新型LED氮氧化物荧光粉的开发与应用

1、新型LED氮氧化物荧光粉的开发与应用2012年02月10日11:55 |分类：行业应用从十一五”计划开始，我国政府就把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。荧光粉是LED中最重要的关键技术和原材料之一，2011年国LED荧光粉的需求量将达 2.5亿元，并且随着LED技术的不断进步，对各种荧光粉的需求将会保持可观的增长率。但是目 前国缺乏新型、高端 LED用荧光粉的自主核心技术，已经成为我国LED产业发展的瓶颈。铈掺杂的钇铝石榴石（YAG:Ce3+）是最早被广泛应用于白光 LED中的一类荧光粉1，但是其发射光谱中红色成分较少，难以制作高显色指数、低色温的白光LED。通过在YAG:Ce3+中加入

2、（Ca,Sr）S:Eu2+、（Ca,Sr）Ga2S4:Eu2+红绿色荧光粉可以实现高显色指数、低 色温白光LED，但是由于这类碱土金属硫化物的物理化学性质不稳定，易潮解、挥发出硫 化氢，具有腐蚀性，等诸多严重问题，无法满足制作LED的需要2。后来人们发现了一类热稳定性和化学稳定性优异的红色荧光粉，能完全替代碱土金属硫化物实现高显色指数、低色温白光LED，这类荧光粉具有硅氮（氧）四面体结构，因此被称为氮氧化物3-4。氮氧化物荧光粉由于其独特的激发光谱（激发围涵盖紫外、近紫外、蓝光甚至绿光）以及优异的发光特性（发射绿、黄、红光；热淬灭小、发光效率高等），材料本身无毒、稳定性 好，因此非常适合于应用

3、在白光LED中，特别是蓝色芯片的白光 LED的应用，因而受到了科学界和产业界的极大关注。国外著名的照明公司，如OSRAM，Philips，GE，日亚化学，松下电器，丰田合成，三菱化学，夏普等，及国的部分公司都在积极开发氮氧化物荧光粉并 逐步开始应用采用了氮氧化物荧光粉的白光LED产品。.r«us.E-ld800123 4561 1 BaS*2O2N2:Eu2 * 卩on；Eu3 tt -sialQ仃:¥()4 - u-sialon;Eu5- SfSiNg: Eu6 - CaAlSiNEu500600700Wavelength (nm)各神氮程化油受光粉的发射光遵图1是一些氮

4、氧化物荧光粉的发射光谱5，由于氮氧化物荧光粉是以具有较强共价键特性的硅-氮氧四面体作为其基本单元并构成一定的三维网络结构，因此在晶体场作用 下，发光中心离子的电子组态出现大的晶场劈裂（如图2），使其激发和发射能量同时下降，从而实现了蓝光激发和红、绿、黄色发光。同时由于基质材料的共价键性较强，所以氮（氧）化物荧光粉具有热稳定性好、光衰小、温度特性好的特点。、氮氧化物荧光粉的开发情况:EijA丛态图2.的劈裂*开发新型LED用氮氧化物荧光粉的创新点主要体现在以下几方面：1选择以共价键性强且含有Si-N四面体的多元系氮氧化物为基质材料；2采用创新的热压高温气-固相反应法制备易分散的微细氮氧化物发光粉

5、体；3制备的发光粉体能够被 300-500nm之间紫外及蓝光有效激发，且量子效率达到80%以上;4.可以解决咼显色性、咼亮度和色温可调的白光LED关键技术。*氮氧化物荧光粉产品优点如下：1. 发光波长围宽，可覆盖 500-700nm可见光区域；2. 发光效率高、显色性好，热稳定性高；3. 有效解决我国封装企业面临的专利壁垒；氮氧化物荧光粉的开发，以氮化物红色荧光粉开发最早也最为成熟。目前应用的红色氮化物荧光粉主要有两种，都是铕掺杂的氮化物，结构式可以写为M2xSi5N8:Eux2+(M=Ca , Sr, Ba，其中 0< x< 0和)CaAISiN3:Eu2+。绿色和黄色氮氧化物

