稀土光功能材料产业发展现状与趋势

吴 虹

（中国稀土行业协会）

1 稀土发光材料

1.1 稀土节能光源

稀土节能荧光灯具有高频化、微汞化、小型化、高光效、高显色等特性，又兼有高稳定性、低光衰、长寿命、色漂移小等优点。半导体固态光源俗称LED，无汞、小型化应用于显示、照明、信息等众多领域，高效、低碳、智能可控的光电子器件，更环保、更节能、更经济、更时尚。LED 的普及应用具有低碳经济、绿色消费、安全生态、节能环保的功效。2013年v1月19日，联合国环境规划署正式宣布《水俣汞污染防治公约》将于2020年v履约。我国工信部、科技部、环境保护部联合制定了《中国逐步降低荧光灯含汞量路线图》。目前，欧盟ROHS 指令对原有害物质（汞、铅）豁免限值进一步收紧，并将限期分段实施。国内外对高效稀土节能荧光灯的能效标准，尤其对汞与铅含量的限制和安全环保指标逐年提高。中国逐步淘汰白炽灯路线图，表明于2016年v10月1日全面禁止15 W 以上的白炽灯泡进口、销售，以达到“改变一个灯泡，同时改变我们的思维方式，就可以改变整个世界”的意愿，推进了新型稀土生态照明光源的创新和产业升级。

1.2 灯用稀土荧光粉

我国稀土资源丰富，已探明稀土矿藏储量占全球的23%，而我国稀土出口占全球总出口量的90%以上，其中稀土紧凑型节能荧光灯的80%～90%产于中国且以OEM 为主，而出口价仅1 美元。我们以污染环境为代价，利用宝贵的稀土资源和人力物力生产出绿色节能照明产品，却廉价出口到国外，这一现状值得反思。

我国灯用稀土三基色荧光粉从1986年v的1.2 t/年发展到2008年v的5 500 t/年，同2007年v相比，产销量虽下降了14%，但粉的质量普遍提高。2009年v为6 000 t，比2008年v增长9%，2010年v和2011 市场均为8 000 t，比2009年增长了33.3%，2012年为4 500 t，比上年减少了43.8%。2013年v为3 600 t，比去年又下降了20%。2012年vLED 荧光粉约34 t，比上年增长240%，2013年vLED 荧光粉47 t，增长了28%，预计将持续增长。2011年v下半年以来我国灯用稀土三基色荧光粉产销量波动加剧，生产和应用市场进入低潮，至今仍继续下降。这正是产业升级、结构调整、变革和发展的必然趋势。

2 战略和思考

2.1 要从源头上解决稀土荧光粉的生产应用问题

我国的环保节能照明已从普通照明迈入健康照明、生态照明、功能照明、智能化照明新时代。

首先，要解决稀土荧光粉合成所需的稀土氧化物与非稀土氧化物的前处理问题，以满足各种不同灯用稀土荧光粉制造工艺及材料的需要，从源头上解决灯用稀土荧光粉标准化、系列化、规范化、专业化、产业化、多元化、实用化及生产应用等问题。

其次，必须不断拓展，着力解决稀土发光材料与非稀土发光材料、窄带光谱与宽带光谱、传统光源器具与现代光源器具、科学技术和人文艺术的相容问题。充分利用窄带光谱的纯度及效率和宽带光谱的舒适度及补色作用，从微观上弄清粉体与颗粒的关系，把荧光体的“发光光谱拉宽、颗粒级配变窄”，以荧光粉体结构的硬度和完整的晶形、晶貌，量产球形和亚球形稀土荧光粉，提高稀土荧光粉的量子效率、发光质量，全面提升灯用稀土荧光粉的发光效率、光线密度、显色指数、光通维持率、热稳定性及二次特性。加强稀土纳米荧光材料和稀土纳米粉荧光体包膜及荧光灯保护膜材料研究开发应用，完善粉体包膜工艺及新型荧光灯管纳米材料保护膜应用技术，提高制灯后的光色一致性及光电性能等技术指标。创新驱动光源和灯具的多功能稀土荧光转换、光转换、光扩散纳米材料的开发应用。

