探討白光LED用新型熒光粉的應(yīng)用

姚永強　李建華（內(nèi)蒙古呼倫貝爾市環(huán)境科學(xué)研究所內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000）

探討白光LED用新型熒光粉的應(yīng)用

姚永強李建華
（內(nèi)蒙古呼倫貝爾市環(huán)境科學(xué)研究所內(nèi)蒙古呼倫貝爾021000）

時至今日，不可再生資源石油越來越匱乏，已經(jīng)引起世界各國的重視，成為各國戰(zhàn)略核心目標(biāo)。而實現(xiàn)白光LED最成熟的方法就是熒光粉轉(zhuǎn)換法，即LED芯片周圍覆蓋熒光粉。本文對白光LED用熒光粉的發(fā)光機理及其新型熒光粉的應(yīng)用進行了詳細的綜述。在此基礎(chǔ)上，針對白光LED的研究現(xiàn)狀和存在的問題進行了簡單的探討。

白光LED；熒光粉；應(yīng)用

發(fā)光二極管簡稱為LED，是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子元件。利用半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，采用電場發(fā)光，其光電轉(zhuǎn)換效率比較高。白光LED已經(jīng)覆蓋社會各領(lǐng)域，白光LED已經(jīng)與人們的生活緊密的聯(lián)系在一起，白光LED的功能不僅是照明，還是很多行業(yè)的重要元件，白光LED的身影出現(xiàn)在電視、手機、汽車照明、高精度儀器等領(lǐng)域中，奠定了白光LED的良好發(fā)展態(tài)勢。LED出現(xiàn)較早，但是其快速發(fā)展需要追溯到上世紀(jì)末期，美國、日本、德國等國家競相展開LED和半導(dǎo)體技術(shù)的研究，推進了LED快速的發(fā)展。

1　白光LED的實現(xiàn)

白光發(fā)光二級管大多離不開稀土熒光粉，主要有黃色熒光粉，紅色熒光粉及三基色熒光粉等。白光LED的形成主要包括以下幾種方法。

1.1藍光LED+綠色熒光粉+紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍光與熒光粉發(fā)出的綠光和紅光復(fù)合得到白光。

1.2將紅、綠、藍3種不同顏色的LED組合，并封裝在一起，分別控制通過三種LED的電流大小從而使產(chǎn)生的三種光復(fù)合成白光。

1.3紫光LED+三基色熒光粉（多種顏色的熒光粉），這樣熒光粉發(fā)出的多種可見光也可以復(fù)合成白光。該方法顯色性更好，制造簡單，成本較低，未來具有廣闊的發(fā)展前景。但這類熒光粉發(fā)光穩(wěn)定性差、光衰較大，因此開發(fā)高效的、低光衰的白光LED用熒光粉已成為一項迫在眉睫的工作。

1.4藍光LED芯片+黃色熒光粉，使黃色熒光粉發(fā)出黃光，LED發(fā)出的另一部分藍光透射出來，由熒光粉的黃光與透射出的藍光組成白光。該方法具有穩(wěn)定性好、制造簡單、成本低等優(yōu)點，是目前工藝較成熟的一種，大部分白光LED的制造均采用此方法。

2　白光LED用熒光粉

目前，開始產(chǎn)業(yè)化的白光發(fā)光二極管的主要制作方法是在發(fā)光二極管芯片上涂覆可被有效激發(fā)的熒光粉從而復(fù)合成白色光。在整個白光發(fā)光二極管中熒光粉起著重要的作用[2]。

在光轉(zhuǎn)換型發(fā)白色光的發(fā)光二極管中熒光粉是其最主要的組成部分。熒光粉能否應(yīng)用在光轉(zhuǎn)換型發(fā)光二極管上，要看熒光粉是否符合以下兩個條件，第一，觀察其激發(fā)光譜與發(fā)光二極管的發(fā)射光譜是否相對應(yīng)，以保證在激發(fā)熒光粉時光轉(zhuǎn)換率最高；第二個條件主要是熒光粉在紫外或近紫外發(fā)光二極管激發(fā)時其發(fā)射光譜的位置是不是在三基色（藍綠紅）波段下，或者通過藍色光發(fā)光二極管激發(fā)下的熒光粉能不能發(fā)射黃色光進而與芯片所發(fā)射的藍色光混合形成白色光。

