基本信息
- 项目名称：
- 高显色性白光LED稀土发光材料开发与应用
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品采用非常简便的制备工艺成功地合成了一系列高效、高显色性的白光LED稀土发光材料。所制备的红色荧光体的发光强度高，化学稳定性好，避免了目前商业上普遍使用的硫化物红色荧光体存在的易潮解，不稳定的问题；蓝色发光粉的发光强度达到88 lm/W，绝对量子效率达到38.1%，发光效果高于目前一般商业用蓝色荧光粉；所制备的发光玻璃透明稳定，其激发光谱比目前商业用发光玻璃的激发光谱明显拓宽，紫外光区的有效吸收明显增强，大大拓展了发光玻璃的使用范围。另外，该作品通过原位聚合的方法，对商业用硫化物荧光粉进行了包覆，显著地提高了其物理化学稳定性，在包覆过程成中适当的氧化物纳米粒子的加入可以明显改善包膜层的物理机械性能。
- 详细介绍：
- 目前，节能和环保是当今世界各国普遍关注的问题。照明领域正经历着一场席卷全球的革命，半导体LED作为第四代照明光源，发光效率是白炽灯的10倍，寿命是白炽灯的100倍。以节能、高可靠性、无汞等无以替代的优势已经渗透进我们的生活，并将在一个不长的时期内成为照明的主流。美国、日本、欧洲等国家和地区均已开始实施半导体照明计划。我国于2003年6月由科技部联合信息产业部、中科院等部委和11个地方政府启动了国家半导体照明计划，2007年已实现了从芯片到应用产品的产业链的全部产业化。预计到2010年我国LEDs的产业规模将达到1000亿元，是2007年中国电光源产业规模的3倍多。 但是，目前白炽灯的光效为约17 lm/W，荧光灯的光效大约是90 lm/W，而白光LEDs光效只有30-40 lm/W，仅为理论值的1/10，且生产成本高，显色性也不理想。所以，白光LED具有很大的发展空间，也面临严峻的技术挑战。白光LED的产生有两种途径（如图1）：第一种方法就是将红、绿、蓝三种LED组合产生白光；第二种方法是用LED去激发其它发光材料混合形成白光，即用蓝光LED配合发黄光的荧光粉，或者用蓝光LED配合发绿光和发红光两种荧光粉，或者用紫光或紫外LED去激发红、绿、蓝三种荧光粉等。从目前的发展趋势来看，在可行性、实用性和商品化等方面，第二种方法都远远优于第一种方法，因此合成具有良好发光特性的特殊发光材料相当关键。当前白光LEDs主流方案是InGaN蓝色LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石黄色荧光体组合，但是，该方案实现低色温(<4000K)、高显色性白光LEDs照明有较大难度，因为黄色荧光体的发射光谱中缺少有效的红光成份。5000 K以上的高色温商品，显色性差，难以满足市场要求。硫化物系列荧光粉CaS:Eu2+和SrS:Eu2+体系其发射主峰分别为650 nm和620 nm，是目前白光LED中应用最广泛的红色荧光粉。但是该系列荧光粉有着严重缺陷，化学性能不稳定，易潮解，使其应用受到很大的限制。另一方面，紫外激发的白光LED广泛使用BaMgAl10O17:Eu2+蓝色荧光材料，然而该材料制备工艺复杂，烧结温度高(1200oC以上)，还需二次烧结，得到的荧光粉体颗粒较大，需要长时间研磨。同时，容易受到热降解和真空紫外破坏的侵害，引起亮度损失。 本作品采用非常简便的制备工艺成功地合成了一系列高效、高显色性的白光LED稀土发光材料。所制备的红色荧光体的发光强度高，化学稳定性好，避免了目前商业上普遍使用的硫化物红色荧光体存在的易潮解，不稳定的问题；蓝色发光粉的发光强度达到88 lm/W，绝对量子效率达到38.1%，发光效果高于目前一般商业用蓝色荧光粉；所制备的发光玻璃透明稳定，其激发光谱比目前商业用发光玻璃的激发光谱明显拓宽，紫外光区的有效吸收明显增强，大大拓展了发光玻璃的使用范围。另外，该作品通过原位聚合的方法，对商业用硫化物荧光粉进行了包覆，显著地提高了其物理化学稳定性，在包覆过程成中适当的氧化物纳米粒子的加入可以改善包膜层的机械性能。该项目作品开发的发光材料应用于白光LEDs可以明显的改善其显色性。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 一.设计发明目的： 开发高效高显色性的白光LED发光材料和工艺技术。 二.基本思路： 1)选用合适的激活剂和稳定的基质以合成高效稳定的发光材料并使材料微细化；2)利用沸石分子筛的孔道结构避免激活剂离子团聚，制备高发光性能的材料；3)调节沸石的组成，改善发光玻璃的发光性能和透明性；4)对商业用硫化物荧光粉包膜，提高其稳定性。 三.创新点： 1.首次成功地合成了Pr掺杂的钼酸盐红色荧光粉，该材料发光效率高，稳定性大大优于硫化物。 2.采用溶胶凝胶、水热等多种制备技术使材料纳米化，显著地提高了LED出光效率。 3.首次提出以沸石为原料，通过离子交换法引入激活剂离子，再经固相法制备发光材料的合成路线。 4.所研制的发光玻璃有宽的激发带，可有效吸收LED芯片的近紫外发射，拓展了发光玻璃的使用范围。 5.设计了发光玻璃-LED芯片组成的白光LEDs方案，直接把发光玻璃覆盖在LED芯片上，可避免封装材料性能劣化，简化了工艺流程。 6.采用原位聚合法成功地对商业用硫化物荧光粉进行了表面包覆，大大的提高了其物理化学稳定性。 四.技术关键和主要技术指标： （一）技术关键 a)选择合适的基质和激活剂离子;b)开发简便、环保的制备技术。 （二）主要技术指标 a)发射光谱满足白光要求;b)激发光谱与LED芯片发射光谱匹配;c)温度猝灭特性优良;d)物理化学及光学性能稳定;e)颗粒微细
