稀土發(fā)光材料亟需技術(shù)和應(yīng)用雙驅(qū)協(xié)同創(chuàng)新

劉榮輝， 劉元紅， 陳觀通

(1. 有研科技集團(tuán)有限公司 稀土材料國(guó)家工程研究中心， 北京 100088;2. 有研稀土新材料股份有限公司， 北京 100088)

1 引 言

稀土發(fā)光材料廣泛用于綠色健康照明、高品質(zhì)顯示和高端信息探測(cè)等領(lǐng)域，是決定照明和顯示等器件品質(zhì)的核心材料，其本身技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用技術(shù)變革的迫切需求，互為推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域科技創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)全鏈條發(fā)展的雙驅(qū)動(dòng)力。我國(guó)已經(jīng)連續(xù)多年是稀土發(fā)光材料生產(chǎn)和消費(fèi)第一大國(guó)，制備技術(shù)水平整體呈現(xiàn)逼近國(guó)際領(lǐng)先的良好態(tài)勢(shì)，除極個(gè)別如β-塞隆綠色熒光粉外，沒有特別突出的“卡脖子”材料問題。但是，整個(gè)稀土發(fā)光材料領(lǐng)域仍存在幾個(gè)突出問題：一是由于白光LED光源對(duì)傳統(tǒng)三基色節(jié)能燈的替代，稀土發(fā)光材料需求總量持續(xù)降低，產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、散、弱，科技和產(chǎn)業(yè)影響力日益下降；二是稀土發(fā)光材料領(lǐng)域的原始重大突破不多，顛覆性新概念、新材料和新應(yīng)用缺乏，尤其是稀土發(fā)光材料新應(yīng)用領(lǐng)域拓展緩慢；三是由于白光LED熒光粉等核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)受制于人，幾乎所有在用熒光粉的研發(fā)和應(yīng)用均源于國(guó)外，國(guó)外頻頻對(duì)國(guó)內(nèi)發(fā)起專利訴訟，我國(guó)稀土發(fā)光材料應(yīng)用產(chǎn)業(yè)由大變強(qiáng)面臨很大障礙；四是稀土發(fā)光材料的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)脫節(jié)嚴(yán)重，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新乏力。

2 稀土發(fā)光材料的“進(jìn)”和 “退”

一代稀土發(fā)光材料支撐和引領(lǐng)著一代照明和顯示器件的發(fā)展。白光LED因具有高光效、無污染、技術(shù)成熟度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為半導(dǎo)體照明和液晶顯示背光源的主流技術(shù)。白光LED器件的發(fā)光效率從本世紀(jì)初的不足20 lm/W提升至目前200 lm/W，特別是從最初的低顯色(Ra<70)功能照明到高顯色(Ra>90)健康照明、從普通色域(<70%NTSC)中低端顯示到廣色域(>90%NTSC)高質(zhì)顯示的變化過程中，熒光粉發(fā)揮了核心作用[1-2]。盡管我國(guó)白光LED熒光粉的研究起步較晚，早期嚴(yán)重依賴高價(jià)進(jìn)口，但目前主流的鋁酸鹽、氮化物、氟化物和硅酸鹽系列熒光粉的核心制備技術(shù)和產(chǎn)品均已取得重要突破，有研稀土等單位先后成功開發(fā)了(Y,Lu)3(Al,Ga)5O12∶Ce3+[3-4]黃色/黃綠色/綠色熒光粉的高溫連續(xù)和氣氛可控制備技術(shù)、(Ca,Sr)AlSiN3∶Eu2+[5-6]紅色熒光粉的常壓/微正壓/高壓氮化制備技術(shù)和K2(Si,Ge)F6∶Mn4+[7-8]紅色熒光粉的濕法可控制備和表面惰性化修飾技術(shù)，三種熒光粉外量子效率分別達(dá)到了0.95，0.90和0.80。除短波β-塞隆綠粉[9]、高穩(wěn)定性正硅酸鹽綠粉[10]等極少數(shù)熒光粉外，沒有特別突出的“卡脖子”材料和技術(shù)問題，整體呈現(xiàn)逼近國(guó)際領(lǐng)先水平的良好態(tài)勢(shì)。目前，LED熒光粉的國(guó)產(chǎn)化率超過80%，部分高端產(chǎn)品銷往日本、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等地區(qū)。

白光LED光源替代三基色節(jié)能燈后，全國(guó)400～500噸/年的白光LED熒光粉替代了原來8 000～10 000噸/年的三基色熒光粉消費(fèi)量，三基色熒光粉的技術(shù)創(chuàng)新幾近停滯、產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇縮減至原來的10%～20%。白光LED用鋁酸鹽、氮化物、氟化物、硅酸鹽和氮氧化物熒光粉材料體系也主要是2005年之前的發(fā)明成果，其制備技術(shù)和產(chǎn)品性能日趨完善。就應(yīng)用層面而言，整個(gè)稀土發(fā)光材料的技術(shù)創(chuàng)新進(jìn)入“小步慢跑”階段。

3 稀土發(fā)光材料的“熱”和“冷”

