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首先,即使不使用荧光粉,就能制备出红、黄、绿、蓝、紫等不同颜色的彩色LED,但由于这些不同颜色LED的发光效率相差很大,采用荧光粉以后,可以利 用某些波段LED发光效率高的优点来制备其他波段的LED,以提高该波段的发光效率。例如有些绿色波段的LED效率较低,台湾厂商利用我们提供的荧光粉制 备出一种效率较高,被其称为"苹果绿"的LED用于手机背光源,取得了较好的经济效益。
其次,LED的发光波长现在还很难精确控制,因而会造成有些波长的LED得不到应用而出现浪费,例如需要制备470nm的LED时,可能制备出来的是从455nm到480nm范围很宽的LED, 发光波长在两端的LED只能以较低廉的价格处理掉或者废弃,而采用荧光粉可以将这些所谓的"废品"转化成我们所需要的颜色而得到利用。
第三,采用荧光粉以后,有些LED的光色会变得更加柔和或鲜艳,以适应不同的应用需要。当然,荧光粉在LED上最广泛的应用还是在白光领域,但由于其特 殊的优点,在彩色LED中也能得到一定的应用,但荧光粉在彩色LED上的应用还刚刚起步,需要进一步进行深入的研究和开发。
LED采用荧光粉实现白光主要有三种方法,但它们并没有完全成熟,由此严重地影响白光LED在照明领域的应用。
第一种方法是在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的(YAG)黄色荧光粉,芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。该技术被日本Nichia公司垄断,而且这种方案的一个原理性的缺点就 是该荧光体中Ce3+离子的发射光谱不具连续光谱特性,显色性较差,难以满足低色温照明的要求,同时发光效率还不够高,需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。
第二种实现方法是蓝色LED芯片上涂覆绿色和红色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光,显色性较好。但是,这种方法所用荧光粉有效转换效率较低,尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高。
第三种实现方法是在紫光或紫外光LED芯片上涂敷三基色或多种颜色的荧光粉,利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm -410nm)来激发荧光粉而实现白光发射,该方法显色性更好,但同样存在和第二种方法相似的问题,且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体 系,这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大,因此开发高效的、低光衰的白光LED用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作。
我们是国内率先进行LED用高效低光衰荧光粉研究的研究机构。最近,通过与我国台湾合作伙伴的联合攻关,多种采用荧光粉的彩色LED被开发出来了。
黄色荧光粉:
在白光LED 的产生方式中,以“ 蓝光LED + 黄色荧光粉” 的技术最为 成熟,这也是目前商品化白光LED 产品的主要实现形式,其中所用的黄 色荧光粉多为业界所熟悉的铝酸盐YAG:Ce 和TAG:Ce。这两者比较起来, 前者的发光效率好,是公认的发光效率最高的半导体照明用荧光粉,利 用其与蓝光LED可以制得色温在4000k-8000k的高亮度白光LED;后者的应 用面较窄,高比例的Tb3+较适合在低于5000k的低色温白光LED.近年来开 发研究成功的LED黄色荧光粉还有硅酸盐如:(Sr,Ba,Ca)2SiO4:Eu。此外 还有硅基氮氧化物(ɑ-Sialon:Eu),它们除了可以被蓝光激发外,还可以 被紫外或者紫外LED有效激发;其中硅酸盐荧光粉开发相对成熟,硅基氮 氧化物荧光粉的制成困难,未见正式产品推出。
