白光LEDs用新型荧光粉的研究进展*
李盼来王志军张子才
(河北大学物理科学与技术学院河北 保定071002)
刘海燕张 坤孙明生
(河北大学工商学院河北 保定071000)
*河北大学工商学院教育教学改革研究项目的支持,项目编号:JX201330
摘 要:评述了光转换型白光LEDs用黄色荧光粉、三基色荧光粉及白色荧光粉的研究进展,并预测了该方向的发展前景.
关键词:白光LEDs荧光粉研究进展
收稿日期:(2015-09-10)
随着世界经济的发展,经济和环境之间的平衡引起了人们的高度关注,“低碳节能”成为能源与环境的主题.为了节约能源和减少环境有害物排放,研究者在多个领域进行了探索与研究,如照明、能源等领域.对照明领域而言,白光LEDs的出现被认为是一次新变革.相对于传统的白炽灯、荧光灯,白光LEDs不仅具有寿命长、亮度高等优点,更为重要的是拥有节能、环保无污染等优势,在照明、显示和装饰等领域具有广阔的应用前景.
1基本原理
白光LED的实现方式主要有光转换型、多色组合型、多量子阱型和量子点型等[1].基于工艺、成本及技术现状等因素考虑,世界各国研究重点及研究兴趣仍集中于光转换型,即通过荧光粉涂覆LED芯片实现白光发射,获取方式主要有两种:第一种以发射蓝光的LED作激发源,与一种发射黄光的材料组合,黄光与透射的蓝光产生色混,经透镜作用复合成白光;或以发射蓝光的LED作激发源,与一种能同时具有绿和红发射峰的材料组合,或者与分别发射红光和绿光的两种材料组合,发出的绿光和红光与LED未被吸收的剩余蓝光产生色混,经透镜作用复合成白光;第二种以发射紫外或近紫外光的LED作激发源,与分别发射红、绿和蓝光的3种材料组合,或者与一种发射白光的单体材料组合,经过光学处理,获得白光LEDs.
2发展现状
早期的光转换型白光LEDs主要通过第一类白光LED合成方式来实现白光发射,即“蓝光InGaN芯片激发YAG:Ce3+黄色荧光粉”型白光发射装置[2].尽管YAG:Ce3+黄色荧光粉的发光效率较高,但红色发光成分不足,使得白光LED的显色指数较低.基于此,研究者开始寻找适于蓝光LED芯片激发,发射绿色光和红色光的材料,利用三基色合成白光的方式,将芯片与荧光粉混合获得白光LEDs,这种白光LEDs的显色性较高,色温易控,其研究方向主要集中于稀土离子Eu2+或Ce3+掺杂的氮化物和硅酸盐材料.但是,氮化物和硅酸盐荧光粉的物相结构较复杂,在制备过程中容易出现杂相,同时其烧结温度很高,使得产品粒度较大且粒度分布不均匀.就目前的发展现状而言,适于蓝光LED芯片激发,发射黄光的荧光材料较少,且发光性能较好的硅酸盐和氮化物等的合成温度较高,材料粒度较大,物相结构不易控制.可见,对光转换型白光LED用发光材料新体系的探索,仍是发光材料领域的前沿课题[2].
