+單一相白光熒光粉。Sr3MgSi2O8:Eu2+熒光粉被激發后的發射波長為470nm和570nm。色溫為5892K時,色坐標x=0.32,y=0.33,顯色指數為84,此熒光粉的工藝重復性好,穩定性強,顯色指數高。孫曉園等首次報道了Sr2MgSiO5:Eu2+是一種性能良好的適于近紫外光激發的單一白光熒光粉材料(發射光譜圖略)。位于470、570nm處的發射帶來自Eu2+的5d→4f躍遷,源于不同的格位,它們混合成白光。它們的壽命差別不大,說明藍光中心向黃光中心的能量傳遞不發生或無效。這兩個發射帶所對應的激發光譜均分布在250~450nm的紫外區。利用該熒光粉和具有400nm近紫外光發射的InGaN管芯制成了白光LED,當正向驅動電流為20mA時,色溫為5664K;色坐標為x=0.33,y=0.34;顯色指數為85;光強達8100cd/m2。器件的色坐標和顯色指數等參數隨正向驅動電流的變化波動很小,顏色穩定,優于目前商用的藍光管芯泵浦白光LED。1.1.2eu2+濃度楊志平等采用固相法在較低溫度下合成了Eu2+激活的Ca2SiO3Cl2高亮度藍白色發光材料(激發光譜和發射光譜圖略),并對其發光性質進行了研究。其發射光譜由兩個譜帶組成,峰值分別位于420nm、498nm處,歸結為Ca2SiO3Cl2晶體中占據兩種不同Ca2+格位的Eu2+離子的5d→4f躍遷發射。改變Eu2+濃度,可以使樣品的發光在藍白色和綠白色之間變化。當Eu2+濃度為0.005mol/L時,樣品呈現很亮的藍白色發光。兩個發射峰的激發光譜均分布在250~410nm的波長范圍內,峰值分別位于333nm、369nm處。Ca2SiO3Cl2:Eu2+可被InGaN管芯產生的近紫外輻射有效激發,是一種性能良好的白光LED用單一基質藍白色熒光粉。1.1.3激發光譜po2-eu2+光致發光性質研究吳占超通過Sr2+取代Ba2Mg(PO4)2基質當中的一個Ba2+,用高溫固相法制備了一種新型的、能夠單獨發射白光的熒光粉BaSrMg(PO4)2:Eu2+(激發光譜和發射光譜圖略),并研究了其光致發光性質。結果表明,其發射光譜主要由兩個發射帶組成,發光中心分別位于447nm和536nm。通過調節Eu2+進入到不同晶格中的比例,優化熒光粉的色純度,使樣品的色坐標基本進入了白光區。1.2多離子混合smwp1.2.1堿土氯類氧漂單ca十年堿土硅酸鹽體系的SMWP是國內外報道最多的。LeeSH等最近報道了(Ca,Sr,Ba)MgSi2O6:Eu2+,Mn2+熒光粉,這種熒光粉有3個發射峰,分別位于450nm、580nm和680nm。在該熒光粉中,當Sr和Ba的含量增加時,藍光的衰減時間將會延長,而發光強度會相應的增加。這種行為被認為是由Ca2+的空位或晶格缺陷被較大的Sr2+或者Ba2+取代所產生的。由于堿土硅酸鹽單一基質熒光粉的合成溫度普遍較高,所以楊志平等制備了單一基質Ca10(Si2O7)3Cl2:Eu2+,Mn2+白色發光材料(激發與發射光譜圖略),這種堿土鹵硅酸鹽體系熒光粉具有合成溫度低、發光亮度高和化學性能穩定的優點。研究發現,材料適于近紫外光激發,發射高亮度的白色光。Eu2+發射中心形成峰值為426nm和523nm的特征寬譜,通過Eu2+向Mn2+的能量傳遞,形成了峰值為585nm的寬譜發射;紅、綠、藍三色發射帶疊加后,在同一基質中實現了白光發射。利用Dexter電多極相互作用的能量傳遞公式,得出Ca10(Si2O7)3Cl2中Eu2+對Mn2+的能量傳遞屬于電偶極-電偶極相互作用引起的共振能量傳遞。利用InGaN管芯(370nm)激發Ca10(Si2O7)3Cl2:Eu2+,Mn2+材料,獲得了很好的白光發射,測得的色坐標為x=0.323,y=0.327,色溫為5664K,顯色指數為85。1.2.2紫外光和光照鋁酸鹽體系的熒光粉具有量子轉化效率高、顯色性好、激發范圍寬以及發射光在可見范圍內等優點,成為熒光材料研究的熱點之一。Yu-HoWon等報道了暖白光發光二極管用可調諧全彩色發光的La0.827Al11.9O19.09:Eu2+,Mn2+熒光粉。當該熒光粉被紫外光激發時有3個發射峰,發射出的藍光來源于Eu2+,綠光和紅光來源于Mn2+。發光機理是Eu2+→Mn2+和Mn2+(四面體)→Mn2+(八面體)能量的轉移。