探讨白光LED用新型荧光粉的应用

2016-02-08姚永强李建华内蒙古呼伦贝尔市环境科学研究所内蒙古呼伦贝尔021000

资源节约与环保 2016年3期

姚永强　李建华（内蒙古呼伦贝尔市环境科学研究所内蒙古呼伦贝尔021000）

探讨白光LED用新型荧光粉的应用

姚永强李建华
（内蒙古呼伦贝尔市环境科学研究所内蒙古呼伦贝尔021000）

时至今日，不可再生资源石油越来越匮乏，已经引起世界各国的重视，成为各国战略核心目标。而实现白光LED最成熟的方法就是荧光粉转换法，即LED芯片周围覆盖荧光粉。本文对白光LED用荧光粉的发光机理及其新型荧光粉的应用进行了详细的综述。在此基础上，针对白光LED的研究现状和存在的问题进行了简单的探讨。

白光LED；荧光粉；应用

发光二极管简称为LED，是一种能将电能转化为光能的半导体电子元件。利用半导体芯片作为发光材料，直接将电能转换为光能，采用电场发光，其光电转换效率比较高。白光LED已经覆盖社会各领域，白光LED已经与人们的生活紧密的联系在一起，白光LED的功能不仅是照明，还是很多行业的重要元件，白光LED的身影出现在电视、手机、汽车照明、高精度仪器等领域中，奠定了白光LED的良好发展态势。LED出现较早，但是其快速发展需要追溯到上世纪末期，美国、日本、德国等国家竞相展开LED和半导体技术的研究，推进了LED快速的发展。

1　白光LED的实现

白光发光二级管大多离不开稀土荧光粉，主要有黄色荧光粉，红色荧光粉及三基色荧光粉等。白光LED的形成主要包括以下几种方法。

1.1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。

1.2将红、绿、蓝3种不同颜色的LED组合，并封装在一起，分别控制通过三种LED的电流大小从而使产生的三种光复合成白光。

1.3紫光LED+三基色荧光粉（多种颜色的荧光粉），这样荧光粉发出的多种可见光也可以复合成白光。该方法显色性更好，制造简单，成本较低，未来具有广阔的发展前景。但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。

1.4蓝光LED芯片+黄色荧光粉，使黄色荧光粉发出黄光，LED发出的另一部分蓝光透射出来，由荧光粉的黄光与透射出的蓝光组成白光。该方法具有稳定性好、制造简单、成本低等优点，是目前工艺较成熟的一种，大部分白光LED的制造均采用此方法。

2　白光LED用荧光粉

目前，开始产业化的白光发光二极管的主要制作方法是在发光二极管芯片上涂覆可被有效激发的荧光粉从而复合成白色光。在整个白光发光二极管中荧光粉起着重要的作用[2]。

在光转换型发白色光的发光二极管中荧光粉是其最主要的组成部分。荧光粉能否应用在光转换型发光二极管上，要看荧光粉是否符合以下两个条件，第一，观察其激发光谱与发光二极管的发射光谱是否相对应，以保证在激发荧光粉时光转换率最高；第二个条件主要是荧光粉在紫外或近紫外发光二极管激发时其发射光谱的位置是不是在三基色（蓝绿红）波段下，或者通过蓝色光发光二极管激发下的荧光粉能不能发射黄色光进而与芯片所发射的蓝色光混合形成白色光。

2.1荧光粉的发光原理

接受外部能量，并转化成光能量的物体，称为荧光体。当这物体为粉末状，就称为荧光粉。荧光粉的发光原理是：外部能量使电子从低能带(价带)，跃迁到高能带；高能带电子回到低能带时，发出光子。各种发光材料的被激发的方式主要有:光致发光、电致发光、阴极射线发光等[3]。

荧光体就是能够实现能量转换的材料，它受到能量的激发后就会产生能量的吸收与能量的转换过程，最终以光辐射的方式放出能量。

2.2荧光粉的种类

2.2.1铝酸盐荧光粉：以铝酸盐体系为基质的荧光粉由于其高亮度、发射峰宽、成本低、应用广泛、发光效果较好引起了广泛的关注，但是这类荧光粉发射光谱单一，在实际应用中耐湿性差、合成条件比较苛刻。

