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                    白光LED用紅色熒光粉的探討
                    http://www.609263.com    行業資訊   2018-4-25 10:07:16
                     

                    白光 LED 概述

                      隨著社會的進步和發展,能源和環境問題越來越成為當今世界著重關注的問題,節約能源、保護環境越來越成為社會進步的主要動力。人們日常生活中對照明用電的需求占總消耗電量的十分大的比例,但目前存在的傳統照明方式存在耗電量大、使用壽命短、轉換效率低、污染環境等缺陷,因而不符合現代社會節約能源保護環境的宗旨,因此需要有一種符合社會發展需求的新的照明方式來代替傳統照明方式。

                      經研究工作者不斷努力,制備出具有相對于較長使用壽命、轉換效率高且對環境污染低的綠色照明方式即半導體白色發光二極管簡稱 WLED,對比傳統的照明方式, WLED 具有效率高、無汞污染、低碳排放、壽命長、體積小、節能等優點,這使得它被廣泛應用于交通運輸、照明顯示、醫療器械和電子產品等領域。

                      同時 LED 已被公認為 21 世紀最有價值的新光源。在同等的照明條件下, WLED 的能耗相當于熒光燈的50%,是白熾燈的 20%。目前,全球傳統照明用電約為世界總能耗的 13%,若用 WLED 來取代全球傳統的照明光源,則會減少一半左右的能耗,其節能效果顯著,經濟效益客觀。

                      目前,被譽為第四代照明器件的白光發光二極管(WLED)由于其優異的性能深受人們的重視,人們對白光 LED 的研究逐漸加強,其設備在顯示和照明等許多領域具有廣泛的應用。

                      1993 年, GaN 藍光發光二極管(LED)技術首次取得突破,推動了 LED 向前發展。起初,研究者們利用 GaN 作為藍色發光光源,采用熒光粉轉換的方法實現了單個 LED 的白光發射,加快了 LED 進入照明領域的腳步。

                      WLED 最大的應用就是在家用照明領域,但就目前的研究狀況來,WLED 仍然存在很大的問題,為了使 WLED 能夠盡快的走進我們的生活中,我們需要不斷的改進和提高其發光效率、顯色性以及使用壽命等特性。雖然目前LED 光源還不能完全替代人類使用的傳統光源,但隨著科技的發展, LED 燈會越來越普及。

                      白光 LED 用紅色熒光粉的研究

                      現有技術所研制出的白光 LED 熒光粉普遍存在顯色指數低、色溫高、偏向于冷白光等問題,主要的原因是所制備的熒光粉中缺少紅光成分,因此研究具有高效率的紅色熒光粉尤為重要。按目前研究狀況,按基質材料分類可主要分為以下幾種體系。

                      1.硫化物、硫氧化物和氧化釔體系

                      堿土金屬可以用來充當硫化物紅色熒光粉基質的陽離子, Eu2+為硫化物熒光粉的激活離子且這類熒光粉的發光效率也較高,在白光中的應用十分廣泛。一些學者利用固相反應法將 Ca 元素摻入到 SrS: Eu2+基質,制備出了(Cax,Sr1-x)S: Eu2+紅色熒光粉材料,通過研究測試發現:摻雜劑的引入會引起樣品發射峰位置的改變,當 Ca2+濃度的增加時,會使主發射峰位置向長波方向移動,并且強度也隨之增強。

                      以氧化釔或硫氧化物為基質的紅色熒光粉其激活離子通常選用 Eu3+,激發峰在通常在 350nm、 380nm、 460nm 范圍處,另一些學者研制出了 Y2O2S: xEu3+紅色熒光粉,且研究結果表明,其發射峰位置隨著Eu3+離子濃度的逐漸增加向右偏移最終可達到 626nm 處。

                      利用射頻濺射法成功研制出 Y2O2S: Eu 發光薄膜材料,測試得出,其發光光譜與商用的 Y2O2S: Eu 熒光粉十分類似。盡管可被近紫外光以及藍光 LED 芯片激發的氧化釔或硫氧化物紅色熒光粉已被開發出來, 但是由于其基質發光效率偏低因而限制了其使用的廣泛性。此外,硫化物熒光粉材料的化學性質及其不穩定,遇高溫或水即發生分解,容易危害環境。

