白光LED用光转换发光材料的研究进展

摘要：由于白光LED具有节能、环保、使用寿命长等优点，已成为新一代照明光源。LED芯片和荧光粉结合是实现白光LED的主要实现方式。主要是蓝光芯片和蓝光激发的荧光粉结合的白光LED和近紫外芯片和近紫外激发的三基色荧光粉和单一相白光荧光粉结合的白光LED，本文主要探究了白光LED用光转换发光材料的研究进展。

文献标识码：A

文章编号：1671-864X（2015）07-0103-02

从人类用火照明开始，光源对于人类的发展起到了重要的作用，从爱迪生发明的白炽灯到各种荧光灯，电光源一直影响着人们的生活，成为人们不可缺少的照明工具。上世纪末人们又发明了半导体LED发光（蓝光GaN发光二极管），并通过光转换实现了白光LED照明。白光LED相对于传统的白炽灯、荧光灯具有节能（低电压、低电流启动）、环保（无汞，废弃物可回收）和长寿命（大于100 000h）等优点，已经成为目前光源和照明领域的研究重点。

一、白光LED的实现方式

发光二极管（LED）是一种将电能转换成光能的固体发光器件，现阶段的白光LED的实现主要通过以下三种方式：多LED芯片组合型白光LED、有机白光LED和光转换型白光LED。

目前已经研制出红、绿、蓝（RGB）三基色的高亮度发光的LED，将这三种LED以一定的方式进行排列组合，制成一个发白光的LED模块就成为多LED型白光LED光源，实现白光输出。目前由于不同颜色LED的发光效率不一样，芯片的性能也不相同，往往需要增加集成电路芯片控制输出光的颜色稳定性，导致这种白光LED光源的封装难度大、成本高。

有机白光LED是一种新型的LED发光器件，它将多层有机聚合物电致发光薄膜分别掺杂红、绿、蓝三基色荧光染料并激发它们发射红绿蓝光从而复合得到白光，或者将三基色荧光染料分别沉淀在不同的量子阱中，通过有机多量子阱电致发光器件实现白光发射，这种有机白光LED光源有可能实现柔性显示，具有不错的应用前景，但是有机白光LED目前还处于研发阶段，理论上还有待突破，技术上还不成熟。

光转换型白光LED是目前使用最多、应用范围最广的白光LED，它主要是通过LED芯片发射某一波长光波，并激发涂覆在灯管的荧光材料使之发射可见光，再复合不同色光形成白光。目前光转换型白光LED主要通过三种形式实现它的白光输出：蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的黄光荧光粉结合的白光LED，主要是LED芯片发射的蓝光一部分用来激发黄光荧光粉使之发射黄光，另一部分再与黄光复合形成白光；近紫外LED芯片和可被近紫外有效激发的红、绿、蓝三基色荧光粉结合的白光LED，主要通过LED发射的近紫外光直接激发三基色荧光粉使之发射出红绿蓝三色光，然后复合形成白光；近紫外LED芯片和可被近紫外光有效激发的单一相白光荧光粉结合的白光LED，主要是LED发射近紫外光直接激发单一相白光荧光粉直接发射出白光。

二、光转换型白光LED用荧光粉的研究状况

光转换型白光LED用荧光粉的选择有两个基本要求：荧光粉的激发光谱与LED的发射光谱相匹配、荧光粉发射光谱与LED的发射光谱复合形成白光或荧光粉的发射光谱本身即可复合发出白光。目前常用LED芯片有455nm-465nm的蓝光芯片、395nm-405nm和355nm-365nm的近紫外芯片三种，它们分别对应不同的荧光粉。

1.蓝光芯片用黄光荧光粉。

目前商业上主要使用的黄光荧光粉是Ce3+激活的钇铝石榴石Y3Al5O12：Ce3+(YAG:Ce)。Ce3+在YAG中2D能级分裂较强，使得它的激发和发射光谱谱带很宽。YAG：Ce的激发带在400nm-500nm之间，可以有效的吸收蓝光LED的发射光，发射峰值位于540nm，带宽80nm，对应Ce3+：2D3/2→2F5/2和2D3/2→2F7/2。YAG：Ce的540nm（黄光）和LED芯片的蓝光可以复合形成白光。但是由于缺少红光区域发射，显色指数偏低。针对这个问题许多学者做了大量工作，通过添加Gd3+、Tb3+取代Y3+，共掺Eu3+和Pr3+等，获得发射波长红移的荧光粉，能够改善白光LED结合YAG：Ce的复合白光显色指数偏低的问题。

除YAG：Ce，研究者还开发了硫属化合物体系光转换材料和氮化物体系红光荧光材料（M2Si5N8:Eu2+（M 为碱土金属）），硫属化合物包括硫化锌（或硫铬化锌）、碱土硫族化物、硫代镓酸盐等，这些基体材料虽然具有许多优良的光学特性，但是化学稳定性差是其显著缺点。类似于提高YAG基体材料的稳定性，研究人员采用MgO、In2O3及多磷酸盐等材料作为保护性涂层，提高了硫属化合物基体的稳定性。常见硫属化合物荧光粉：蓝光LED＋SrGa2S4:Eu2+（绿光）＋ZnCdS:Ag,Cl/SrS:Eu2+（红光）；蓝光LED＋CaGa2S4-CaS（红光、绿光）。

2.近紫外LED芯片激发白光LED用三基色荧光粉。

蓝光荧光粉：研究最多蓝光荧光粉基本以Eu2+为激活剂，Eu2+激活的BaMgAl10O7(BAM)、（MxSr1-x）2SiO4体系（M为碱土金属）和LiSrPO4都可在近紫外激发下发射450nm蓝光，Sr4Al14O25:Eu2+体系和Sr6BP5O20：Eu2+体系荧光粉也有研究，它可以有效吸收400nm左右近紫外光，发射470-480nm附近蓝光。

绿光荧光粉：目前研究最广的是M2SiO4：Eu2+体系（M为碱土金属）绿光荧光粉，绿光对应的是Eu2+：4f65d→4f7的跃迁，随着Eu2+的浓度变化，发射的绿光波长会在500-525nm之间变化。不同研究者还研究了不同碱土金属基质下，合成温度对荧光粉发光性能的影响。M=CaBa时，随温度的升高，荧光粉的荧光强度下降，发射波长蓝移；M=Sr时，随温度的升高，荧光粉的荧光强度下降，发射波长红移。

红光荧光粉：目前应用最广的是Y2O2S:Eu3+体系红光荧光粉，但是此体系在近紫外激发下发光效率不高，虽然共掺Bi3+能够提升Y2O2S：Eu3+的发光效率，但是整体而言，它的发光强度还是偏弱，并且硫化物易潮解，受热易分解处对人和环境有害的物质，因此学者一直在尝试开发新型的红光荧光粉替代Y2O2S:Eu3+体系，如M2Si5N8：Eu2+体系（M为碱土金属）和MMoO4：Eu3+体系（M为碱土金属），都取得了不错的效果。

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