科学性、先进性
- 当前白光LEDs发光效率低，显色性不理想。硫化物系列荧光粉发光效率高，但其化学性能不稳定，易潮解；BaMgAl10O17:Eu2+作为主要的蓝色荧光材料制备工艺复杂，烧结温度高，颗径大；另外，大颗粒荧光粉的折射率与LED的硅胶折射率不匹配在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率；此外，LED芯片在使用时其热效应导致封装材料性能劣化也一直是困扰白光LED的一个难题。与现有技术相比本作品具有粒径小、物理化学性能稳定、发光效率高、显色性好、发光玻璃可直接应用等五大突出优点。 该作品经上海图书馆文献服务部检索查新并通过××大学实验测试中心和上海莱凯特种化学品有限公司的检测。开发的荧光材料具有很好的新颖性；发光材料发光效率、显色指数、光衰等综合性能达到国际先进水平。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品已经通过上海莱凯特种化学品有限公司和××大学分析测试中心多项性能测试。 作品在J.Mater.Chem.等国际著名SCI期刊上发表了3篇相关学术论文。 2008.6 获得××大学“挑战杯”孵化项目 重点项目 2009.5 获得××大学科研立项项目 重点项目 2009.6 获得第十一届上海市大学生课外学术科技作品竞赛一等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 该作品已与上海莱凯特种化学品有限公司、福纳稀土新材料有限公司和科润光电材料有限公司达成技术合作协议。
作品可展示的形式
- 实物、产品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1.使用说明 A.粉体发光材料分散到树脂中，然后再封装在白光LEDs芯片上。 B.发光玻璃可直接覆盖在白光LEDs芯片上，或加工成各种形状的器件用于展示等其他领域。 2.技术特点和优势 稀土元素具有特殊的4f能级和优异的发光性能，该技术满足生产节能、发光高效的要求。生产工艺简单、原料廉价易得，设备投入成本低，便于工业化生产。此外生产过程绿色环保，不产生“三废。 3. 市场分析和经济效益预测： 白光LEDs是低能耗、高效益产业。据专家分析，如果中国现有白炽灯的1/3被LED照明取代，每年可为国家节约用电1000亿千瓦，相当于一个三峡工程的发电量。当前LEDs产品推广速度惊人，2008年全球的LEDs市场比4年前增加了将近75%，达56亿美元；而我国预计到2010年我国LEDs的产业规模将达到1000亿元。今年上海将再向社区和家庭推广400万只节能灯。该市计划组织区县经委，在企业、居民用户等采用照明产品集中的场所示范推广。因此本作品成果推广应用前景十分广阔。
同类课题研究水平概述
- 目前国内外已经开发出多种白光LEDs用发光材料。Nakamura et al.首先用黄光(YGd)3Al5O12:Ce(YAG:Ce)荧光体与455nm蓝光LED芯片结合得到白光LEDs，这种白光LEDs有高的发光效率，比红、绿、蓝光芯片组成的白光LEDs的成本低得多。但是，由于缺少有效的红光成分，YAG:Ce-白光LEDs显色指数Ra只有80左右。Wu et al 将绿光和红光硫化物荧光体预先涂覆在蓝光LED芯片上，白光LEDs的光色性质有所改进，但是，红光发射的硫化物化学性质不稳定，随着使用电流的增加，出现荧光饱和现象。Xie at al.用发射绿光和红光的氮化物制作白光LEDs，但是氮化物荧光体合成时需要有高的烧结温度和氮气压力，荧光体颗粒大，生产成本高。Won et al. and Kim et al.用三基色单相荧光体涂覆在近紫外LED芯片上制作白光LEDs，但是，由此组成的白光LEDs发光效率低。最近，Jang and Ho et al.[10-11]报道一种发射宽带黄光掺杂Pr3+离子的Sr3SiO5:Ce3+,Li+荧光体，或者在Sr3SiO5:Ce3+,Li+荧光体中加入高质量的CdSe QDs量子点，这种荧光体的发射波长可以通过改变Ce3+的浓度从500nm精细调节到650nm，由于有效增加了红光成分，蓝光LED-Sr3SiO5:Ce3+,Li+的白光LEDs的发光效率达到30 lm /W，显色指数可以达到87，色坐标为(0.2904, 0.2900), 色温 (Tc) 达到 8864 K，基本满足照明需要。但是，材料的光热稳定性不高，白光LEDs的光效和显色性问题并没有解决。另外，常用荧光粉颗粒度为8-10μm，折射率≥1.85，而当前用于LED的硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm)，因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。除此之外，LED芯片的热效应导致封装材料(环氧树脂或有机硅)性能劣化，荧光体温度猝灭也一直是困扰白光LEDs的一个难题。