红色荧光粉:
红色荧光粉除了与蓝光LED及绿色荧光粉配合产生白光,或者与绿、蓝 色荧光粉及紫光或者紫外LED配合产生白光外,还常用于补偿YAG:Ce+ 蓝光LED中的红色缺乏,以提高显色指数或者降低色温。一直以来红色 荧光粉多局限于碱土金属硫化物系列,这类荧光粉的物理化学性质极 不稳定,热稳定性差,光衰大。近年来开发出的新型红色荧光粉有硅 酸盐,钨钼酸盐、铝酸盐及氮(氧)化物荧光体。其中硅酸盐,钨钼 酸盐、铝酸盐的稳定性满足了要求,但它们的有效激发不是太窄,对 芯片要求苛刻,发光效率偏低。硅基氮氧化物荧光粉(如: MxSiyNz:Eu
绿色荧光粉:
绿色荧光粉既是组成白光LED三基色的一个重要组分,同时也可以直接与 LED封装制得绿光LED.目前制作高亮绿色LED的重要方式就是这种方式。目 前LED用绿色荧光粉主要有:MN2S2:Eu(M=Ba,Sr,Ca;N=Al,Ca,In)、 Ca8Mg(SiO4)4Cl:Eu,R、BaMgAl10O17:Eu,Mn等。其中MN2S2:Eu·的发光效率最 高,发光的波长也可以通过调整其中碱土金属离子比例在507-558nm之间变 化,但是含硫元素的缺点较大的限制了其发展。近来有文献报道硅基氮氧 化物的绿色荧光粉,如β—SiAlON:Eu、SrSi2O2N2:Eu等,它们同样可以 被紫外、紫光或蓝光LED有效激发,且无硫的污染,显示出极大的发展潜力。
1.实现白光发射
LED灯被誉为第四代光源,其中白光源毫无疑问是需求量最大的,所以LED 荧光粉在实现白光发射领域应用最广泛。LED实现白光有多种方式,而开发较早、已实现产业化的方式是在LED芯片上涂敷荧光粉而实现白光发射。
LED采用荧光粉实现白光主要有三种方法,但它们并没有完全成熟,由此严重地影响白光LED 在照明领域的应用。
第一种方法:蓝光LED芯片+黄色荧光粉,该技术被日本Nichia公司垄断,而且这种方案的一个原理性的缺点就是该荧光体中Ce3+离子的发射光谱不具连续光谱特性,显色性较差,难以满足低色温照明的要求,同时发光效率还不够高,需要通过开发新型的高效荧光粉来改善。
第二种方法:蓝光 LED+绿色荧光粉+红色荧光粉,通过芯片发出的蓝光与荧光粉发出的绿光和红光复合得到白光,显色性较好。但是,这种方法所用荧光粉有效转换效率较低,尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高。
第三种方法:紫光 LED+三基色荧光粉(多种颜色的荧光粉),利用该芯片发射的长波紫外光(370nm-380nm)或紫光(380nm-410nm)来激发荧光粉而实现白光发射,该方法显色性更好,但同样存在和第二种方法相似的问题,且目前转换效率较高的红色和绿色荧光粉多为硫化物体 系,这类荧光粉发光稳定性差、光衰较大,因此开发高效的、低光衰的白光LED用荧光粉已成为一项迫在眉睫的工作。
2.利用某波段 LED发光效率高的优点制备其它波段 LED
虽然不使用荧光粉,就能制备出红、黄、绿、蓝、紫等不同颜色的彩色LED,但由于这些不同颜色LED的发光效率相差很大,采用荧光粉以后,可以利用某些波段LED发光效率高的优点来制备其他波段的LED,以提高该波段的发光效率。例如有些绿色波段的LED效率较低,台湾厂商利用我们提供的荧光粉制 备出一种效率较高,被其称为"苹果绿"的LED用于手机背光源,取得了较好的经济效益。
3.让 LED光色更柔和、鲜艳
虽然在LED上最广泛的应用还是在白光领域,但由于其特殊的优点,采用荧光粉以后,有些LED的光色会变得更加柔和或鲜艳,以适应不同的应用需要,在彩色LED 中也能得到一定的应用,但荧光粉在彩色 LED 上的应用还刚刚起步,需要进一步进行深入的研究和开发。
4.将发光波长有误差的LED重新利用
LED的发光波长现在还很难精确控制,因而会造成有些波长的LED得不到应用而出现浪费,例如需要制备470nm 的 LED时,可能制备出来的是从455nm 到480nm 范围很宽的LED,发光波长在两端的 LED 只能以较低廉的价格处理掉或者废弃,而采用荧光粉可以将这些所谓的"废品"转化成我们所需要的颜色而得到利用。