這種能量的轉移導致了藍光和綠光的快速衰減。通過改變Mn2+的含量,La0.827Al11.9O19.09:Eu2+,Mn2+發出的光可以很容易的在藍光和紅光之間進行調節。在白光LED中通過紫外(λpeak=385nm)和La0.827Al11.9O19.09:Eu2+,Mn2+熒光粉可以發出暖白色的光(Tc=3559K)。Yang等報道了Eu2+,Mn2+共摻雜的BaMgAl10O17(BMA),該材料的激發帶覆蓋了從紫外光到紫光的區域,激發Eu2+產生的藍光發射同時對Mn2+進行能量傳遞,增強了Mn2+的綠光發射,二者復合從而產生白光發射,并且研究了Eu2+,Mn2+的含量對色坐標的影響(見表1)。1.2.3ba2cabo3及c9+ce3+共摻雜的熒光光粉稀土硼酸鹽系列熒光粉是上世紀90年代末,為了適應大屏幕高清晰彩色投影電視和計算機終端顯示技術的發展,而正在研究開發的一類新型的稀土熒光材料,制得的產品性能優異,且易于制備單基雙摻熒光粉,成本低廉,所以很多學者研究了硼酸鹽單一基質熒光粉。Guo等在950℃下合成了Ce3+和Mn2+共摻雜Ba2Ca(BO3)2熒光粉,并且通過調節激活劑的濃度研究了它的發光性質。通過調整Mn2+在Ce3+和Mn2+共摻雜Ba2Ca(BO3)2熒光粉中的含量,制得被UV激發的白光熒光粉。由于兩種形式的Ce3+分別占據了Ba2+[Ce3+(1)]和Ca2+[Ce3+(2)]的位置而發出了綠光和藍光,而Mn2+進入了Ca2+的位置而發射出紅光。分析它們的激發光譜可以知道他們的能量轉移是從Ce3+(1)→Ce3+(2),Ce3+(1)→Mn2+,和Ce3+(2)→Mn2+。在345nm或395nm照射下,它的色坐標、色溫、顯色指數和它的發射光譜相一致,他們認為這是一種非常有潛力的白光LED用單一基質白光熒光粉。1.2.4m2-熒光光發射粉的色品質磷酸鹽/鹵磷酸鹽體系單一基質白光熒光粉性能穩定,具有很大的發展潛力。吳占超等在研究BaSrMg(PO4)2:Eu2+熒光粉的基礎上,用高溫固相法合成了Ba0.97Sr0.99Mgl-x(PO4)2:Eu2+0.040.042+,Mn2+xx2+(x=0.01~0.19)系列熒光粉。進一步提高熒光粉白光發射的色品質,結果顯示,隨著Mn2+濃度的增大,其色坐標的位置逐漸接近標準白光點。張志陽等合成了能被近紫外光芯片有效激發的Eu2+、Tb3+和Mn2+共摻的氯磷酸鈣白光熒光粉,發出的白光是由Eu2+的464nm藍光發射、Tb3+的540nm的綠光發射和Mn2+的584nm的橙紅光發射組成的,并且探討了不同摻雜離子的濃度對熒光粉的色坐標的影響。1.2.5能量給予者/接受者m2+,cr3+Kim等合成了ZnGa2O4:Mn2+,Cr3+熒光粉。它所發射出的紅、綠、藍三色光分別來自于Cr3+、Mn2+和Ga-O之間的電荷轉移。Mn2+,Cr3+的濃度在ZnGa2O4:Mn2+,Cr3+中的變化可以來調節它的發光強度,并分析了這種現象發生的原因:能量給予者(Ga-O)和接受者(Mn2+,Cr3+)之間光譜的重疊,兩者之間的距離以及能量給予者的衰減時間。這種熒光粉被激發后能發出純白色的光,它的色坐標是x=0.4014,y=0.3368。2單一基質光顯色粉(1)單一基質白光熒光粉的激發光譜不能與LED的發射光譜很好地匹配,國內外研制的近紫外LED芯片的發射波長主要集中在400nm左右,而當前研究的單一基質白光熒光粉的激發光譜大多在345~395nm,很顯然這種熒光粉只能吸收少部分來自管芯的激發能,造成了很大一部分能量的損失,導致發光效率不高。(2)由于單一基質白光熒光粉的發射光譜中紅色成分不足,從而造成顯色指數不高,達不到室內照明等一些對顯色指數要求較高場所的要求。目前,用于近紫外激發而發射紅光的稀土離子并不多,而且一些稀土離子在特定的基質中本身發射紅光較弱,甚至沒有紅光發射,需要通過其他稀土離子的能量傳遞,吸收能量后才能發出紅光。(3)目前對熒光粉的研究多限于制備和表征,對熒光粉封裝后的發光特性的研究較少。3對材料光照性能的控制筆者認為單一基質白光熒光粉需要加強以下幾個方面的研究:(1)改進現有的合成方法和制備工藝過程,通過對材料制備工藝、組成和結構的控制,獲得合適的顆粒大小和化學均勻性粉體,從而實現對材料發光性能的控制。(2)對熒光粉的晶體結構、摻雜、能量傳