7--荧光粉、LED封装

7荧光粉、LED封装及固体照明发展趋势与展望电子自高能级跃迁至低能级时可发出光，＞10s为荧光物质＜10s为磷光物质荧光产生过程：-8-8一般不分。其延迟时间因为热能振动荧光粉会产生很多波长的光谱：使用普遍的YAG（yttriumaluminumgarnet）Y3Al5O12：Ce吸收蓝光（460nm）后跃迁到5d′，然后电子由5d′（激发态）跃迁至4f′（低能级）产生520nm和580nm的荧光。3+Y3Al5O12：Ce被340nm弱紫外及460nm高强度蓝光激发，辐射出宽的520nm和580nm发射光谱：3+YAG中的Y可以掺杂Gd，而Al可掺杂Ga，形成（Y1-aGda）3（Al1-bGab）5O12：Ce的荧光粉，用激发光450~480nm可以得到510~580nm的辐射光谱。非常适合作蓝光，LED的黄色荧光粉。当激发光波长为450nm时，增加Gd，波长蓝移；增加Al波长红移。3+当a=0时改变b；以及当b=0时改变a，YAG的激发光谱和发射光谱：当a=0时改变b；以及当b=0时改变a，YAG的激发光谱和发射光谱：增加Ga时，Ce在能带中的位置变迁，ΔE减小，所以受温度影响大：3+增加Ga时，Ce在能带中的位置变迁，ΔE减小，所以受温度影响大：将YAG中的Y改成Tb（TAG），在470nm蓝光激发时，发射光谱波长红移：当Tb含量增加时发射光强度受温度影响显著：同样增加Gd时发射光的强度也会受温度的影响：G.Hofler等人的蓝光LED与YAG做成的白光LED其CCT与视角的关系（CCT不均匀）：C.J.Summers等人为加强红色加入Pr得到610nm的红光，加Ga蓝移，加Gd红移：T.Taskar等人YAG做成小颗粒（NIC），平均4nm，以减少光的发散和光吸收。其大小分布为：小颗粒（YAG）荧光粉的PLE及PL光谱图：TAG颗粒荧光粉在CIE色度图中的位置：其他荧光粉的发展情况：①C.J.Summers等人用三种荧光粉CaMgSiO2W：Eu蓝色；SrGa2S4：Eu绿光；SrS：Eu红光：含硫荧光粉不稳定，将荧光粉外层涂上小颗粒，以增加荧光粉的寿命：Summers等人用含氮材料AE2Si5N8：Eu（AES）作荧光粉，可得到红光：2+荧光粉AE2Si5N8：Eu（AES）发射光光谱红光：2+Summers等人又建议用含氮稀土及氮与氧化物（Si,Al）2（O,N）16掺杂稀土如：SrS：Al2O3N2：RE得到480nm蓝光。②刘如熹、纪亮胜做成不同掺杂浓度的（Ba1-xEux）MgAl10O17和（Ba1-x-yEuxSry）MgAl10O17蓝光荧光粉；用（Ba1-xEux）（Mg1-yMy）Al10O17：Eu和掺杂Sr（Ba0.88SrEu0.12）（Mg0.65M0.35）Al10O17绿光荧光粉；用Eu2O3、BaMgAl10O17：Eu、Y2O3：Eu红光荧光粉，得到不同波长的红光。2+3+2+用含Bi的（Y2-x-yEuxBiy）O3可得到495nm的光。用这些红、绿、蓝荧光粉混合而成的白光，其CCT=6722K；Ra=83。用红、绿、蓝加黄荧光粉混合而成的白光，其CCT=6402K；Ra=94。③E.DelaRosa等人在ZnO2中掺杂Sm及Er做成荧光粉。Sm及Er在ZnO2能带图中的能级，图中并有可能的能量转换机制：3+3+3+3+Sm及Er在ZnO2能带图中的能级，图中并有可能的能量转换机制：3+3+ZnO2被320nm紫光激发的光谱图：ZnO2：Eu被962nm红外光激发的光谱图：3+④R.Mueller-Mach等人用SrGa2S：Eu（TG）做绿色荧光粉时发现LED不受电流的影响：2+用绿色荧光粉做成的LED发射光波长不受激发光波长的影响：若绿光LED是用磊晶法直接做成的，则发射光谱受温度、电流的影响（而用荧光粉做成的LED其波长不受温度影响）：直接绿光LED（当电流由10mA增加至2A时，波长由520nm增至535nm），当温度由25