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基本信息

項(xiàng)目名稱：
高顯色性白光LED稀土發(fā)光材料開發(fā)與應(yīng)用
小類：
能源化工
簡介：
本作品采用非常簡便的制備工藝成功地合成了一系列高效、高顯色性的白光LED稀土發(fā)光材料。所制備的紅色熒光體的發(fā)光強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，避免了目前商業(yè)上普遍使用的硫化物紅色熒光體存在的易潮解，不穩(wěn)定的問題；藍(lán)色發(fā)光粉的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到88 lm/W，絕對量子效率達(dá)到38.1%，發(fā)光效果高于目前一般商業(yè)用藍(lán)色熒光粉；所制備的發(fā)光玻璃透明穩(wěn)定，其激發(fā)光譜比目前商業(yè)用發(fā)光玻璃的激發(fā)光譜明顯拓寬，紫外光區(qū)的有效吸收明顯增強(qiáng)，大大拓展了發(fā)光玻璃的使用范圍。另外，該作品通過原位聚合的方法，對商業(yè)用硫化物熒光粉進(jìn)行了包覆，顯著地提高了其物理化學(xué)穩(wěn)定性，在包覆過程成中適當(dāng)?shù)难趸锛{米粒子的加入可以明顯改善包膜層的物理機(jī)械性能。
詳細(xì)介紹：
目前，節(jié)能和環(huán)保是當(dāng)今世界各國普遍關(guān)注的問題。照明領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場席卷全球的革命，半導(dǎo)體LED作為第四代照明光源，發(fā)光效率是白熾燈的10倍，壽命是白熾燈的100倍。以節(jié)能、高可靠性、無汞等無以替代的優(yōu)勢已經(jīng)滲透進(jìn)我們的生活，并將在一個不長的時期內(nèi)成為照明的主流。美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)均已開始實(shí)施半導(dǎo)體照明計(jì)劃。我國于2003年6月由科技部聯(lián)合信息產(chǎn)業(yè)部、中科院等部委和11個地方政府啟動了國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃，2007年已實(shí)現(xiàn)了從芯片到應(yīng)用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈的全部產(chǎn)業(yè)化。預(yù)計(jì)到2010年我國LEDs的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到1000億元，是2007年中國電光源產(chǎn)業(yè)規(guī)模的3倍多。 但是，目前白熾燈的光效為約17 lm/W，熒光燈的光效大約是90 lm/W，而白光LEDs光效只有30-40 lm/W，僅為理論值的1/10，且生產(chǎn)成本高，顯色性也不理想。所以，白光LED具有很大的發(fā)展空間，也面臨嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn)。白光LED的產(chǎn)生有兩種途徑（如圖1）：第一種方法就是將紅、綠、藍(lán)三種LED組合產(chǎn)生白光；第二種方法是用LED去激發(fā)其它發(fā)光材料混合形成白光，即用藍(lán)光LED配合發(fā)黃光的熒光粉，或者用藍(lán)光LED配合發(fā)綠光和發(fā)紅光兩種熒光粉，或者用紫光或紫外LED去激發(fā)紅、綠、藍(lán)三種熒光粉等。從目前的發(fā)展趨勢來看，在可行性、實(shí)用性和商品化等方面，第二種方法都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于第一種方法，因此合成具有良好發(fā)光特性的特殊發(fā)光材料相當(dāng)關(guān)鍵。當(dāng)前白光LEDs主流方案是InGaN藍(lán)色LED芯片和Ce3+激活的稀土石榴石黃色熒光體組合，但是，該方案實(shí)現(xiàn)低色溫(<4000K)、高顯色性白光LEDs照明有較大難度，因?yàn)辄S色熒光體的發(fā)射光譜中缺少有效的紅光成份。5000 K以上的高色溫商品，顯色性差，難以滿足市場要求。硫化物系列熒光粉CaS:Eu2+和SrS:Eu2+體系其發(fā)射主峰分別為650 nm和620 nm，是目前白光LED中應(yīng)用最廣泛的紅色熒光粉。但是該系列熒光粉有著嚴(yán)重缺陷，化學(xué)性能不穩(wěn)定，易潮解，使其應(yīng)用受到很大的限制。另一方面，紫外激發(fā)的白光LED廣泛使用BaMgAl10O17:Eu2+藍(lán)色熒光材料，然而該材料制備工藝復(fù)雜，燒結(jié)溫度高(1200oC以上)，還需二次燒結(jié)，得到的熒光粉體顆粒較大，需要長時間研磨。同時，容易受到熱降解和真空紫外破壞的侵害，引起亮度損失。 本作品采用非常簡便的制備工藝成功地合成了一系列高效、高顯色性的白光LED稀土發(fā)光材料。所制備的紅色熒光體的發(fā)光強(qiáng)度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，避免了目前商業(yè)上普遍使用的硫化物紅色熒光體存在的易潮解，不穩(wěn)定的問題；藍(lán)色發(fā)光粉的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到88 lm/W，絕對量子效率達(dá)到38.1%，發(fā)光效果高于目前一般商業(yè)用藍(lán)色熒光粉；所制備的發(fā)光玻璃透明穩(wěn)定，其激發(fā)光譜比目前商業(yè)用發(fā)光玻璃的激發(fā)光譜明顯拓寬，紫外光區(qū)的有效吸收明顯增強(qiáng)，大大拓展了發(fā)光玻璃的使用范圍。另外，該作品通過原位聚合的方法，對商業(yè)用硫化物熒光粉進(jìn)行了包覆，顯著地提高了其物理化學(xué)穩(wěn)定性，在包覆過程成中適當(dāng)?shù)难趸锛{米粒子的加入可以改善包膜層的機(jī)械性能。該項(xiàng)目作品開發(fā)的發(fā)光材料應(yīng)用于白光LEDs可以明顯的改善其顯色性。

