白光LED用YAG荧光粉制备工艺研究-开题答辩

一种白光LED用YAG荧光粉制备工艺研究学院：光电信息学院导师：李绍荣姓名：阮政

一、前言

1.发展现状

在国际市场能源危机的影响下，全球已逐步进入“节能时代”，各国积极通过立法和政府引导等方式，淘汰白炽灯等低效高耗能产品，大力发展LED照明产业。白光LED具有高效、节能、环保等诸多显著优点的诸多优点，具有广泛的应用前景和巨大的市场前景，被誉为继白炽灯、日光灯和节能灯之后的第四代照明光源，受到世界各国的高度重视，并入大量人力和财力推动半导体照明技术的发展。2.LED简介

LED：发光二极管，LightEmittingDiode的简称。是一种能够直接将电能转化为光能的固态的半导体器件。主要由支架、晶片、导线、荧光粉、树脂透镜等所组成。 LED发光原理：当电流正向通过导线作用于这个晶片PN结的时候，N区的电子和P区的空穴在耗尽层中复合，并以光子的形式发出能量。光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。 LED具有光效高、体积小、寿命长、环保等显著优点。小功率直插型LED结构大功率贴片型LED结构二、实现白光LED的方法目前，实现白光LED主要通过以下三种技术方法：第一种方法：蓝光芯片激发黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合得到白光。一部分蓝光被荧光粉吸收，激发荧光粉发射黄光，发射的黄光和剩余的蓝光混合，调控它们的强度比，即可得到各种色温的白光。这种方案的缺点是该荧光体中Ce3+离子的发射光谱不具连续性，显色性较差，可以通过掺杂其他元素来改善。第二种方法：紫外光LED激发三基色荧光粉（多种颜色的荧光粉），利用该芯片发射的紫外光(370nm～380nm)或紫光(380nm～410nm)来激发荧光粉而得到白光，这种方法显色性较好，但是所用荧光粉转换效率较低，尤其是红色荧光粉的效率需要较大幅度的提高，且红色和绿色荧光粉多为硫化物体，这类荧光粉发光稳定性差、光衰大，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。第三种方法：将红、绿、蓝三色芯片按比例组合使红光、绿光、蓝光混合得到白光。但是，由于这种多芯片型白光LED中各芯片的发光特性随温度的变化曲线差别很大，且各芯片的光衰速度、寿命均不一样，其结果是随着使用时间的增加白光逐渐出现色差，还有控制电路方面的成本也较高，这使得这种获得白光的方法应用受到了很大的限制。

第一、二种方法使用荧光粉与LED组合实现白光的工艺，只需要一种芯片(蓝光或紫外光LED芯片)就可以产生白光，可以通过改变荧光粉的发射波长、荧光粉厚度来调节白光LED的色度、色温等，大大简化了白光LED装置，工艺较为简单，技术成本较低，因此被广泛采用、发展迅速。

就目前的技术水平和制造成本而言，使用最为普遍、技术最成熟的一种是在蓝光GaNLED芯片覆盖一层YAG黄色荧光粉，使蓝光和黄光混合得到白光，掺铈钇铝石榴石（YAG:Ce3+）是制备白光LED用黄色荧光粉的首选。

荧光粉是实现白光LED关键的技术环节之一，荧光粉作为半导体照明技术中的关键材料之一，它的品质直接影响着白光LED的发光亮度、光效、显色指数、色温、光衰及寿命等性能。三、YAG:Ce荧光粉的制备方法

目前白光LED用掺铈钇铝石榴石黄色荧光粉（YAG:Ce3+）的制备方法主要有高温固相反应法、沉淀法、煅烧法、溶胶-凝胶法、水热法等。1.高温固相反应法

制备YAG:Ce荧光粉的传统方法，方法是将符合纯度要求的原料按比例混合，加入一定量的助熔剂研磨均匀后煅烧，发生固相反应后，再研磨得到超微粒子。高温固相法设备简单、工艺简单，所获微粒的晶体质量优良、发光效率高，适合于工业生产，是制备荧光粉应用最早的方法。缺点是高温固相反应合成温度高，反应时间长，生产设备易于损坏，而且荧光粉产品颗粒较粗、硬度较大、粒度分布较宽，且不易得到单相的立方石榴石结构。2.沉淀法

共沉淀法通常是在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合液中加入适当的沉淀剂制备前驱体沉淀物，再将沉淀物进行干燥、锻烧，从而制得荧光粉体的方法。