进一步强调“企业标准高于地方标准，地方标准高于国家标准”的技术规范，这更有益于稀土发光材料产业的高端发展。进一步提高稀土紧凑型荧光灯的发光效率和光通维持率，使灯管的光效从70 lm/W提高到100～120 lm/W，显色指数Ra 从65 提高到85甚至90 以上，取代传统卤粉双端荧光灯，并且减少灯用稀土荧光粉的涂敷量和汞的使用量，有利于高效节能照明电器产品能效标准进一步提高。

研究开发有助于植物生长及医疗保健的特殊功能性灯用稀土荧光粉。不同植物、叶浆、茎系、根系植物所要求的辐照，由不同组分光谱组成，光照度及光周期亦不同，主要包括波长为620～720 nm 红色、橙色和400～510 nm 的蓝光、紫光，以及620～660 nm 红光和710～740 nm 远红光等。

浙江山蒲照明电器有限公司、浙江晨辉光宝科技有限公司，推出了T8 高光效、高显色的全光谱荧光灯、稀土特种光谱荧光灯、紫外荧光灯、保健灯、水族灯、植物生长灯、固化灯、杀菌灯、空气净化灯、诱蚊灯、高清影视摄影光源等。

生产企业应由原来“只追求产量”转变为“注重质量和性价比”，以达到“量变到质变”，实现绿色经济增长方式的根本转变。改善光色增加红色比（R9＞20）和肤色比（R15＞20），提高显色指数，实现传统节能光源同白光LED 复合发光光源的互补。

杭州远方光电信息股份有限公司，二十多年来，从事光辐射、光信息、光电子、电光源、照明器具、发光材料等热材料及电真空、光电子产品智能化生产流程与质量在线检测控制。如今远方公司已成为中国智创走向世界的领军企业。

当前，稀土产品交易中心的市场运作机制，有益于物价政策的贯彻、市场准入证制度的实施和交易过程中透明度的增强，达到以市场为导向，货真价实、公平、公正、合理的目的，建议组建中国（上海）自由贸易试验区稀土深加工应用产品交易平台，增强在国际市场流通中的竞争能力。

2.2 发展新型绿色节能光源

陶瓷金属卤化物灯集高压钠灯发光效率高和石英金属卤化物灯光色、显色指数高的双重优势。电弧管由透明的稀土多晶氧化铝陶瓷构成，掺入稀土与非稀土金属卤化物（铟、钪、镝、钬、钠）、汞以及惰性气体（氩、氪或氙）。它不仅光效高、光色和显色性好、色漂移小、结构紧凑，而且体积仅是同功率石英金属卤化物灯的一半，光效95～110 lm/W，显色指数Ra 可达90～98。我国已有世纪亚明光源、福建源光亚明、广东雪莱特、常州凯凯、浙江新光阳、南京三乐、普罗斯等企业研发生产陶瓷金属卤化物灯，但大部分的陶瓷管材料依赖于进口，尤其一体化陶瓷管由于专利问题外方拒绝供货制约了我国一体化陶瓷金属卤化物灯的发展。我国沈阳玻璃研究院、中国科学院上海硅酸盐研究所、广东潮州三环有限公司、厦门虹鹭钨钼工业有限公司等单位首先对透明陶瓷管进行研究开发，并取得了一定的成效。通过掺入稀土元素氧化钇和非稀土元素氧化铱提高陶瓷金卤灯电弧管的热振性和管壁耐压强度，在不饱和蒸汽压的工作状态下，防止陶瓷金卤灯点灯状态下卤酸盐液体的析出，解决因卤酸盐液体析出而限制了发光特性、光效、光色、显色指数、光通维持率和发光质量等问题。解决功率、环境温度和燃点位置变化所引起的色漂移问题，通过提高气体压力和管壁负载，使卤酸盐处于气态，而不会吸附在电弧管管壁中。光电参数优越，色温4 000 K，光效可达90 lm/W 以上，显色指数Ra＞98，色坐标可保持稳定状态的燃点时间超越17 000 h。

2.3 加强白光LED 的研究开发

白光LED 光源（无汞）是绿色环保节能光源，目前主要采用InGaN 超高亮度蓝色芯片和光转换效率高的稀土黄色、红色荧光粉的组合产生复合白光。最近，氮化镓基板的研发成功，解决了热管理问题，大大提高了白光LED 的发光效率、显色指数、寿命、安全可靠性，改善了光色。制造成本逐年下降，应用技术不断创新，尤其是芯片、荧光粉、封装、点胶、热管理、光学配光、电子驱动器、灯具结构、模块化和智能化调光调色控制技术的创新推进了行业的健康发展。