2.1熒光粉的發(fā)光原理

接受外部能量，并轉(zhuǎn)化成光能量的物體，稱為熒光體。當(dāng)這物體為粉末狀，就稱為熒光粉。熒光粉的發(fā)光原理是：外部能量使電子從低能帶(價帶)，躍遷到高能帶；高能帶電子回到低能帶時，發(fā)出光子。各種發(fā)光材料的被激發(fā)的方式主要有:光致發(fā)光、電致發(fā)光、陰極射線發(fā)光等[3]。

熒光體就是能夠?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的材料，它受到能量的激發(fā)后就會產(chǎn)生能量的吸收與能量的轉(zhuǎn)換過程，最終以光輻射的方式放出能量。

2.2熒光粉的種類

2.2.1鋁酸鹽熒光粉：以鋁酸鹽體系為基質(zhì)的熒光粉由于其高亮度、發(fā)射峰寬、成本低、應(yīng)用廣泛、發(fā)光效果較好引起了廣泛的關(guān)注，但是這類熒光粉發(fā)射光譜單一，在實際應(yīng)用中耐濕性差、合成條件比較苛刻。

2.2.2硅酸鹽熒光粉：由于硅酸鹽體系具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)、發(fā)射光譜范圍寬、耐熱性能較好和制作成本較低，因此，近年來受到了高度的關(guān)注和開發(fā)研究。

2.2.3氮化物熒光粉：氮化物為基質(zhì)材料的熒光粉具有激發(fā)波段寬，耐熱性能較好和能夠合成較穩(wěn)定的紅色熒光粉而受到廣泛的關(guān)注，但是其存在發(fā)射光譜范圍較窄，生產(chǎn)成本過高等明顯的缺點。

2.2.4硫化物熒光粉：以硫化物為基質(zhì)所生產(chǎn)的熒光粉由于其沒有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，易氣化，光強度低等問題導(dǎo)致在實際使用中受到了限制，并且硫化物對人類身體有害。

3　白光LED用熒光粉的應(yīng)用

過去幾十年，熒光粉由于其獨有的物理和化學(xué)特性，引起了廣泛關(guān)注。熒光粉除了在白光LED中的應(yīng)用外，經(jīng)過摻雜各種稀土離子，各種新型熒光粉在我們的日常生活中還有著各種用途。

3.1熒光粉在電視機與計算機中的應(yīng)用

近年來，稀土熒光粉被廣泛用在彩色電視機中。彩色電視由于彩色顯象管中發(fā)射紅、綠、藍光的三種基色熒光粉在電子束作用下發(fā)出不同的亮度的三色光，因此可以傳播天然色彩

計算機顯示器十分類似于彩色電視機，只是計算機不需要電視機那樣重視顏色的再現(xiàn)性，而優(yōu)先考慮亮度，所以采用橙色更強的紅色，因此在計算機紅色熒光粉中摻雜的稀土元素的含量約為彩色電視機的1.5倍。

3.2熒光粉在醫(yī)療中的應(yīng)用

紫外輻射具有明顯的光化學(xué)效應(yīng)、光電效應(yīng)、生物效應(yīng)和熒光效應(yīng)，因此應(yīng)用廣泛。不同波長的紫外輻射有著不同的應(yīng)用。針對不同應(yīng)用，需要有針對性的紫外輻射光源。健康線則是指波長為280nm～320nm的中波紫外輻射。對于突發(fā)性變異、皮膚紅斑、皮膚卟啉癥、表皮角化細胞、大皰性天皰瘡、光化性癢疹等皮膚病來說，UVA和UVB紫外光都有很好的治療效果。在嬰兒黃疸及腦核黃的治療中也會用到紫外線。對于紫外線汞放電燈來說，即應(yīng)用不同發(fā)射波長的熒光粉。

