姚永強(qiáng)　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(qiáng)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(shí)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(guó)的重視，成為各國(guó)戰(zhàn)略核心目標(biāo)。而實(shí)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(duì)白光LED用熒光粉的發(fā)光機(jī)理及其新型熒光粉的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)的綜述。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)白光LED的研究現(xiàn)狀和存在的問題進(jìn)行了簡(jiǎn)單的探討。

白光LED；熒光粉；應(yīng)用

發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED，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(chǎng)發(fā)光，其光電轉(zhuǎn)換效率比較高。白光LED已經(jīng)覆蓋社會(huì)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(jī)、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(shì)。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(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家競(jìng)相展開LED和半導(dǎo)體技術(shù)的研究，推進(jìn)了LED快速的發(fā)展。

1　白光LED的實(shí)現(xiàn)

白光發(fā)光二級(jí)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(lán)光LED+綠色熒光粉+紅色熒光粉，通過芯片發(fā)出的藍(lán)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(lán)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(jiǎn)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(xiàng)迫在眉睫的工作。

1.4藍(lán)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(lán)光透射出來，由熒光粉的黃光與透射出的藍(lán)光組成白光。該方法具有穩(wěn)定性好、制造簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)，以保證在激發(fā)熒光粉時(shí)光轉(zhuǎn)換率最高；第二個(gè)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(shí)其發(fā)射光譜的位置是不是在三基色（藍(lán)綠紅）波段下，或者通過藍(lán)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(jìn)而與芯片所發(fā)射的藍(lán)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(jià)帶)，躍遷到高能帶；高能帶電子回到低能帶時(shí)，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(huì)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(shí)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(diǎn)。

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(qiáng)度低等問題導(dǎo)致在實(shí)際使用中受到了限制，并且硫化物對(duì)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(dú)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(jī)與計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

近年來，稀土熒光粉被廣泛用在彩色電視機(jī)中。彩色電視由于彩色顯象管中發(fā)射紅、綠、藍(lán)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(jì)算機(jī)顯示器十分類似于彩色電視機(jī)，只是計(jì)算機(jī)不需要電視機(jī)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(qiáng)的紅色，因此在計(jì)算機(jī)紅色熒光粉中摻雜的稀土元素的含量約為彩色電視機(jī)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(zhǎng)的紫外輻射有著不同的應(yīng)用。針對(duì)不同應(yīng)用，需要有針對(duì)性的紫外輻射光源。健康線則是指波長(zhǎng)為280nm～320nm的中波紫外輻射。對(duì)于突發(fā)性變異、皮膚紅斑、皮膚卟啉癥、表皮角化細(xì)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(huì)用到紫外線。對(duì)于紫外線汞放電燈來說，即應(yīng)用不同發(fā)射波長(zhǎng)的熒光粉。

對(duì)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(jiǎn)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(lán)光。經(jīng)過長(zhǎng)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(cè)量物質(zhì)的特征熒光光譜來鑒別被測(cè)物質(zhì)種類和濃度的，被測(cè)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(lì)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(shí)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(jià)結(jié)合或物理吸附在所要研究分子的某個(gè)基團(tuán)上，利用它的熒光特性來提供被研究對(duì)象的信息。分子識(shí)別是兩個(gè)或以上的分子之間通過非共價(jià)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(shí)別的一部分，必須有有高穩(wěn)定性、高的量子產(chǎn)率、長(zhǎng)發(fā)光壽命和大的斯托克斯位移。熒光標(biāo)記物進(jìn)行分子識(shí)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(diǎn)，已用于氨基酸、環(huán)境污染物等多種物質(zhì)的測(cè)定，

4　結(jié)語(yǔ)

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(lán)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(jiǎn)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(zhǎng)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(guó)外的專利封鎖走出一條我國(guó)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(guó)外的專利封鎖走出一條我國(guó)自己的白光LED產(chǎn)業(yè)化道路。

5.2在照明技術(shù)進(jìn)一步向前邁進(jìn)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(shí)現(xiàn)對(duì)材料發(fā)光性能的控制，要嚴(yán)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(qiáng)對(duì)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(bào),2004,15(2):1-6.

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

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

姚永強(qiáng)（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(cè)工作。