近期,随着LED芯片技术的发展,紫外-近紫外芯片的发光效率获得了很大的提高,使得以紫外-近紫外芯片作为激发源,以三基色荧光粉或者单体白色荧光粉作为主体材料,来获取白光LEDs成为可能,由于人眼对紫外-近紫外光不敏感,因此,该类白光LEDs的颜色只由荧光粉来决定.通常,发光材料由激活剂和基质构成,对于三基色荧光粉而言,涉及的基质体系主要是硅酸盐、氮化物、硼酸盐、磷酸盐和钼酸盐等[2],采用的激活剂主要是发射红光的稀土离子Eu3+、Sm3+或Eu2+,发射绿光的Tb3+或Eu2+,以及发射蓝光的Ce3+或Eu2+.但是,采用三基色荧光粉作为白光LEDs的主体材料时,荧光粉混合物之间存在颜色再吸收和配比调控的问题,其直接后果就是降低了白光LEDs的流明效率和显色性,而采用单基质白光荧光粉来实现白光发射则可避免这些问题,因此,单基质白光荧光粉成为当前发光领域的研究热点.目前,我国的多家研究机构,如中国科学院长春应化所的尤洪鹏课题组、林君课题组以及光机所的张家骅课题组,中山大学的苏锵课题组,兰州大学的王育华课题组,中国科学院福建物构所的陈学元课题组,中国地质大学的夏志国课题组,以及河北大学的杨志平和李盼来课题组等,都在这方面作了大量的研究工作;同期,中国台湾的刘如熹和陈登铭等课题组在这方面也做出了很大的贡献;此外,韩国、美国和日本等国的研究人员也作了大量的报道,整体来看,这些研究结果在推动白光LEDs用单基质白色荧光粉发展方面,都起到了明显的作用[3].
通过分析已有的研究结果,可以看出,单体白色荧光粉涉及的体系主要是铟酸盐、硅酸盐、磷酸盐及硼酸盐等,在选择激活剂上则主要采用两种方式,一种方式是激活离子,例如Dy3+,本身的跃迁发射就位于红、绿(黄绿)和蓝色区域,当3个发射峰的强度,尤其是蓝、黄发射峰强度比合适时,材料即可发射白色光.但是,Dy3+的发射为稀土4f-4f跃迁,谱带较窄,光谱不饱满,该材料用于照明时,显色指数低,因此,必须改善其发光性能,才能增强其在白光LEDs领域的应用价值.此外,相对而言,Dy3+掺杂的材料的余辉时间较长,限制了该类材料在白光LEDs领域的应用.除了上述Dy3+激活的一些单基质白色荧光粉,通过调控Eu3+的用量,也可以在一些材料中获得白色光.第二种方式,也是目前采用较多的一种方式,即基于能量传递原理,将两种或两种以上的激活离子掺入基质中,来获得白色光,涉及的基质主要集中于硅酸盐、磷酸盐、铝酸盐及硼酸盐等,激活离子主要有Eu2+/Mn2+,Ce3+/Mn2+,Ce3+/Eu2+,Ce3+/Tb3+,Ce3+/Tb3+/Mn2+和Eu2+/Tb3+/Mn2+,能量传递过程如图1所示.
图1 Ce 3+, Eu 2+, Tb 3+和 Mn 2+的能量传递示意图
3展望
白光LEDs是一种全新的照明光源,白光LEDs用荧光粉亦是该方向的研究重点.就目前的发展现状而言,蓝光LED激发型黄色荧光粉仍主要集中于YAG:Ce、硅酸盐和氮化物,今后的研究工作重点仍旧是改善合成条件,扩展光谱范围.对于紫外-近紫外基单体白色荧光粉,研究重点将是,在不影响双掺杂体系发光效率等的情况下,如何改善双掺杂体系光谱分布的缺失问题,以及如何获得满足不同场合需求的白色荧光粉.总之,白光LED用单体白色荧光粉还处于方兴未艾的阶段,需要改进的地方还很多,如合理选择基质组分,激活剂及其配比等,以及如何提高材料的发光效率,控制材料的显色性等,需要做进一步深入、系统地研究.
参 考 文 献
1LinChunChe,LiuRu-Shi.Advancesinphosphorsforlight-emittingdiodes,TheJournalofPhysicalChemistryLetters, 2011, 2:1 268~1 277
2YeS,XiaoF,PanYX,MaYY,ZhangQY.Phosphorsinphosphor-convertedwhitelight-emittingdiodes:Recentadvancesinmaterials,techniquesandproperties,MaterialsScienceandEngineeringR, 2010,71:1~34
3ShangMengmeng,LiChunxia,LinJun.Howtoproducewhitelightinasingle-phasehost?ChemicalSocietyReviews, 2014, 43:1 372~1 386