6、荧光粉目前主要有 Eu2+,Ce3+,Y2+等稀土离子激活的塞隆(Sialon)类和MSiO2N2两大类。国氮氧化物荧光粉的开发起步较晚，但是发展速度很快。现在已经面市的有氮氧化物红色、绿色、黄色、蓝色荧光粉，如图3为各产品在CIE坐标图中的色品坐标位置。如上图中所示产品，发光波长在660nm,填补了市场空白，为低色温高显色白光和玫瑰红色LED提供了新的解决方案。二、氮氧化物荧光粉的应用：氮氧化物荧光粉由于其宽围的发光波长和高效高亮等特点，在多彩和高显色白光 LED的应用很广泛。伽圉4氟JU匕轴S克褂瞰山旳各种於&LED1以前在可见光区域短波段500-530nm和长波段620-700n

7、m只能通过芯片发光实现蓝色、绿色、红色发光，现在可以通过蓝光激发氮氧化物荧光粉实现各种颜色的发光。目前市场上能够发红色、绿色、蓝色的发光二极管(LED)全部依赖红色、绿色、蓝色芯片发光，其可以实现的颜色区域非常小，发光颜色单调，而且高亮红色、绿色芯片价格昂贵，使 得多彩LED 直没有好的解决方案。本公司开发的高效、低光衰、可被蓝光激发的发光波 长覆盖470-700nm的各种颜色氮氧化物荧光粉就彻底解决了目前多彩LED所面临的问题。蓝光芯片配合各种颜色的氮氧化物荧光粉可以发出发光波长覆盖500-700nm的各种光色。如图4为蓝色、绿色、红色氮氧化物荧光粉做出的各种彩色LED。图5:紫红色LED如

8、图5所示，蓝光芯片配合封装出紫红色的 LED，其中红色光谱的峰值波长在660nm,恰好是植物在生长过程需要吸收的红色光谱。将紫红色的LED集中封装为植物生长光照的灯具，如图6所示。在植物生长灯的照射下， 植物生长将更加快速，枝叶更加茁壮。图5植物生长灯2.采用氮氧化物荧光粉制作白光LED;采用红色氮化物荧光粉（发射峰值为625nm）配合黄色铝酸盐荧光粉进行封装的测试结果如表1所示：rfJAlMtii J*4.OJr(1513938(M血皿:20一-m54J2溯P 100.251.6丿：5召一10030打45IJ0”川|: 1随着红粉含量的增加，显色指数会先下降，再上升。原因是由于氮氧化物红粉会

9、吸收黄粉发出的绿光， 当红粉含量较小的时候， 吸收绿光对显色指数降低尚不明显， 而红粉 发出的红光却能显著提高显色指数，当红粉占黄粉重量在15%以时，可以获得显色指数 >80的白光。当红粉含量继续增加， 由于红粉对绿光的吸收增加得多了，绿光的减少导致了显色指数较大的降低。在选择和红粉配合使用的黄粉时应先选择发射光谱波长较短的黄粉，这一类黄粉的发射光谱中绿光含量较多，对提高显色指数有帮助，同时光效也很高。图7高垃色低色温白光LED光谱图如果采用发射峰值为 645nm的红色荧光粉配合铝酸盐黄色荧光粉则能更大幅度的提升显色指数，且当使用两种粉就可获得显色指数80以上，色温在3000K左右的低色

10、温暖白。如图7为高显色低色温白光 LED光谱图。表Z铝酸盐黄粉与氮化物红粉、氮氧化物绿粉相混合封装测试给果蓝绿粉：绿粉： 黄粉：红粉 的比例色温范围显色 指数色坐标区间光效(hn/W)00100:08000-9000k78-80k=0.291±0. 01士 d 01802:10:1S500-7500k90-95x=0 307±0. 01 yM),317±X 01W-655:4:8:25000k±250k90-93x=0.345 ±0. 01V-0.352 + X 0150-556:5:83S500k±2501c90®k=0.

11、406±0. 01 、T39l±(X 0140-4513 1K1672SOOk±2?Ok9095x=0.457±0. 01 409±t). 0135-40表2为采用发射波长为 495nm的蓝绿色氮氧化物荧光粉和发射波长540nm的绿色荧光体配合发射波长 550nm的铝酸盐荧光粉以及发射波长为645nm的红色荧光粉混合封装成LED的测试结果，结果表明采用氮氧化物荧光粉以后可以获得色温围从2800K到7500K的显色指数大于 90的高显色性白光。如图 8为不同显色性及色温段白光LED。三、结语高显色低色温LED室照明产品在欧美、日本和国发展迅速，加上在白光LED专利受封锁的形势下，我国