℃上升至125℃波长由325nm增至529nm：绿光LED及荧光粉产生的绿光LED发光强度与温度的关系：用荧光粉做成最佳绿光（535nm）LED的性能：⑤F.Hide等人用MEH-PPV及EuEH-PPV做成荧光粉，其激发光谱（PL）及吸收光谱：用蓝色LED所激发的光谱：两种聚合物的CIE色度图：⑥Sandisd公司的L.E.SheaRohwer等人将CdS/ZnS及CdSe/ZnS量子点做成蓝光及白光，其量子点光谱：CdS量子点是用Cd（NO3）2和（NH4）2S在THF溶液中反应而成；再做成直径10nm，厚2.5nm的圆碟。CdS的PL图：CdSQD受20mA、3.67V功率激发时的光谱（54%是可见光）：没有QD的LED光谱（输出功率11.4mW）：蓝绿光QDLED光谱在20mA、3.67V时的光谱（83%是可见光）：白色CdSQD受370nm激发的光谱（图中并有GE公司软白色荧光粉被245nmHg激发的光谱）：荧光粉的制造方法：1、固体反应法；2、均匀共沉法；3、溶胶凝胶法；荧光粉种类：P246蓝色绿色红色橙色7.2发光二极管的封装采用改良的散热方法，可用大电流得到1~5W的输出功率。一般5nmLED和Luxeon公司的封装构造：比较5mmLED与Luxeon公司高功率LED的外部量子效率及光强度与电流的关系：Nichia公司的高功率LED封装图（可达到1.3W）：F.Wall等人将5mmLEDLuxeonLED及白炽灯、HID灯的光特性E′tendue作比较：E′tendue=πAnsinθA----面积；n----附近材料折射率；θ----辐射角。由表可知加上环氧树脂封装增加光强度：22做成阵列，虽然光强度增加，但亮度仍然一样：LED需要适当封装以增加亮度：当驱动功率增加时光输出功率、发光效率、色温均增加，F.Wall预测白光性能与时间的关系：不同LED的光输出功率与热电阻特性：G.E公司的M.Arik等人将散热叶片用在散热器上，其最高温度、热电阻、与散热叶片高度的关系：当叶片高度超过3英寸时最高温度与传到系数的关系：E.Hong等人研究了一批AlGaInPLED的结温与波长的关系（直线关系）：波峰改变与结温度的关系（直线关系，由此测得波长的变化就可知pn结的温度）：Y.Gu等人研究的蓝光GaNLED在不同周围温度时波峰与结温度的关系：YAG：Ce荧光粉产生白光及450nm蓝光相对输出与温度的关系：Y.Gu等人研究蓝光LED在不同结温度时结温度与周围温度（W/B）的关系（直线关系）：一般商品波长不同，又研究了466nm、461nm、460nm结温度与周围温度（W/B）的关系：C.Zweben为了得到好的封装将一般半导体、陶瓷衬底及光纤特性列于表中：常用封装材料特性：低热膨胀系数、低及中等热传导的先进封装材料：N.Narendran等人测量不同颜色LED的生命周期：高功率白光的生命期对比增加很多：F.M.Steranks等人比较高功率蓝光LED、5mm白光LED等的生命周期：7.3固体照明发展趋势与展望美国光电工业发展协会（OIDA）计划中白光LED的预期进展如图：T.Taguchi等将日本Akari计划中外部量子效率及发光效率的年代列于图中，期望达到120lm/W：目前最佳商用InGaN及InGaAlPLED资料图：不同波长的转换效率：要达到发光效率150lm/W时，InGaN及InAlGaPLED在不同波长时效率需要改进的倍数（2~5倍以上）：Agilent公司用蓝光LED及用蓝光加YAG做成的白光LED的发光效率绘制在图中：目前好的蓝光LED的ηint与可能达到的最高ηint描绘在图中：InGaNAl及GaInPLED在不同波长时可以得到的ηint：OIDA2007年发光效率达到70lm/W时，以及2012年达到120lm/W时可能节省的能源：比较钨丝灯、日光灯及日光灯及LED的性能、生命期及成本：F.Wall发表白光及红光LED历年来光强度的增加及成本降低与年代的关系，并推测以后的趋势：