白光LED用光转换材料

奋斗的小鸟

摘要

随着固态照明向大功率、高亮度、集成化的方向发展，其工作温度常常超过150℃，而传统的固态照明器件通常采用环氧树脂/有机硅脂材料进行封装，这些材料在高温下很容易老化和黄化，从而导致器件性能的严重下降，难以满足实际应用的需求，因此，现阶段亟需研发一种热导率高、量子效率高、化学性能稳定性优异的荧光转换材料。无机荧光转换材料例如单晶、荧光玻璃和荧光陶瓷由于具有高热导率、优异的热稳定性和可重复使用等特性而备受研究人员的关注。
1. 单晶

单晶是一种内在缺陷少，具有高热导率，高量子效率和出色的热稳定性能的无机材料。采用YAG：Ce单晶用于大功率白光照明一直是研究人员研究的热点。例如，Arjoca等人制备了量子效率高达95%且在300℃高温下依然具有良好的热稳定性能的（Y，Lu）AG：Ce 单晶。但是，活化剂在单晶内的浓度低荧光粉一个数量级，因此单晶对光的吸收和发光效率远不如荧光粉。为了解决这个问题，Wang等人在单晶上制造了微阵列来增强单晶的散射能力，结果光源的激发效率由53.2%提升到78.2%。
即使如此，虽然单晶在高密度功率的激光照射下仍然具有优异的热稳定性能和很高的量子效率，但是由于其散射能力差导致单晶的发光效率和发光均匀性并不是很好。单晶在大功率白光LED领域的应用受到一定的限制。
2. 陶瓷

荧光陶瓷是一种具有高热导率，强机械结构和优异的化学物理稳定性等优点，可有效解决光饱和和热猝灭的问题的无机材料。与单晶相比，荧光陶瓷可通过引入第二相（如气孔、Al2O3等）作为散射中心来提高其的发光效率。



气孔和第二相作为散射中心提高光提取示意图

显然，气孔、Al2O3等第二相的引入，控制配方组成及改变烧结制度等措施就可实现。由于室温下，Al2O3 比Ce: YAG有更高的热导率，相似的热膨胀系数，可以在提高系统散热能力的同时不会引起材料的机械接触或者界面分离；与此同时，氧化铝陶瓷折射率为1. 76，相比YAG的( 1. 82) 低，其在陶瓷中作为第二相可有效减小折射率差，进而减少菲涅尔损失，减少热量产生。图8 为气孔和第二相作为散射中心提高光提取示意图。由图可知，散热点的存在使更多的蓝光被吸收，即大于临界角的转换光有可能重新散射回临界椎角，其余则发生全反射，从陶瓷侧面发射。
综上所示，荧光陶瓷具有高量子效率，强散射能力和发光能力强等优点，是一种十分理想的无机荧光转换材料，可应用于大功率白光照明领域。
3.玻璃

虽然陶瓷的各方面性能非常的优异，但是它们较昂贵的造价和复杂的制作方法限制了其在白光LED的应用。与单晶和陶瓷相比，玻璃具有制造工艺简单、成本低、折射率可调、可用于多种荧光粉的封装的优点,因此，玻璃是一种理想的荧光粉封装材料且可以应用在大功率照明领域。但是，大量的研究发现，受限于玻璃的较低的热导率，在高功率密度的激光激发下热猝灭和光饱和效应会使荧光玻璃的光通量逐渐减少，降低荧光玻璃的发光效率。
为解决这个问题，可用具有良好散热性能的衬底（例如蓝宝石或铝）和荧光玻璃相结合来提高其的散热能力研究人员使用50um的蓝宝石作为YAG：Ce荧光玻璃的衬底，实验结果表示，该荧光玻璃展示极佳的热稳定性，在85摄氏度的实验条件下，连续激发1000h以后，其发光效率仅降低4.5%。
3. 小结

综上所述，单晶具有优异的热稳定性能，高量子效率和高热导率的优点，但是其散射性能差导致发光效率低和发光不均匀。荧光陶瓷在具备优异的热稳定性能，高量子效率和高热导率的特性同时还具有良好的散射性能，是一种理想的无机封装材料，但是其复杂的制备过程和较昂贵的造价限制了其的应用。荧光玻璃具有优异的热稳定性能和高量子效率的优点，且制造方法简单，但是其热导率通常较低（约等于1Wm-1K-1）。目前，仍然缺乏一种具有优异的热稳定性能，高量子效率和高热导率且制造方法简单和成本低廉的无机荧光转换材料。因此，白光LED照明用光转换材料依然是一件重要且值得研究的课题。

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