单一基质白光LED用荧光粉的研究进展

引言

1962年，Holonyak等利用GaAsP制备出第一支发红光的LED，经过30多年的发展，LED的发光效率有了很大的提高，发射波长范围扩大到绿、黄和蓝光区。1993年Nakamura.S等率先在蓝色氮化镓(GaN)LED技术上取得突破，于1996年将发射黄光的Y3Al5O12∶Ce3+(YAG∶Ce3+)作为荧光粉，涂在发射蓝光的GaN 二极管上，成功制备出白光LED。白光LED一经出现就受到了广泛关注，作为光源的照明具有环保、节能、高效、寿命长、易维护等特点，被称为将超越白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯(High　intensity　discharge，HID)的第四代照明光源，是追求低碳经济的当今社会的首选[1，2]。

目前，白光LED的实现主要是采用一个LED芯片和荧光粉组合，通过荧光粉将芯片发出的短波长的光，部分或全部地转换成可见光，最后复合成白光。其重心是光色转换用荧光粉的研究、开发与生产。当前研究最多和最成熟的是蓝色LED/黄色荧光粉系统，此系统采用的荧光粉为Y3Al5-O12∶Ce3+和基于Y3Al5O12∶Ce3+进行掺杂的荧光粉。但是此荧光粉的发光效率较低;另外，在高的电流下，蓝光光谱的电光强度要比黄光增加得快，随着电流的改变就会导致光谱的不匹配，从而易导致色温的改变和低的显色指数。而紫外和近紫外系统则不存在以上情况，由于紫外转换型荧光粉系统的电转换效率较低，因此研究近紫外转换型荧光粉具有十分重要的意义[3]。

1　单一基质白光LED用荧光粉的特点

近紫外转换型荧光粉可分为单一基质白光荧光粉和多种基质白光荧光粉。其中单一基质白光荧光粉在近紫外光的激发下能直接发射白光，与其它体系荧光粉相比，有其显著的特点：(1)由于视觉对近紫外光的不敏感性，这类白光LED的颜色由荧光粉决定，因此颜色稳定，色彩还原性较高;(2)由于是单一基质化合物，可减少能量损耗，有利于提高发光效率;(3)可避免由于多种基质化合物间相互作用造成的颜色失调，有利于改善显色性;(4)成本降低。因此单一基质白光荧光粉最近几年越来越受到人们的关注，成为新一代白光LED照明的研究热点，有关这一体系材料的研究也逐渐深入。

2　单一基质白光LED用荧光粉的研究现状

近年来，有关单一基质白光荧光粉的研究，已有大量文献报道，涉及的基质化合物范围很宽，包括硅酸盐、磷酸盐、硼酸盐、钒酸盐、铝酸盐等。激活离子主要有Eu2+及Ce3+，因为它们的电子构型中d电子裸露在外层，易受基质晶格环境和化学键性质的影响，f→d跃迁吸收带及d→f跃迁发射带容易宽化。除Eu2+和Ce3+外，Mn2+、Eu3+、Dy3+、Tb3+等也常被作为单一基质白光荧光体系中的激活离子。其中最常见的是两种离子共掺杂的单一基质白光荧光粉，如Eu2+-Mn2+、Ce3+ -Mn2+等。

2.1　硅酸盐荧光粉

硅酸盐体系具有一些突出的特性，如耐紫外光子长期轰击，性能稳定;光转化效率高，结晶性能及透光性能优异;具有宽谱激发带，发射光谱连续可调等。因此，硅酸盐荧光粉被认为是一种很有前途的荧光粉材料[4]。

Kim等[5-9]合成了一系列的M3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+(M=Ba，Sr，Ca)荧光粉。该体系中M 有3种格位，12配位的M(Ⅰ)和10配位的M(Ⅱ，Ⅲ)。Eu2+取代M(Ⅰ)位时发射蓝光，取代M(Ⅱ，Ⅲ)位时发射绿光，Mn2+取代M(Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ)位时发射红光。M=Ba时在375nm 近紫外LED激发下，荧光粉同时发出440nm、505nm 和620nm 的蓝、绿、红3种光色，与紫外LED 匹配复合成白光，色坐标为(0.38，0.35)。图1为Ba3MgSi2O8∶Eu2+，Mn2+激发光谱与发射光谱图。当M=Sr时，在400nm处激发谱增宽，发射红移。通过调整Eu2+和Mn2+浓度可以改变发射光的色温和显色指数，最佳可以达到色温为3600K，显色指数为95，而且色标对电流稳定，远远优于YAG∶Ce3+-InGaN 体系的发光。当M=Ca时，发射峰继续红移，这主要是由于离子半径变小，使得晶体场发生了变化，致使发射峰红移。掺入微量的Al离子会使荧光粉蓝光和绿光的相对强度发生明显变化，而红光的强度基本不变，因此荧光体的色坐标位置可以通过掺入不同数量的铝离子来调控[10]。

光发射的InGaN管芯制成了白光LED，正向驱动电流为20mA时，色温为5664K;色坐标为(0.33，0.34)，显色指数为85，光强达8100cd/m2。