LED用发光材料的研究进展及应用前景

114LED用发光材料的研究进展及应用前景学生：刘丹指导老师：张慧娟三峡大学理学院摘要：白光LED具有绿色环保、寿命超长、高效节能、抗恶劣环境、结构简单、体积小、重量轻、响应快、工作电压低及安全性好的特点，因此被誉为继白炽灯、日光灯和节能灯之后的第四代照明电光源，或称为21世纪绿色光源。本课题通过调研LED用荧光粉的发光原理、发光材料、研究进展及发展前景相关文献，展现半导体技术的基本知识、LED的发光原理和基本特征、发光材料所用的荧光粉的材料和特性，并进一步阐述了LED用发光材料的研究现状、在目前研究中所面临的各种问题，以及今后的发展趋势。Abstract：ThewhiteLEDsdonoharmtoenvironment,haveasuper-longnaturallife,hightransformefficiency,canbearabominablycircumstance,simplestructural,lessvolume,lightweight,swiftnessrespond,workinalowvoltageandgoodsecurity,sotheyhavebeentranscribedtobethe4thlightingelectricitylamp-housefollowedincandescents、fluorescentlampsandeconomylamps,ortobegreennesslamp-housein21thcentury.ByrefertotheliteraturesaboutluminescenceprinciplesoffluorescencepowderuseinLEDs、luminescentmaterials、reachheadwaysandevolutiondirections,wecanexhibitbasicinformationaboutsemiconductortechnology、luminescenceprinciplesandbasiccharactersofLEDs、materialsandcharacteristicsoffluorescencepowderuseinluminescentmaterials，moreexpatiationsaboutresearchactualityofluminescentmaterialsuseinLEDs、problemsincurrentlyresearch,andevolutiondirectionsinthefuture.关键词：稀土；发光；发光材料；LED；荧光粉；半导体Keywords：rareearth；luminescence；luminescentmaterials；LED；fluorescencepowder；semiconductorLED作为21世纪令人瞩目的新型光源，在照明与显示领域前景广阔。尤其现在被广泛研究的白光LED，由于其体积小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、光色接近白炽灯光色、低压驱动、无汞和铅的污染等优点,将发展成为可用来代替白炽灯和荧光灯的主要绿色光源。而LED用荧光粉是LED光源的重要的组成部分，其研究进展对LED光源的发展有重要意义。2141LED发光原理及特点LED（LightEmittingDiode），即发光二极管。是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料。当两端加上正向电压，半导体中的少数截流子和多数截流子发生复合，放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫、白色的光。1.1多变幻：LED光源可利用LED在电流瞬间通断发光无余辉和红、绿、蓝三基色原理，并发挥我们多年对LED显示屏控制技术的研究，采用LED显示屏控制技术实现色彩和图案的多变化，是一种可随意控制的动态光源。高节能：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率达90%以上，同样照明效果比传统光源节能80%以上。寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，因此无灯丝发光易烧、热沉积等缺点。工作电压低，使用寿命可达5万到10万小时，比传统光源寿命长5倍以上。利环保：冷光源、眩光小，无辐射，不含汞元素，使用中不发出有害物质。高新尖：与传统光源比，LED光源融合了计算机、网络、嵌入式控制等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。1.2光源术语光通量（lm）：光源每秒钟发出可见光量之总和。例如一个100瓦（w）的灯泡可产生1500流明（lm），一支40瓦（w）的日光灯可产生3500lm的光通量。发光强度（cd）：光源在单位立体角度内发出的光通量，也就是光源所发出的光通量在空间选定方向上分布的密度。光强的单位是坎特拉（cd），也称烛光。如：一单位立体角度内发出1流明（lm）的光称为1坎特拉（cd）。色温（k）：以绝对温度（k=℃+273.15）K来表示，即将一黑体加热，温度升到一定程度时，颜色逐渐由深红-浅红-橙红-黄-黄白-白-蓝白-蓝变化。当某光源与黑体的颜色相同时，我们将黑体当时的绝对温度称为该光源的色温。如：当黑体加热呈现深红时温度约为550℃，即色温为550℃+273=823K。光效（lm/w）：光源发出的光通量除以所消耗的功率。它是衡量光源节能的重要指标。显色性（ra）：光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性。也就是颜色的逼真程度。国际照明委员会CIE把太阳的显色指数（ra）定为100。各类光源的显色指数各不相同,如：白炽灯ra≥90，荧光灯ra=60～90。平均寿命：光源在正常使用过程中，其中有50%的光源损坏时的时间。发光二极管是一种将电流顺向通到半导体p-n结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。1962年GE（GeneralElectric）公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED的光通量为0.1lm/W，约是普通灯光的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近，蓝色、绿色LED已实用化，其发光强度超过AlGaAs类红色LED。