稀土发光材料亟需技术和应用双驱协同创新

刘荣辉， 刘元红， 陈观通

(1. 有研科技集团有限公司 稀土材料国家工程研究中心， 北京 100088;2. 有研稀土新材料股份有限公司， 北京 100088)

1 引 言

稀土发光材料广泛用于绿色健康照明、高品质显示和高端信息探测等领域，是决定照明和显示等器件品质的核心材料，其本身技术进步和应用技术变革的迫切需求，互为推动整个领域科技创新、产业全链条发展的双驱动力。我国已经连续多年是稀土发光材料生产和消费第一大国，制备技术水平整体呈现逼近国际领先的良好态势，除极个别如β-塞隆绿色荧光粉外，没有特别突出的“卡脖子”材料问题。但是，整个稀土发光材料领域仍存在几个突出问题：一是由于白光LED光源对传统三基色节能灯的替代，稀土发光材料需求总量持续降低，产业规模小、散、弱，科技和产业影响力日益下降；二是稀土发光材料领域的原始重大突破不多，颠覆性新概念、新材料和新应用缺乏，尤其是稀土发光材料新应用领域拓展缓慢；三是由于白光LED荧光粉等核心知识产权受制于人，几乎所有在用荧光粉的研发和应用均源于国外，国外频频对国内发起专利诉讼，我国稀土发光材料应用产业由大变强面临很大障碍；四是稀土发光材料的基础研究与应用开发脱节严重，产学研协同创新乏力。

2 稀土发光材料的“进”和 “退”

一代稀土发光材料支撑和引领着一代照明和显示器件的发展。白光LED因具有高光效、无污染、技术成熟度高等诸多优点，成为半导体照明和液晶显示背光源的主流技术。白光LED器件的发光效率从本世纪初的不足20 lm/W提升至目前200 lm/W，特别是从最初的低显色(Ra<70)功能照明到高显色(Ra>90)健康照明、从普通色域(<70%NTSC)中低端显示到广色域(>90%NTSC)高质显示的变化过程中，荧光粉发挥了核心作用[1-2]。尽管我国白光LED荧光粉的研究起步较晚，早期严重依赖高价进口，但目前主流的铝酸盐、氮化物、氟化物和硅酸盐系列荧光粉的核心制备技术和产品均已取得重要突破，有研稀土等单位先后成功开发了(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12∶Ce3+[3-4]黄色/黄绿色/绿色荧光粉的高温连续和气氛可控制备技术、(Ca,Sr)AlSiN3∶Eu2+[5-6]红色荧光粉的常压/微正压/高压氮化制备技术和K2(Si,Ge)F6∶Mn4+[7-8]红色荧光粉的湿法可控制备和表面惰性化修饰技术，三种荧光粉外量子效率分别达到了0.95，0.90和0.80。除短波β-塞隆绿粉[9]、高稳定性正硅酸盐绿粉[10]等极少数荧光粉外，没有特别突出的“卡脖子”材料和技术问题，整体呈现逼近国际领先水平的良好态势。目前，LED荧光粉的国产化率超过80%，部分高端产品销往日本、韩国和中国台湾等地区。

白光LED光源替代三基色节能灯后，全国400～500吨/年的白光LED荧光粉替代了原来8 000～10 000吨/年的三基色荧光粉消费量，三基色荧光粉的技术创新几近停滞、产业规模急剧缩减至原来的10%～20%。白光LED用铝酸盐、氮化物、氟化物、硅酸盐和氮氧化物荧光粉材料体系也主要是2005年之前的发明成果，其制备技术和产品性能日趋完善。就应用层面而言，整个稀土发光材料的技术创新进入“小步慢跑”阶段。

3 稀土发光材料的“热”和“冷”

随着绿色照明、高端显示、信息探测器件的迅速发展，人们对白光LED光源的要求已从光效、节能等方面上升到追求光品质、健康及生物安全等“健康绿色照明”层面，高品质、全光谱照明已成为新的发展趋势。与有机发光二极管显示(OLED)、量子点显示(QLED)、激光显示(LD)和Mini/Micro LED等新型显示技术相比，基于白光LED背光源的液晶显示特别是在电视领域仍具有极强的生命力，亟需通过荧光粉的技术创新达到超高色域显示要求。近红外光源，特别是峰值波长在700～1 600 nm范围的LED光源，在安防监控、生物识别和食品/医疗检测等领域已显示出巨大的市场前景，荧光转换型近红外光源在光谱调谐和成本上更具独特优势，前景广阔。

类太阳全可见光覆盖的全光谱健康照明、超高色域(>100%NTSC)显示和荧光转换型近红外光源已成为稀土发光材料技术及产业发展的前沿热点，迫切需要全新体系、高性能、适合紫光激发的全可见光波段多色荧光粉[11]、蓝光激发的窄带绿色和红色荧光粉[12-13]以及高效高可靠性的近红外发光材料[14]。目前，国内外已开始专利和产品布局，如欧司朗推出了用于食品检测的荧光转换型近红外光源[15]，有研稀土在近红外发光材料的材料设计、制备技术和应用探索方面取得了一系列开创性成果[16-20]，三菱化学开始提供全光谱照明的新型荧光粉样品，GE宣布即将推出新一代窄带绿色荧光粉。但上述荧光粉在材料设计、制备技术和应用探索方面均不成熟，未来专利突破、科技创新和产业拓展的空间巨大。目前,本领域科技创新力量对于上述问题的参与力度不够，研究过于集中在量子点、上转换、多功能新型钙钛矿发光材料和宽散、零星的基础研究方面，存在重大需求不明、应用聚焦不足、关键突破缺乏等突出问题。

4 稀土发光材料的“桥”和“路”

我国稀土发光材料原始创新能力不足、核心产品知识产权受制于人成为该领域面临的核心问题。氮化物和氮氧化物的核心专利被日本三菱化学和电气化学垄断，售价较同等品质的国产氮化物荧光粉高出3～5倍；我国稀土发光材料行业总体上还未建立起以应用需求为导向、产学研用深度融合的协同创新机制；日本日亚化学的蓝光LED复合铝酸盐荧光粉白光器件专利[21]威胁中国LED产业二十年；美国GE的LED复合氟化物荧光粉的器件专利[22]给我国高显色照明产业带来极大的专利风险。稀土发光材料领域普遍存在的研究和应用目标导向性差、信息不对称和重复研发等现象，造成人员和技术资源浪费，在一定程度上延缓和错失了我国在该领域的重大技术创新机遇。因而，聚集国内稀土发光材料领域丰富的科研、技术和产业优势力量，搭建集材料设计、制备、产业化和应用于一体的协同创新平台尤为迫切；以材料技术创新和终端应用需求为双驱动力，实现科技提升产业、产业带动科技发展的良性循环，才能形成我国在稀土发光材料领域的技术和产业先端优势，挤过稀土发光材料由大变强的“独木桥”，实现从“跟并跑”到“领跑”的跨越之路。

5 结 论

中国虽然已是稀土发光材料生产和应用第一大国，但存在发光材料及应用核心知识产权缺乏的突出问题。高效的产学研协同创新机制和氛围尚未形成，亟待通过技术和应用的双驱创新，在稀土发光材料的新材料、新应用等方面取得突破。