这种方法的特点为：各种反应物通过溶液态的混合，因而原料具有很高的化学均匀性；生产成本低廉，适合大规模生产；可由严格控制共沉淀过程中的各种工艺参数，如溶液PH值，沉淀剂的种类，滴定的方式，盐溶液的浓度等，获得性能优异的前驱体；由沉淀得到的前驱体可与不同的煅烧后处理工艺结合，得到不同性能规格的产品。3.煅烧法

燃烧法是在传统高温合成方法的基础上发明的新合成方法。它是利用相应金属硝酸盐（氧化剂）和尿素或肼（燃料）的混合物的燃烧反应来合成无机材料。

这种方法制备的荧光粉颗粒小、组成均匀、合成温度低，同时在制备产品的整个过程中，有大量的气体产生，使产物疏松，这些气体具有还原性，对稀土元素起到保护作用，使其不被氧化，因此不必另外通入还原或惰性气体。但这种方法每次能处理的量小，且加入有机物后成本增加。4.溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是新兴的一种湿化学合成方法，利用这种方法制备的发光材料粒径较小，无需研磨，且合成温度低。基本过程就是将无机盐以及金属醇盐或其它有机盐溶解在水或有机溶剂中形成均匀溶液，溶质与溶剂产生水解、醇解或螯合反应，反应生成物聚集成1nm左右的离子并组成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶，凝胶经过干燥、热处理等过程转变成最终所想要得到的产物。

这种方法可以得到化学成份完全均匀分布的前驱物，合成的产品均匀性好、粒径小、纯度高，在后期的固相合成中，形成晶核和扩散反应都较容易。缺点是生产流程过长，以金属醇盐作原料，成本较高、有较大毒性，对人体健康和环境都有害，不符合现在绿色环保的要求，很难产业化。在非氧化物气氛下有机配位体中的碳不易除去，影响体色和发光亮度。5.水热法

水热法是近几年来研究无机发光材料中发明的又一新兴的合成方法。制备工艺主要是将称量的反应混合物溶解后,加热至60~70℃,加入氨水形成胶状沉淀,用蒸馏水洗去酸根离子,将带有沉淀的悬浮物加热浓缩,然后转入高压反应釜中,在240℃恒温箱中恒温数小时,将样品转入蒸发皿内蒸干而得先驱体,再转入坩埚内于一定温度下煅烧即得所需要的荧光材料。上述为常见的制备YAG:Ce荧光粉的方法。它们的主要区别在于前驱体的获得方法不同。共沉淀法和高温固相反应法两种方法是比较常用的方法，也已形成工业化生产。虽然两种方法存在着不足，但这两种方法制备出来的产品比其他方法合成的产品在产业化方面具有很大的优势。四、液相共沉淀法制备YAG荧光粉工艺研究1.前驱体的制备配料溶液标定沉淀陈化脱水清洗干燥检测保存沉淀：反向共沉淀（阳离子混合溶液滴加到沉淀剂溶液中）陈化：8小时以上脱水：真空抽滤系统清洗：去离子纯超水3次，无水乙醇3次干燥：50℃，8小时2.一次烧结烧结粉碎清洗脱水干燥检测烧结：1600℃保温4小时，N2和H2混合气体氛围粉碎：破碎机、球磨机清洗：去离子超纯水3次，无水乙醇3次脱水：离心机干燥：80℃,8小时检测：光谱性能、相对亮度、色品坐标、热稳定性、PH值、电导率、粒度3.二次烧结烧结粉碎清洗脱水干燥检测烧结：1200℃保温4小时，N2和H2混合气体氛围粉碎：破碎机、球磨机清洗：去离子纯超水3次，无水乙醇3次脱水：离心机干燥：80℃,8小时检测：光谱性能、相对亮度、色品坐标、热稳定性、PH值、电导率、粒度二次烧结目的：将四价铈离子还原为三价铈离子，提高发光强度4.包覆处理三次烧结混料：添加一定比例的偏硅酸钠和氯化铵，混料机均匀混合研磨：球磨机充分研磨三次烧结各步骤与一次烧结相同，烧结温度降到1200℃包覆处理目的：在荧光粉颗粒表面包覆一层SiO2，提高荧光粉的发光强度、稳定性和寿命。混料研磨………筛分、入库五、产品的检测1.杭州远方光电信息股份有限公司LED荧光粉综合分析系统：光谱性能、相对亮度、色品坐标、淬灭性2.成都精新粉体测试设备有限公司JL-1177型全自动激光粒度仪：粒度分析3.电导仪：电导率