这种LED采用氮化物半导体（InGaN混晶）作活性（发光）层的量子阱结构，其发光强度超过10cd，量子效率超过20%。此外，还开发了外部量子效率超过50%的AIInGaP红色LED（630nm）和琥珀--LED（595nm）。InGaN绿色、蓝色LED314的量子效率也接近上述值。坎德拉（cd）是发光强度的单位，用以表示可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量Φ和立体角Ω表示。I=dΦ/dΩ[cd]Φ=Km∫V（λ）Pλdλ[lm]其中，Km为在波长555nm范围内的最大可见度（683nm），绿色对人眼是最亮的。V（λ）是在波长为λ时的相对可见度[V(555nm)=1],Pλ为光谱辐射通量。白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色LED芯片上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片周围密封。两种方式（单芯片型和多芯片型）可得到色调效果好（Ra85）的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色（R.G.B）或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷，而且在温度特性或器件寿命上也存在问题，因此距实用化还有一段距离。第二种方式则用一个器件即可，驱动电路，易于设计。有两种激励方式：即（1）用蓝色LED激励发黄光的荧光体。（2）用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组拿来不同可发射白光以外的各种颜色的光，因而可广泛应用于照明。如前所述，每一个LED的光通量（lm）很弱，要作为照明光源必须配置多个LED。而开发LED照明用光源，则必须对包括多个LED集成器件光分布在内的装置系统进行优化设计，经外，研究人员还必须参加半导体发光器件和照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而，现在单芯片型InGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅外于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究，但难以实现一样的混色，故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室水平的发光效率已超过40lm/W，近几年内可望超过100lm/W。作为荧光体激励光源的多量子阱（MQW）LED的外部量子效率已提高了20%其温和色调优异。受YAG荧光体寿命影响的白色LED的寿命已超过数万小时。用具有上述优异特性的炮弹型LED在玻璃状环氧基板上以大约7mm间隔串联41个LED，并将17列并联，一共用697个。白色LED装置使用商用电源AC100V，60Hz及全波整流后的稳压电源（电容输入型整流电流）。为减少LED器件的耗电量，整流后电源的波形变动量大峰值电压为143V，最小电压为126V。在此状态下，各LED上施加电压最大约为3.49V，最小约为3.07V时，电流值最大约为17mA，最小为3mA，耗电约为20W。图1为用41个LED组成的照明器具。图2表示了AC100V，120Hz驱动时的发光光谱，该光谱与直流顺向发光光谱特性相一致。用灯座插入方式，距发光面30cm处的光照度约为1200lx，耗电约为1W。无论哪种光源都无需装配冷却装置。2LED光源的基本特征1发光效率高LED经过几十年的技术改良经过几十年的技术改良，LED经过几十年的技术改良，其发光效率有了较大的提升。白炽灯、卤钨灯光效12-24流明／瓦的提升。白炽灯、卤钨灯光效12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部光灯50～70流明／瓦，，50～90流明／分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／分的耗电变成热量损耗。而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效方面的研究，LED光效方面的研究加紧提高LED光414效方面的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。效率将有更大的提高。2耗电量少LED单管功率单管功率0.03～0.06瓦，采用直流驱单管功率0.24～0.48瓦，单管驱动电压1.5～3.5伏，电流15～18毫安。同样照明效果的情况下，反应速度快，可在高频操作。同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一，运行成本大幅下降。日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的日本估计，LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯。每年可节约相替代日本一半的白炽灯和荧光灯。替代日本一半的白炽灯和荧光灯当于60亿升原油就桥梁护栏灯例，亿升原油。当于亿升原油。就桥梁护栏灯例，同样效果的一支日光灯40多瓦而采用LED每支的功率只有瓦，而多瓦，每支的功率只有8瓦日光灯多瓦，而采用每支的功率只有且可以七彩变化。与传统的荧光灯相比，LED照明以高达50,000小时的使用寿命为特色，而荧光灯只有13,000-18,000小时，并且具有3倍的灯光一致性，具有一般荧光灯不能配备的调光及循环能力，更节能。当然，节能是我们考虑使用LED光源的最主要原因，也许LED光源要比传统光源昂贵，但是用一年时间的节能收回光源的投资，从而获得4～9年中每年几倍的节能净收益期。LED寿命长达10万小时，意味着每天工作8小时，可以有35年免维护的理论保障。3使用寿命长LED光源有人称它为长寿灯意为永不熄灭的灯。光源有人称它为长寿灯，LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。而对LED来说，发光效率能够达到白炽灯的到10来说，而对来说发光效率能够达到白炽灯的5到使用寿命可达到5万到10万小时，也就是5年到10年的时间，正常情况下正常使用5年无须维修。此免除频繁换灯之苦，其维护成本可大为降低。4安全可靠性强发热量低，没有紫外辐射,无热辐射冷光源，无热辐射，发热量低，没有紫外辐射无热辐射，冷光源，可以安全抵摸：能精确控制光型及发光角度，光色柔和，可以安