探討白光LED用新型熒光粉的應用

姚永強　李建華（內蒙古呼倫貝爾市環境科學研究所內蒙古呼倫貝爾021000）

探討白光LED用新型熒光粉的應用

姚永強李建華
（內蒙古呼倫貝爾市環境科學研究所內蒙古呼倫貝爾021000）

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

白光LED；熒光粉；應用

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

1　白光LED的實現

白光發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，通過芯片發出的藍光與熒光粉發出的綠光和紅光復合得到白光。

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生的三種光復合成白光。

1.3紫光LED+三基色熒光粉（多種顏色的熒光粉），這樣熒光粉發出的多種可見光也可以復合成白光。該方法顯色性更好，制造簡單，成本較低，未來具有廣闊的發展前景。但這類熒光粉發光穩定性差、光衰較大，因此開發高效的、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，使黃色熒光粉發出黃光，LED發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。該方法具有穩定性好、制造簡單、成本低等優點，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，開始產業化的白光發光二極管的主要制作方法是在發光二極管芯片上涂覆可被有效激發的熒光粉從而復合成白色光。在整個白光發光二極管中熒光粉起著重要的作用[2]。

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

2.1熒光粉的發光原理

接受外部能量，并轉化成光能量的物體，稱為熒光體。當這物體為粉末狀，就稱為熒光粉。熒光粉的發光原理是：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，發出光子。各種發光材料的被激發的方式主要有:光致發光、電致發光、陰極射線發光等[3]。

熒光體就是能夠實現能量轉換的材料，它受到能量的激發后就會產生能量的吸收與能量的轉換過程，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的熒光粉由于其高亮度、發射峰寬、成本低、應用廣泛、發光效果較好引起了廣泛的關注，但是這類熒光粉發射光譜單一，在實際應用中耐濕性差、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定的化學性質、發射光譜范圍寬、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注和開發研究。

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

2.2.4硫化物熒光粉：以硫化物為基質所生產的熒光粉由于其沒有穩定的化學性質，易氣化，光強度低等問題導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用熒光粉的應用

過去幾十年，熒光粉由于其獨有的物理和化學特性，引起了廣泛關注。熒光粉除了在白光LED中的應用外，經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射紅、綠、藍光的三種基色熒光粉在電子束作用下發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性，而優先考慮亮度，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熒光粉在醫療中的應用

紫外輻射具有明顯的光化學效應、光電效應、生物效應和熒光效應，因此應用廣泛。不同波長的紫外輻射有著不同的應用。針對不同應用，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，即應用不同發射波長的熒光粉。

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合膽紅素經異構化和光氧化作用生成無毒的水溶性物質，經尿液和膽汁尿液排出。光源最好選擇接近紫外線的藍光。經過長期研究，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用

光纖熒光傳感器是通過測量物質的特征熒光光譜來鑒別被測物質種類和濃度的，被測物本身或者采用熒光示蹤物質能在一定的激發光激勵下產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用

熒光標記技術是利用一些能發熒光的物質共價結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合相互作用，并具有專一性功能的過程。熒光標記作為分子識別的一部分，必須有有高穩定性、高的量子產率、長發光壽命和大的斯托克斯位移。熒光標記物進行分子識別在蛋白質合成、免疫反應等許多生命化學過程發揮著極其重要的作用。它是近幾年生命科學領域中的研究熱點，已用于氨基酸、環境污染物等多種物質的測定，

4　結語

隨著LED芯片技術的突破,LED發光效率將逐步接近其理論發光效率,熒光粉作為熒光轉換型白光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，需要開發制備工藝更為簡單，發光效率高、化學性能和化物理性能更加穩定、顯色指數高、使用壽命長的熒光粉。由于化學物質的多樣性,在熒光粉領域有可能開發出創新性技術,形成自主創新的專利,從而打破國外的專利封鎖走出一條我國自己的白光LED產業化道路。

5　產業發展建議

5.1開發出創新性技術,形成自主創新的專利,從而打破國外的專利封鎖走出一條我國自己的白光LED產業化道路。

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

5.3為了實現對材料發光性能的控制，要嚴格控制產品的各種參數，改善現有的產業的生產流程和合成方式，獲得合適的化學均勻性和顆粒大小的粉體。

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

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

[2]尹長安,趙成久,劉學彥.白光LED的最新進展[J].發光學報, 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].中國稀土學報，2011，02：8-17.

姚永強（1984—），回族，內蒙古呼倫貝爾人，本科，助理工程師，主要從事環境監測工作。