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中科院公布固态照明显示用荧光陶瓷研究进展

2021-06-06    

中国照明网报道

   作者:李江、李万圆、刘欣等  

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导语: 近日,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队在《发光学报》发表了题为“固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展”的综述文章。

  基于发光二极管/激光二极管(LED/LD)的固态照明技术具有高效、节能、环保和集成度高等优点,在工业生产生活、汽车大灯、深海照明和投影显示等领域均具有广泛的应用前景。作为大功率LED/LD照明或显示器件中的荧光转换材料,荧光陶瓷因具有物理化学性质稳定、热稳定性好、发光颜色稳定、易于实现组分优化和结构设计等优势而备受关注。

  近日,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队在《发光学报》发表了题为“固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展”的综述文章。该综述以提升白光LED与LD光源的发光质量与发光效率为出发点,系统地综述了白光及几种单色发光荧光陶瓷在大功率照明和投影显示方面的最新研究进展,阐述了荧光陶瓷中光提取效率、显色指数(CRI)和相关色温(CCT)的优化策略,讨论了激光照明/显示应用中的发光饱和与发光均匀性等问题,对荧光陶瓷在固态照明/显示应用中面临的问题进行了总结,并对其应用前景进行了展望。

  1 引言

  高功率、高亮度固态照明光源在远距离照明和大屏幕投影显示等方面有着广泛的应用,其较高的激发功率密度对荧光转换材料的导热系数和热猝灭性能提出了更高要求。相较于荧光粉、荧光玻璃等荧光转换材料,荧光陶瓷具有更高的热稳定性和发光饱和阈值,能承受高功率入射光源的激发,从而获得高光通量,因此吸引了广大研究人员的关注。单一基质的荧光陶瓷由于缺少红光成分不利于获得高质量(合适的CCT和CRI)的白光,而散射中心的缺失降低了光提取效率和发光均匀性。基于以上问题,通过合适的组分和结构设计获得高质量发光的荧光陶瓷光转换材料成为当前的研究热点,推动了满足多种场景应用下的LED/LD封装器件的发展。

  2 组分、结构设计与发光性能调控

  石榴石结构材料具有刚性结构,易于通过离子取代的组分设计实现对发光中心离子晶体场环境的调控,进而实现光谱调控。作为高功率LED/LD照明用荧光转换材料,典型石榴石结构的YAG:Ce、LuAG:Ce具有宽发射光谱和高量子效率,然而其光谱相对于太阳光(Ra=100)光谱分布较窄,缺失的红光成分导致了高CCT和低CRI。针对该问题的主要设计策略为:(1)掺杂稀土离子如Gd3+,或通过Mg2+-Si4+取代Al3+-Al3+,影响Ce3+的晶格环境,使得晶格常数增大,从而导致Ce3+的5d能级结构劈裂程度增加,实现Ce3+发射峰红移;(2)掺杂Pr3+、Cr3+、Mn2+,与Ce3+发生能量转移产生红光发射峰,并使光谱发生红移;(3)与红色荧光陶瓷复合,以补充红光发射,CaAlSiN3:Eu2+荧光陶瓷结合YAG:Ce可获得高显色指数的白光。相反,对于显示用荧光转换材料,要求其具有窄带的发射光谱和合适的主发射波长,以满足与滤色镜的良好匹配,实现高色纯度和宽色域显示。

  由于荧光陶瓷与空气间较大的折射率差,如图1所示,造成陶瓷中的光传播路径中存在一个临界锥角(θcrit),大于该角的转换光会被界面全反射而无法出射。而对于激光照明应用,高方向性的入射蓝光无法被充分散射,造成较低的吸收转换效率和局部蓝光成分较高的发光均匀性问题。通过引入光学散射中心(例如Al2O3颗粒、气孔等)可以减轻内全反射(TIR)效应,使得转换光以合适的角度出射,提高光提取效率,并延长了入射蓝光的传播路径,增加发光中心被蓝光激发的概率,从而进一步提高荧光陶瓷的发光效率。此外,散射中心的存在可充分散射蓝光,减少转换光的侧向发射,并且可以约束光斑尺寸,提升光分布的均匀性和光束的方向性,对于高发光质量的激光照明/显示应用具有重要意义。