                      2.氮化物體系

                      氮化物體系紅色熒光粉其基質具備優異的熱穩定性及化學穩定性,因此被廣泛研究,通常選用 Eu2+為激活離子。 Sr2Si5N8: Eu 紅色熒光粉可吸收的波長范圍從近紫外到藍綠光且發射的黃、橙、紅光波長范圍從 550 nm~750 nm,且效率很高,其發射波長隨 Eu2+摻雜濃度的增加逐漸向長波方向紅移,通過熒光測試發現,此 LED 用紅色熒光粉具有良好的發展前景。

                      利用高溫固相法制備出以 CaAlSiN3 為摻雜 Eu2+的熒光粉粉體,經研究測試表明在溫度為 1 700 ,壓力為 0.65 MPa 下保溫 3 h 且摻雜濃度為 4mol%時所制備出的熒光粉結晶性能最好發光強度最高。

                      到目前為止,對比商業的硫化物紅粉來說,氮化物紅粉的紅光具有更大的可控制性,而且其物理化學性質也高于硫化物。但是,氮化物紅色熒光粉對制備條件的要求卻十分的嚴苛,一般要在高溫達到1400~2000 、長時間保溫并且需要在氮氣的保護下才能制備出來。這必將增加熒光粉的成本同時也會耗費大量的資源。

                      3.硅酸鹽體系

                      硅酸鹽體系眾多且性能優異,因此被廣泛用于熒光粉的研究,其激活離子通常選用 Eu3+用以制備紅色熒光粉。在探討以激活離子 Eu3+摻雜硅酸鹽基紅色熒光粉的研究中,歸納了前人的研究經驗,在研究 Eu3+離子在 5D0→7F2 處的躍遷中分別利用了溶膠-凝膠法、凝膠-燃燒法、高溫固相法等,并且探討了不同的電荷補償劑、激活劑的摻雜濃度、助熔劑的添加狀況等影響因素對發光效果的影響。

                      以高純度的NH4H2PO4、CaCO3、 SiO2 等為原料,從含堿金屬的鹵化鹽中獲取電荷補償離子,采用高溫固相法制備出了適用于近紫外光芯片激發的 Ca5(PO4)2SiO4: Eu3+, A+(A=Na, Li, K)紅色熒光粉材料。經過研究測試得出,該熒光粉材料的熒光性能十分優異,其激發主峰位于 395nm 處,位于近紫外區內,發射主峰位于 615nm 處,熒光強度與色坐標十分接近于商業用的熒光粉。

                      利用溶膠凝膠法制備出了以 LaPO4-5SiO2 為復合基質摻雜 Eu3+為激活劑的紅色熒光粉。經測試研究表明所制備的硅酸鹽基紅色熒光粉的性能優異,Eu3+的最佳摻雜濃度為 7mol%,最佳激發波長位于 395 nm(紫光區)處,發射波長位于 612 nm(紅光區)處。

                      4.鎢鉬酸鹽體系

                      鎢鉬酸鹽是物理化學性質均非常穩定的無機材料,因而被廣泛應用為熒光粉的基質材料。在研究紅色熒光粉時其激活離子常選用 Eu3+,鎢鉬酸鹽用于紅色熒光粉的研究層出不窮。

                      利用燃燒法和溶膠-凝膠法結合固相法制備出了 Sr(1-x)MoO4: xEu3+紅色熒光粉。并且利用固相法合成了 Gd2(MO4)3(M=Mo,W): Eu3+,Sm3+紅色熒光粉。經過測試得:所制備的熒光粉可被紫外(UV)光及藍光有效的激發,且其發射波波長范圍與已被商用的以 GaN 為基質的紅色熒光粉的波長十分相近。

                      白光 LED 的實現方式

                      目前WLED的實現方案可以總結為以下三種方法:

                      1.多個芯片組合型

                      WLED 多個芯片組合型 WLED 是將多個半導體芯片發射出的紅、綠以及藍光進行調節,按照一定的比例來組合成白光。此法效率很高,顯色指數很高、色溫可調節、光電損耗低等。