隨著綠色照明、高端顯示、信息探測(cè)器件的迅速發(fā)展，人們對(duì)白光LED光源的要求已從光效、節(jié)能等方面上升到追求光品質(zhì)、健康及生物安全等“健康綠色照明”層面，高品質(zhì)、全光譜照明已成為新的發(fā)展趨勢(shì)。與有機(jī)發(fā)光二極管顯示(OLED)、量子點(diǎn)顯示(QLED)、激光顯示(LD)和Mini/Micro LED等新型顯示技術(shù)相比，基于白光LED背光源的液晶顯示特別是在電視領(lǐng)域仍具有極強(qiáng)的生命力，亟需通過熒光粉的技術(shù)創(chuàng)新達(dá)到超高色域顯示要求。近紅外光源，特別是峰值波長(zhǎng)在700～1 600 nm范圍的LED光源，在安防監(jiān)控、生物識(shí)別和食品/醫(yī)療檢測(cè)等領(lǐng)域已顯示出巨大的市場(chǎng)前景，熒光轉(zhuǎn)換型近紅外光源在光譜調(diào)諧和成本上更具獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，前景廣闊。

類太陽全可見光覆蓋的全光譜健康照明、超高色域(>100%NTSC)顯示和熒光轉(zhuǎn)換型近紅外光源已成為稀土發(fā)光材料技術(shù)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)，迫切需要全新體系、高性能、適合紫光激發(fā)的全可見光波段多色熒光粉[11]、藍(lán)光激發(fā)的窄帶綠色和紅色熒光粉[12-13]以及高效高可靠性的近紅外發(fā)光材料[14]。目前，國(guó)內(nèi)外已開始專利和產(chǎn)品布局，如歐司朗推出了用于食品檢測(cè)的熒光轉(zhuǎn)換型近紅外光源[15]，有研稀土在近紅外發(fā)光材料的材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和應(yīng)用探索方面取得了一系列開創(chuàng)性成果[16-20]，三菱化學(xué)開始提供全光譜照明的新型熒光粉樣品，GE宣布即將推出新一代窄帶綠色熒光粉。但上述熒光粉在材料設(shè)計(jì)、制備技術(shù)和應(yīng)用探索方面均不成熟，未來專利突破、科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)拓展的空間巨大。目前,本領(lǐng)域科技創(chuàng)新力量對(duì)于上述問題的參與力度不夠，研究過于集中在量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換、多功能新型鈣鈦礦發(fā)光材料和寬散、零星的基礎(chǔ)研究方面，存在重大需求不明、應(yīng)用聚焦不足、關(guān)鍵突破缺乏等突出問題。

4 稀土發(fā)光材料的“橋”和“路”

我國(guó)稀土發(fā)光材料原始創(chuàng)新能力不足、核心產(chǎn)品知識(shí)產(chǎn)權(quán)受制于人成為該領(lǐng)域面臨的核心問題。氮化物和氮氧化物的核心專利被日本三菱化學(xué)和電氣化學(xué)壟斷，售價(jià)較同等品質(zhì)的國(guó)產(chǎn)氮化物熒光粉高出3～5倍；我國(guó)稀土發(fā)光材料行業(yè)總體上還未建立起以應(yīng)用需求為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研用深度融合的協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制；日本日亞化學(xué)的藍(lán)光LED復(fù)合鋁酸鹽熒光粉白光器件專利[21]威脅中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)二十年；美國(guó)GE的LED復(fù)合氟化物熒光粉的器件專利[22]給我國(guó)高顯色照明產(chǎn)業(yè)帶來極大的專利風(fēng)險(xiǎn)。稀土發(fā)光材料領(lǐng)域普遍存在的研究和應(yīng)用目標(biāo)導(dǎo)向性差、信息不對(duì)稱和重復(fù)研發(fā)等現(xiàn)象，造成人員和技術(shù)資源浪費(fèi)，在一定程度上延緩和錯(cuò)失了我國(guó)在該領(lǐng)域的重大技術(shù)創(chuàng)新機(jī)遇。因而，聚集國(guó)內(nèi)稀土發(fā)光材料領(lǐng)域豐富的科研、技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)力量，搭建集材料設(shè)計(jì)、制備、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用于一體的協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)尤為迫切；以材料技術(shù)創(chuàng)新和終端應(yīng)用需求為雙驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)科技提升產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)科技發(fā)展的良性循環(huán)，才能形成我國(guó)在稀土發(fā)光材料領(lǐng)域的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)先端優(yōu)勢(shì)，擠過稀土發(fā)光材料由大變強(qiáng)的“獨(dú)木橋”，實(shí)現(xiàn)從“跟并跑”到“領(lǐng)跑”的跨越之路。

5 結(jié) 論

中國(guó)雖然已是稀土發(fā)光材料生產(chǎn)和應(yīng)用第一大國(guó)，但存在發(fā)光材料及應(yīng)用核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)缺乏的突出問題。高效的產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制和氛圍尚未形成，亟待通過技術(shù)和應(yīng)用的雙驅(qū)創(chuàng)新，在稀土發(fā)光材料的新材料、新應(yīng)用等方面取得突破。