白光LED用光轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究進展

摘要：由于白光LED具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長等優(yōu)點，已成為新一代照明光源。LED芯片和熒光粉結(jié)合是實現(xiàn)白光LED的主要實現(xiàn)方式。主要是藍光芯片和藍光激發(fā)的熒光粉結(jié)合的白光LED和近紫外芯片和近紫外激發(fā)的三基色熒光粉和單一相白光熒光粉結(jié)合的白光LED，本文主要探究了白光LED用光轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究進展。

文獻標識碼：A

文章編號：1671-864X（2015）07-0103-02

從人類用火照明開始，光源對于人類的發(fā)展起到了重要的作用，從愛迪生發(fā)明的白熾燈到各種熒光燈，電光源一直影響著人們的生活，成為人們不可缺少的照明工具。上世紀末人們又發(fā)明了半導(dǎo)體LED發(fā)光（藍光GaN發(fā)光二極管），并通過光轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了白光LED照明。白光LED相對于傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈具有節(jié)能（低電壓、低電流啟動）、環(huán)保（無汞，廢棄物可回收）和長壽命（大于100 000h）等優(yōu)點，已經(jīng)成為目前光源和照明領(lǐng)域的研究重點。

一、白光LED的實現(xiàn)方式

發(fā)光二極管（LED）是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，現(xiàn)階段的白光LED的實現(xiàn)主要通過以下三種方式：多LED芯片組合型白光LED、有機白光LED和光轉(zhuǎn)換型白光LED。

目前已經(jīng)研制出紅、綠、藍（RGB）三基色的高亮度發(fā)光的LED，將這三種LED以一定的方式進行排列組合，制成一個發(fā)白光的LED模塊就成為多LED型白光LED光源，實現(xiàn)白光輸出。目前由于不同顏色LED的發(fā)光效率不一樣，芯片的性能也不相同，往往需要增加集成電路芯片控制輸出光的顏色穩(wěn)定性，導(dǎo)致這種白光LED光源的封裝難度大、成本高。

有機白光LED是一種新型的LED發(fā)光器件，它將多層有機聚合物電致發(fā)光薄膜分別摻雜紅、綠、藍三基色熒光染料并激發(fā)它們發(fā)射紅綠藍光從而復(fù)合得到白光，或者將三基色熒光染料分別沉淀在不同的量子阱中，通過有機多量子阱電致發(fā)光器件實現(xiàn)白光發(fā)射，這種有機白光LED光源有可能實現(xiàn)柔性顯示，具有不錯的應(yīng)用前景，但是有機白光LED目前還處于研發(fā)階段，理論上還有待突破，技術(shù)上還不成熟。

光轉(zhuǎn)換型白光LED是目前使用最多、應(yīng)用范圍最廣的白光LED，它主要是通過LED芯片發(fā)射某一波長光波，并激發(fā)涂覆在燈管的熒光材料使之發(fā)射可見光，再復(fù)合不同色光形成白光。目前光轉(zhuǎn)換型白光LED主要通過三種形式實現(xiàn)它的白光輸出：藍光LED芯片和可被藍光有效激發(fā)的黃光熒光粉結(jié)合的白光LED，主要是LED芯片發(fā)射的藍光一部分用來激發(fā)黃光熒光粉使之發(fā)射黃光，另一部分再與黃光復(fù)合形成白光；近紫外LED芯片和可被近紫外有效激發(fā)的紅、綠、藍三基色熒光粉結(jié)合的白光LED，主要通過LED發(fā)射的近紫外光直接激發(fā)三基色熒光粉使之發(fā)射出紅綠藍三色光，然后復(fù)合形成白光；近紫外LED芯片和可被近紫外光有效激發(fā)的單一相白光熒光粉結(jié)合的白光LED，主要是LED發(fā)射近紫外光直接激發(fā)單一相白光熒光粉直接發(fā)射出白光。

二、光轉(zhuǎn)換型白光LED用熒光粉的研究狀況

光轉(zhuǎn)換型白光LED用熒光粉的選擇有兩個基本要求：熒光粉的激發(fā)光譜與LED的發(fā)射光譜相匹配、熒光粉發(fā)射光譜與LED的發(fā)射光譜復(fù)合形成白光或熒光粉的發(fā)射光譜本身即可復(fù)合發(fā)出白光。目前常用LED芯片有455nm-465nm的藍光芯片、395nm-405nm和355nm-365nm的近紫外芯片三種，它們分別對應(yīng)不同的熒光粉。