如今从根本上提升白光LED 光源和光线的质量是当务之急。从白光LED 光源发光光谱能量分布“定性、定量”分析评估，以创新研发新型白光LED 用稀土荧光粉。解决当前白光LED 光源光谱曲线存在的严重缺陷:光线不柔和、严重失色、光生物危害、眩光等问题，具体表现在蓝绿光、红光、深红光缺失，富蓝光、黄光过强，光谱能量分布不均衡，达不到理想的照明要求。

紧紧抓住LED 窄带定向发光和结温上升光效下降的弊病，上海力兹照明电气有限公司创新研发了高可靠性，恒流、恒压、恒功率，低谐波、低纹波，无传导干扰、辐射干扰和三次谐波，EMC 达标的高功率因数的电子驱动器及智能化无线调光、调色温驱动器和白光LED 整灯热管理分析系统。

四川新力光源股份有限公司以自主开发稀土发光材料的余辉时间与光电子数控同步匹配技术降低AC 高压白光LED 的频闪波动深度。通过光、机、电、热集成一体化设计，开发出适用于多款室内外照明灯具的标准化模块——交流白光LED 光引擎。

福建省万邦光电科技有限公司长期同中国科学院福建物质结构研究所、有研稀土新材料股份有限公司合作，走产学研自主科技创新的道路，充分发挥MCOB 芯片封装集成技术。

研发发热量低，光电转换效率高的薄膜芯片，红、橙、黄、绿、蓝，全彩复合多芯片及稀土有机荧光染料、稀土配合物等，解决有机荧光材料和无机荧光材料的相融问题，充分发挥稀土发光材料低能耗、高量子效率等特点。组合从OEL-WOLED 同建筑材料为一体的平面发光照明体系，以达到生态照明的目的。

2013年v，我国LED 荧光粉需求量为50 t，国外需求量为40 t，其中国内部分主要由英特美、有研稀土、希尔德、博睿、远大、根本化学、中村和根、新力光源、中国五矿、大连路明等公司提供。目前已从单一的YAG 黄色荧光粉分别转向铝酸盐、硅酸盐、硼酸盐绿色、橙色、红色、深红色荧光粉和氮化物、氮氧化物绿色、红色荧光粉。

封装方式从单颗点胶到集成封装、COB 封装、MCOB 封装、装芯片封装、多维封装，荧光油墨印刷，有远程光转换及二次光转换光扩散技术、透明荧光微晶玻璃光转换技术和透明荧光陶瓷光转换技术。

从过去一味追求光效到光的质量，以激发光谱和发射光谱的能量分布组合来评判光的质量，以光源光谱光线的综合管理来达到均衡、和谐的光环境。

上海三思电子工程有限公司从国内LED 大屏幕显示屏的领军企业到白光LED 灯具的结构调整，做好显示到照明的过渡。充分利用光电子产业的优势创新研发了1～1.5 W 一体化白光LED 镂空散热二次配光模具，以空气对流导热降温方式达到了良好的散热效果，以独立、紧凑灵活、小巧的发光模组标准件，可任意从单兵到队列矩阵组合。目前，推出的10 W 一体化白光LED 球泡灯，轻松地替代了传统的100 W白炽灯，在业界得到了好评。

中宙光电股份有限公司长期从事发光二极管的贴片、封装，从单颗白光LED 灯珠的点胶封装到COB白光LED 封装，集成白光LED 模具封装。近日以自主创新技术研发生产了仿白炽灯式0.8 W 小功率高光效、高显色、低色温、低能耗灯丝状三维发光白光LED 灯丝状模组，配套服务于下游整灯企业，既有助于白炽灯厂家的产业结构调整，优势互补，实现从热炽发光到电致发光的稳步过渡，又开拓了国内外“怀旧照明”新市场。

上海鼎辉科技股份有限公司和上海德士电器有限公司创新开发了320°的翅形球面发光COB 封装金属支架直接与热枕连接的新型透气散热结构的低色温14 W 白光LED 球泡灯。光通量1 200 lm，光效85 lm/W，显色指数Ra 为85，可取代原100 W 白炽灯。

