白光 LEDs用新型荧光粉的研究进展 *

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