1.藍光芯片用黃光熒光粉。

目前商業(yè)上主要使用的黃光熒光粉是Ce3+激活的釔鋁石榴石Y3Al5O12：Ce3+(YAG:Ce)。Ce3+在YAG中2D能級分裂較強，使得它的激發(fā)和發(fā)射光譜譜帶很寬。YAG：Ce的激發(fā)帶在400nm-500nm之間，可以有效的吸收藍光LED的發(fā)射光，發(fā)射峰值位于540nm，帶寬80nm，對應(yīng)Ce3+：2D3/2→2F5/2和2D3/2→2F7/2。YAG：Ce的540nm（黃光）和LED芯片的藍光可以復(fù)合形成白光。但是由于缺少紅光區(qū)域發(fā)射，顯色指數(shù)偏低。針對這個問題許多學者做了大量工作，通過添加Gd3+、Tb3+取代Y3+，共摻Eu3+和Pr3+等，獲得發(fā)射波長紅移的熒光粉，能夠改善白光LED結(jié)合YAG：Ce的復(fù)合白光顯色指數(shù)偏低的問題。

除YAG：Ce，研究者還開發(fā)了硫?qū)倩衔矬w系光轉(zhuǎn)換材料和氮化物體系紅光熒光材料（M2Si5N8:Eu2+（M 為堿土金屬）），硫?qū)倩衔锇蚧\（或硫鉻化鋅）、堿土硫族化物、硫代鎵酸鹽等，這些基體材料雖然具有許多優(yōu)良的光學特性，但是化學穩(wěn)定性差是其顯著缺點。類似于提高YAG基體材料的穩(wěn)定性，研究人員采用MgO、In2O3及多磷酸鹽等材料作為保護性涂層，提高了硫?qū)倩衔锘w的穩(wěn)定性。常見硫?qū)倩衔餆晒夥郏核{光LED＋SrGa2S4:Eu2+（綠光）＋ZnCdS:Ag,Cl/SrS:Eu2+（紅光）；藍光LED＋CaGa2S4-CaS（紅光、綠光）。

2.近紫外LED芯片激發(fā)白光LED用三基色熒光粉。

藍光熒光粉：研究最多藍光熒光粉基本以Eu2+為激活劑，Eu2+激活的BaMgAl10O7(BAM)、（MxSr1-x）2SiO4體系（M為堿土金屬）和LiSrPO4都可在近紫外激發(fā)下發(fā)射450nm藍光，Sr4Al14O25:Eu2+體系和Sr6BP5O20：Eu2+體系熒光粉也有研究，它可以有效吸收400nm左右近紫外光，發(fā)射470-480nm附近藍光。

綠光熒光粉：目前研究最廣的是M2SiO4：Eu2+體系（M為堿土金屬）綠光熒光粉，綠光對應(yīng)的是Eu2+：4f65d→4f7的躍遷，隨著Eu2+的濃度變化，發(fā)射的綠光波長會在500-525nm之間變化。不同研究者還研究了不同堿土金屬基質(zhì)下，合成溫度對熒光粉發(fā)光性能的影響。M=CaBa時，隨溫度的升高，熒光粉的熒光強度下降，發(fā)射波長藍移；M=Sr時，隨溫度的升高，熒光粉的熒光強度下降，發(fā)射波長紅移。

紅光熒光粉：目前應(yīng)用最廣的是Y2O2S:Eu3+體系紅光熒光粉，但是此體系在近紫外激發(fā)下發(fā)光效率不高，雖然共摻Bi3+能夠提升Y2O2S：Eu3+的發(fā)光效率，但是整體而言，它的發(fā)光強度還是偏弱，并且硫化物易潮解，受熱易分解處對人和環(huán)境有害的物質(zhì)，因此學者一直在嘗試開發(fā)新型的紅光熒光粉替代Y2O2S:Eu3+體系，如M2Si5N8：Eu2+體系（M為堿土金屬）和MMoO4：Eu3+體系（M為堿土金屬），都取得了不錯的效果。

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