图1 荧光陶瓷中入射蓝光与转换光的传输路径:(a)单相陶瓷,(b)引入光学散射中心后的复相陶瓷。

  荧光陶瓷在高功率密度蓝光LD激发下往往伴随强烈的热致发光饱和效应,通过研究热饱和机理和热管理,可实现超高功率密度激发下的高光通量的光输出。研究发现荧光陶瓷的发光饱和阈值主要由发光中心浓度、基质组成以及几何尺寸决定,选择合适的激活离子浓度以控制产热过程、选择具有高热猝灭性能的基质(如LuAG)以抵抗热积累下的发光强度下降、并根据器件结构控制合适的陶瓷厚度以提高散热能力,可显著提升荧光陶瓷的发光饱和阈值,是设计高效、稳定的颜色转换器的有效策略。实际应用中可同时结合光散射和提升热导率两方面,引入高热导率的第二相(如Al2O3),控制复相荧光陶瓷中的光提取和热管理,对于设计和制备高光效、热稳定的颜色转换体具有重要的指导作用。

  3. 展望

  总之,荧光陶瓷作为一种高效稳定的颜色转换材料,允许通过离子掺杂、微结构设计(如孔隙、第二相、晶粒尺寸)、改变厚度和表面状态等手段实现不同应用场景下性能的调控。因具有物理化学稳定性好、热稳定性好、发光颜色稳定的优势,在工业生产生活、汽车大灯、深海照明和投影显示等应用领域具有相当重要的地位。当前对于荧光陶瓷的组分设计和第二相结构设计,或多或少以损失发光效率和量子效率为代价,需要根据应用需求进行精细调控,以实现各个发光参数之间的平衡。应用于激光照明的荧光陶瓷面临着高温热负荷的巨大挑战,根据对热饱和机理的探索,产热少、散热好且热稳定性高是新型荧光转换材料的重要标准。还需要进一步设计和制备出高量子效率、低热猝灭性能的荧光陶瓷,实现在更高功率密度下不发生发光饱和的稳定发光。

  作者简介

  李江,研究员/博士研究生导师,2007年于中国科学院上海硅酸盐研究所获得博士学位。现任中国科学院上海硅酸盐研究所透明陶瓷研究中心副主任,美国陶瓷学会期刊International Journal of Applied Ceramic Technology副主编、Magnetochemistry国际编委、《无机材料学报》编委,《中国稀土学报》(中、英文版)、《发光学报》、中国激光杂志社、《人工晶体学报》、和Journal of Advanced Ceramics等青年编委。目前主要从事光功能透明陶瓷(包括激光陶瓷、闪烁陶瓷、磁光陶瓷、照明/显示用荧光陶瓷、长余辉发光陶瓷等)的基础与应用研究。受邀在国内外重要学术会议上做邀请报告50次,10余次担任分会主席。以项目负责人承担JPPT项目、JG863项目、国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点项目、装发预研公用技术项目等20余项。迄今在国内外重要学术期刊上发表论文340余篇(其中SCI收录290余篇,第一作者及通讯作者200余篇);合著专著《高温结构陶瓷研究浅论》和《先进光功能透明陶瓷》2部(科学出版社);合译专著《发光材料》1部(高等教育出版社);参与2部英文专著《Modern Inorganic Synthetic Chemistry》(Elsevier出版社)和《Processing of Ceramics: Breakthroughs in Optical Materials》(Wiley出版社)的部分章节。

  论文信息

  李江, 李万圆, 刘欣, 等. 固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展[J]. 发光学报, 2021, 42(5):580-604. DOI:10.37188/CJL.20200402.

编辑:严志祥

来源:发光学报

   作者:李江、李万圆、刘欣等  

标签:中科院  固态照明显示  荧光陶瓷  

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