昆山市诚泰电气股份有限公司、上海洛咖朋光电科技有限公司，以自主知识产权和专利技术从光学配光材料到光学器件开发创新，由背光源LED 器件到侧面发光模组的超薄型白光LED 平面灯、双面发光平板灯。空气净化为一体的平板灯、智能化调光平板灯。创举“见光不见灯”漫射照明的新思路。

上海盛丽光电科技有限公司，率先开发了上射光30%、下射光70%的白光LED 平板灯，赢得了市场和信誉。

充分发挥多元文化、边缘科学、交叉学科应用技术的跨界创新、集成创新，需要研发增光补色、配光防眩新材料，创导室内照明见光不见灯的新举措，研发液晶显示屏白光LED 背光源用高效率、宽色域、高密度、长寿命纳米、亚纳米荧光粉，白光LED 高清影视场景灯光用新型稀土荧光粉、影视照明用新型稀土全光谱多组份荧光粉，D65、D55 标准光源用稀土荧光粉和无汞荧光灯稀土荧光粉。进一步强化人工光源的光谱能量分布，让人同光线的自然和谐更理性化、人性化、智能化、健康化、实用化、艺术化、功能化，达到光与影、光与色、光与线、光与物、光与景、光与情的有机完美统一。

充分利用半导体UV 芯片、蓝紫芯片、蓝绿芯片激发的稀土和非稀土荧光粉。目前大都由蓝光芯片460 nm 发射光谱激发新型稀土可见光转可见光荧光粉，由蓝光+绿色荧光粉+红色荧光粉等通过不同波长偏移的混合，减少从部分短波转换到部分长波的效率损失，有效地转换成绿光、黄光、红光等产生380 nm～700 nm 复合宽带连续光，适度降低黄色主峰波长570～580 nm，提高视物清晰度和分辨率，提高可见度，减少眼疲劳。使白光LED 的发光光谱能量分布更接近于自然光色，防止有害光（蓝色光和眩光等）失色而影响光环境，避免对视觉器官和身心健康的伤害。蓝光和富蓝化照明并非白光LED 照明产品才有，之前的某些荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯早就存在不同程度的蓝光和眩光的危害，如60年v代高压汞灯也因富蓝化照在广场上严重失色，上海跃龙化工厂、上海人民化工厂、原上海亚明灯泡厂联合攻关、研发生产稀土矾磷酸钇铕高压汞灯粉，提高了高压汞灯的红色比，改善了光色，解决了富蓝照明问题。继后，还应用于金属卤化物灯玻璃外胆内壁，吸收较强的365 nm紫外线，提高发光质量。我们依托稀土资源，科技创新，开拓白光LED 照明产业光明之路。在蓝色芯片激发YAG 黄色荧光粉复合白光的基础上，为解决LED芯片富蓝光的光生物危害，拓展一体化球泡灯具的配光角和防止不适眩光对视觉的伤害，采用了可见光转可见光的稀土发光材料、纳米光扩散技术、溶胶涂覆工艺，开发了二次转光配光玻璃罩，使球泡灯具的发光均匀、光色柔和、色容差小，防眩光，配光角大于300°，提高了照明环境的舒适度、照度均匀性和视觉功能。如今，白光LED 照明进一步提高光的质量，包括光色、显色指数（Ra，R9，R15）、色容差，以及光通维持率、寿命及系统效率。这要从照明环境的需要，提高红色比。在当前白光LED 光源的发光光谱能量分布未达到均衡的情况下，建议室内白光LED 照明色温4 000 K 以下，光效100 lm/W 以上，Ra 85 以上，R9大于20，提高照明的舒适度，以达到光效、光色、显色性、舒适度，安全及寿命的有机统一和生态健康照明的要求。但是，由于氮氧化物红色荧光粉采用高温高压法制备，导致价格高昂，华东理工大学、北京有色金属研究院等通过专利制备技术，在保证质量的基础上极大地降低了生产成本，从而加快红色荧光粉的规模化应用。