2.2.2硅酸盐荧光粉：由于硅酸盐体系具有稳定的化学性质、发射光谱范围宽、耐热性能较好和制作成本较低，因此，近年来受到了高度的关注和开发研究。

2.2.3氮化物荧光粉：氮化物为基质材料的荧光粉具有激发波段宽，耐热性能较好和能够合成较稳定的红色荧光粉而受到广泛的关注，但是其存在发射光谱范围较窄，生产成本过高等明显的缺点。

2.2.4硫化物荧光粉：以硫化物为基质所生产的荧光粉由于其没有稳定的化学性质，易气化，光强度低等问题导致在实际使用中受到了限制，并且硫化物对人类身体有害。

3　白光LED用荧光粉的应用

过去几十年，荧光粉由于其独有的物理和化学特性，引起了广泛关注。荧光粉除了在白光LED中的应用外，经过掺杂各种稀土离子，各种新型荧光粉在我们的日常生活中还有着各种用途。

3.1荧光粉在电视机与计算机中的应用

近年来，稀土荧光粉被广泛用在彩色电视机中。彩色电视由于彩色显象管中发射红、绿、蓝光的三种基色荧光粉在电子束作用下发出不同的亮度的三色光，因此可以传播天然色彩

计算机显示器十分类似于彩色电视机，只是计算机不需要电视机那样重视颜色的再现性，而优先考虑亮度，所以采用橙色更强的红色，因此在计算机红色荧光粉中掺杂的稀土元素的含量约为彩色电视机的1.5倍。

3.2荧光粉在医疗中的应用

紫外辐射具有明显的光化学效应、光电效应、生物效应和荧光效应，因此应用广泛。不同波长的紫外辐射有着不同的应用。针对不同应用，需要有针对性的紫外辐射光源。健康线则是指波长为280nm～320nm的中波紫外辐射。对于突发性变异、皮肤红斑、皮肤卟啉症、表皮角化细胞、大疱性天疱疮、光化性痒疹等皮肤病来说，UVA和UVB紫外光都有很好的治疗效果。在婴儿黄疸及脑核黄的治疗中也会用到紫外线。对于紫外线汞放电灯来说，即应用不同发射波长的荧光粉。

对于婴儿黄疸及脑核黄的治疗有很多种，其中光线疗法安全有效，简单方便，其原理是通过光照使未结合胆红素经异构化和光氧化作用生成无毒的水溶性物质，经尿液和胆汁尿液排出。光源最好选择接近紫外线的蓝光。经过长期研究，掺有稀土Eu离子的荧光粉可以作为高胆红素治疗灯用的荧光粉。

3.3荧光粉在传感器中的应用

光纤荧光传感器是通过测量物质的特征荧光光谱来鉴别被测物质种类和浓度的，被测物本身或者采用荧光示踪物质能在一定的激发光激励下产生自身的特征荧光谱的传感器。

3.4荧光粉在分子识别中的应用

荧光标记技术是利用一些能发荧光的物质共价结合或物理吸附在所要研究分子的某个基团上，利用它的荧光特性来提供被研究对象的信息。分子识别是两个或以上的分子之间通过非共价键结合相互作用，并具有专一性功能的过程。荧光标记作为分子识别的一部分，必须有有高稳定性、高的量子产率、长发光寿命和大的斯托克斯位移。荧光标记物进行分子识别在蛋白质合成、免疫反应等许多生命化学过程发挥着极其重要的作用。它是近几年生命科学领域中的研究热点，已用于氨基酸、环境污染物等多种物质的测定，

4　结语

随着LED芯片技术的突破,LED发光效率将逐步接近其理论发光效率,荧光粉作为荧光转换型白光LED的重要组成部分，荧光粉的性能好坏将直接决定LED光源的产品性能。目前能够匹配蓝光、近紫外光或其它芯片的荧光粉还不多,仍有较大的提升空间，需要开发制备工艺更为简单，发光效率高、化学性能和化物理性能更加稳定、显色指数高、使用寿命长的荧光粉。由于化学物质的多样性,在荧光粉领域有可能开发出创新性技术,形成自主创新的专利,从而打破国外的专利封锁走出一条我国自己的白光LED产业化道路。