                      但是其缺點也很多:由于使用的芯片數目較多,造成生產成本高且國內自主生產能力弱;另外,由于每個芯片發射出的各顏色的量子效率不同,當體系工作條件變化不一致時,會導致衰減速率也不相同,從而造成顏色不穩定,對其應用造成極大的限制。

                      2. 熒光轉換型

                      WLED 熒光轉換型 WLED 工作原理是利用低壓直流電來激發單一基質的半導體芯片,其芯片發射出的光再激發到涂敷在芯片上的熒光粉,使熒光粉發出人眼可見的長波長的光,通過調節熒光粉的比例來實現白光發射。

                      根據激發方式的不同又可將熒光轉換型 WLED 分為以下兩種類型:

                      第一種:用藍光芯片激發黃色熒光粉(YAG:Ce3+):以藍光 LED 芯片作為激發光源,激發與該種芯片發射波長匹配的黃色熒光粉,將發射出的黃光與激發光源的藍光進行組合得到白光。其優點為結構設計簡單,制作流程要求較低,且工藝比較成熟。

                      該方法存在很大的缺點:激發光源所用的芯片發光效率低,在光轉換過程中能量損耗較大,隨著時間和環境的變化,熒光粉會產生色溫漂移,另外由于此類型在結構設計中缺少紅光部分,因而會導致其顯色指數低。所以需要將適量的紅色熒光粉摻入到缺少紅光成分的 YAG:Ce3+體系,以此來提高顯色指數。

                      第二種:用紫外光芯片激發紅、綠、藍三基色熒光粉:以近紫外(360-410nm) LED 芯片作為激發光源,激發能夠發出藍、綠、紅三基色的三種熒光粉,將三種顏色的光進行調控組合得到白光。其主要優點為:使用紫外芯片作為光源,電路設計簡單,制作成本低,便于控制;可以控制激發、發射光譜譜峰的位置及帶寬,其光譜分布寬;發光材料來源廣泛,可工業化制造生產,工藝提升空間大。

                      缺點主要在于:高功率的近紫外 LED 不容易制作;工藝要求較高;現階段紅色熒光粉的發光效率較低,色溫不穩定;由于以近紫外芯片作為激發光源,發射出的紫外光容易對封裝材料造成傷害,使其老化,壽命使用縮短并且容易造成紫外線泄露。

                      3.單芯片多量子阱型

                      WLED 單芯片多量子阱型 WLED 是在基體上使兩種或幾種不同材料以薄膜的形式交替生長,形成多層堆積的結構。這種多層結構中含有大量分離的量子阱,通過改變不同的摻雜材料,來形成不同結構的量子阱,從而實現從藍光到紅光的發射,以達到材料發出白光的目的。

                      多量子阱單芯片 WLED 有許多優點:例如結構設計簡單、材料發光效率高、光轉換過程能量損失小。但是在制備單芯片多量子阱 WLED 時,其工藝技術要求很高,產品造價極高,難以得到推廣。目前,單芯片多量子阱 WLED 處于實驗室試研發階段,在技術上以及應用上還不成熟。

                      以上分析得知, WLED 主要由三種方式產生,而前兩種方法是目前應用研究的主要方向?紤]到制備過程的生產工藝、技術要求以及生產成本等因素,熒光轉換型 WLED 是目前最簡單而且效果最好的一種方法。其次是多個芯片組合型 WLED。從未來的發展和創新的角度來看,單芯片多量子阱型 WLED 是具有很大發展潛力的。

                      語結

                      綜上所述,紅色熒光粉是熒光轉換型白光 LED 中缺失最嚴重的部分,因此探索尋找具有穩定物理化學性質的, 同時可以受紫外/近紫外光激發的并且可以實現高顯色指數的紅色熒光粉就成為了一個非常重要的研究方向。由于材料的性能受很多因素的影響,例如材料的形貌、微觀結構、顆粒的尺寸以及團聚現象對發光性能都會產生很大的影響。因此如何制備出高效的紅色熒光粉成為了一種高難度挑戰。

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