對于嬰兒黃疸及腦核黃的治療有很多種，其中光線療法安全有效，簡單方便，其原理是通過光照使未結(jié)合膽紅素經(jīng)異構(gòu)化和光氧化作用生成無毒的水溶性物質(zhì)，經(jīng)尿液和膽汁尿液排出。光源最好選擇接近紫外線的藍光。經(jīng)過長期研究，摻有稀土Eu離子的熒光粉可以作為高膽紅素治療燈用的熒光粉。

3.3熒光粉在傳感器中的應(yīng)用

光纖熒光傳感器是通過測量物質(zhì)的特征熒光光譜來鑒別被測物質(zhì)種類和濃度的，被測物本身或者采用熒光示蹤物質(zhì)能在一定的激發(fā)光激勵下產(chǎn)生自身的特征熒光譜的傳感器。

3.4熒光粉在分子識別中的應(yīng)用

熒光標(biāo)記技術(shù)是利用一些能發(fā)熒光的物質(zhì)共價結(jié)合或物理吸附在所要研究分子的某個基團上，利用它的熒光特性來提供被研究對象的信息。分子識別是兩個或以上的分子之間通過非共價鍵結(jié)合相互作用，并具有專一性功能的過程。熒光標(biāo)記作為分子識別的一部分，必須有有高穩(wěn)定性、高的量子產(chǎn)率、長發(fā)光壽命和大的斯托克斯位移。熒光標(biāo)記物進行分子識別在蛋白質(zhì)合成、免疫反應(yīng)等許多生命化學(xué)過程發(fā)揮著極其重要的作用。它是近幾年生命科學(xué)領(lǐng)域中的研究熱點，已用于氨基酸、環(huán)境污染物等多種物質(zhì)的測定，

4　結(jié)語

隨著LED芯片技術(shù)的突破,LED發(fā)光效率將逐步接近其理論發(fā)光效率,熒光粉作為熒光轉(zhuǎn)換型白光LED的重要組成部分，熒光粉的性能好壞將直接決定LED光源的產(chǎn)品性能。目前能夠匹配藍光、近紫外光或其它芯片的熒光粉還不多,仍有較大的提升空間，需要開發(fā)制備工藝更為簡單，發(fā)光效率高、化學(xué)性能和化物理性能更加穩(wěn)定、顯色指數(shù)高、使用壽命長的熒光粉。由于化學(xué)物質(zhì)的多樣性,在熒光粉領(lǐng)域有可能開發(fā)出創(chuàng)新性技術(shù),形成自主創(chuàng)新的專利,從而打破國外的專利封鎖走出一條我國自己的白光LED產(chǎn)業(yè)化道路。

5　產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

5.1開發(fā)出創(chuàng)新性技術(shù),形成自主創(chuàng)新的專利,從而打破國外的專利封鎖走出一條我國自己的白光LED產(chǎn)業(yè)化道路。

5.2在照明技術(shù)進一步向前邁進的過程中,要想獲得更好的光源,還需要開發(fā)出更多新式熒光材料。

5.3為了實現(xiàn)對材料發(fā)光性能的控制，要嚴格控制產(chǎn)品的各種參數(shù)，改善現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)流程和合成方式，獲得合適的化學(xué)均勻性和顆粒大小的粉體。

5.4為了提高熒光粉的發(fā)光效率，要加強對發(fā)光中心離子在基質(zhì)中的能量傳遞過程的理論分析和研究。

[1]周太明.半導(dǎo)體照明的曙光.照明工程學(xué)報,2004,15(2):1-6.

[2]尹長安,趙成久,劉學(xué)彥.白光LED的最新進展[J].發(fā)光學(xué)報, 2000,21(4):380-382.

[3]曾琦華,張信果,等.白光LED用熒光粉的研究進展[J].中國稀土學(xué)報，2011，02：8-17.

姚永強（1984—），回族，內(nèi)蒙古呼倫貝爾人，本科，助理工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作。