上海华东理工大学对白光LED 封装实验数据研究表明，提高白光LED 的Ra、R9、R15不是难题。

进一步改善当前白光LED 光源富蓝过强和蓝绿光、红光的缺陷，从源头上解决由蓝光激发产生白光LED 光谱能量分布的均衡性。填充蓝绿色、红色、深红色，有益于提高R9-R15。完善一般显色指数到特殊显色指数的需要，适度降低黄色波峰，提高分辨率、清晰度。

根据不同色温、光效、光色、显色性、色容差、光通维持率的要求，务必对白光LED 光源的光谱能量分布进行科学、均衡管理。

改善当前白光LED 灯具光线的光强密度和配光角，解决光线密度和硬转柔的问题，提高照明环境的光视效能和舒适度。

新型漫射二次光转换光扩散材料及器件:由掺稀土高效卤磷酸钙荧光粉、稀土高压汞灯荧光粉、灯用稀土三基色荧光粉、白光LED 用蓝色、黄色、绿色、橙色、红色、深红色荧光粉及光扩散材料组合的涂膜浆料、硅胶薄膜、塑料粒子、光转换扩散板，光学透镜等照明灯具用新型材料。这些器件光转换效率高，配光配置宽，光色柔和、光线均匀、防眩光好，明显降低紫外光、蓝紫光、富蓝光的辐射。解决了光生物危害问题。现已有上海亚明照明有限公司、源光亚明股份有限公司、上海祥羚光电科技有限公司、杭州鸿雁电器有限公司、厦门通士达新材料有限公司、江门市科恒实业股份有限公司、四川新力光源股份有限公司、大连路明发光科技有限公司等单位研发和批量生产，逐步进入市场化。

值得一提的是，上海祥羚光电科技有限公司推出的低蓝光一体化白光LED 球泡灯。2014 上海书展，13 000 盏低色温、漫射式白光LED 球泡灯在上海展览中心展览厅、会议中心闪亮登场，成为上海后世博又一道亮丽的风景线。该二次光转换光扩散技术同样适用于太阳能电池板隔热、采光，提高太阳能电池的光电转换效率和使用寿命。

日前，广州有色金属研究院稀有金属研究所、中山大学共同研发“宽色域液晶显示器LED 背光源用高效稀土发光材料的关键技术及产业化”项目通过鉴定、验收。

中科院福建省物质结构研究所、深圳市新晶瓷材料有限公司创新研发了白光LED 用一体化稀土荧光透明陶瓷基板导热材料，该材料的问世将引发白光LED 产业新一轮的变革。

光功能稀土透明陶瓷材料将广泛应用于显示、照明、激光、高能射线控测、信息传递、光传感、光储存、透波（如红外）材料、闪烁晶体、窗口材料等领域。

2014 光亚照明展，展现了LED 光源由显示到照明的光辉历程和丰硕成果。整个展区白光LED 照明灯具占80%以上，光色从高色温转向中性色温和低色温。R9-R15，R9普遍提高，从单一注重高亮度、高光效到全面兼顾光的质量，从定向配光到宽角度配光，从点到面，从面到球，从定向光到漫射光，从透明罩到光扩散罩，由半球到全球，配光角由120°到270°到330°。漫射式LED 灯具有平板灯，柱状、条状、叶状及梦幻式艺术灯饰，超薄形广告灯箱，超薄形平板灯，70%和30%上下配光教室灯、LED 植物生长灯、水族灯及智能化无线遥控电子驱动器及家居、住宅小区、酒店、商场、办公楼宇、多媒体教室的数字光控管理系统。全光谱高显色荧光灯、无极荧光灯、调光调色白光OLED 台灯、OLED 平面灯具和弧型、球型、方型艺术灯具亮相。

3 小 结

总之，从显示到照明，从看光源到看被照物的光影空间，开拓了视野，提高了视觉环境的舒适度和功能性。光生态、光健康、光安全、光生物、光信息，全面分析、评估、践行光和光线的功效价值。充分展现稀土元素同光、声、电、磁、热的形影不离。采用少量、精细的稀土元素，以添加、催化、敏化、激活、增强稀土光功能材料4f 电子层电子跃迁和释放的正能量，由紫外—可见—红外，下转换和上转换，从X 射线发光、光致发光、电致发光、场致发光、等离子发光，以高的量子效率展现稀土元素独特的功能。