作品圖片

  • 高顯色性白光LED稀土發(fā)光材料開發(fā)與應(yīng)用
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

一.設(shè)計(jì)發(fā)明目的： 開發(fā)高效高顯色性的白光LED發(fā)光材料和工藝技術(shù)。 二.基本思路： 1)選用合適的激活劑和穩(wěn)定的基質(zhì)以合成高效穩(wěn)定的發(fā)光材料并使材料微細(xì)化；2)利用沸石分子篩的孔道結(jié)構(gòu)避免激活劑離子團(tuán)聚，制備高發(fā)光性能的材料；3)調(diào)節(jié)沸石的組成，改善發(fā)光玻璃的發(fā)光性能和透明性；4)對商業(yè)用硫化物熒光粉包膜，提高其穩(wěn)定性。 三.創(chuàng)新點(diǎn)： 1.首次成功地合成了Pr摻雜的鉬酸鹽紅色熒光粉，該材料發(fā)光效率高，穩(wěn)定性大大優(yōu)于硫化物。 2.采用溶膠凝膠、水熱等多種制備技術(shù)使材料納米化，顯著地提高了LED出光效率。 3.首次提出以沸石為原料，通過離子交換法引入激活劑離子，再經(jīng)固相法制備發(fā)光材料的合成路線。 4.所研制的發(fā)光玻璃有寬的激發(fā)帶，可有效吸收LED芯片的近紫外發(fā)射，拓展了發(fā)光玻璃的使用范圍。 5.設(shè)計(jì)了發(fā)光玻璃-LED芯片組成的白光LEDs方案，直接把發(fā)光玻璃覆蓋在LED芯片上，可避免封裝材料性能劣化，簡化了工藝流程。 6.采用原位聚合法成功地對商業(yè)用硫化物熒光粉進(jìn)行了表面包覆，大大的提高了其物理化學(xué)穩(wěn)定性。 四.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： （一）技術(shù)關(guān)鍵 a)選擇合適的基質(zhì)和激活劑離子;b)開發(fā)簡便、環(huán)保的制備技術(shù)。 （二）主要技術(shù)指標(biāo) a)發(fā)射光譜滿足白光要求;b)激發(fā)光譜與LED芯片發(fā)射光譜匹配;c)溫度猝滅特性優(yōu)良;d)物理化學(xué)及光學(xué)性能穩(wěn)定;e)顆粒微細(xì)

科學(xué)性、先進(jìn)性

當(dāng)前白光LEDs發(fā)光效率低，顯色性不理想。硫化物系列熒光粉發(fā)光效率高，但其化學(xué)性能不穩(wěn)定，易潮解；BaMgAl10O17:Eu2+作為主要的藍(lán)色熒光材料制備工藝復(fù)雜，燒結(jié)溫度高，顆徑大；另外，大顆粒熒光粉的折射率與LED的硅膠折射率不匹配在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率；此外，LED芯片在使用時其熱效應(yīng)導(dǎo)致封裝材料性能劣化也一直是困擾白光LED的一個難題。與現(xiàn)有技術(shù)相比本作品具有粒徑小、物理化學(xué)性能穩(wěn)定、發(fā)光效率高、顯色性好、發(fā)光玻璃可直接應(yīng)用等五大突出優(yōu)點(diǎn)。 該作品經(jīng)上海圖書館文獻(xiàn)服務(wù)部檢索查新并通過××大學(xué)實(shí)驗(yàn)測試中心和上海萊凱特種化學(xué)品有限公司的檢測。開發(fā)的熒光材料具有很好的新穎性；發(fā)光材料發(fā)光效率、顯色指數(shù)、光衰等綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

該作品已經(jīng)通過上海萊凱特種化學(xué)品有限公司和××大學(xué)分析測試中心多項(xiàng)性能測試。 作品在J.Mater.Chem.等國際著名SCI期刊上發(fā)表了3篇相關(guān)學(xué)術(shù)論文。 2008.6 獲得××大學(xué)“挑戰(zhàn)杯”孵化項(xiàng)目 重點(diǎn)項(xiàng)目 2009.5 獲得××大學(xué)科研立項(xiàng)項(xiàng)目 重點(diǎn)項(xiàng)目 2009.6 獲得第十一屆上海市大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽一等獎

作品所處階段

中試階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

該作品已與上海萊凱特種化學(xué)品有限公司、福納稀土新材料有限公司和科潤光電材料有限公司達(dá)成技術(shù)合作協(xié)議。

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

1.使用說明 A.粉體發(fā)光材料分散到樹脂中，然后再封裝在白光LEDs芯片上。 B.發(fā)光玻璃可直接覆蓋在白光LEDs芯片上，或加工成各種形狀的器件用于展示等其他領(lǐng)域。 2.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢 稀土元素具有特殊的4f能級和優(yōu)異的發(fā)光性能，該技術(shù)滿足生產(chǎn)節(jié)能、發(fā)光高效的要求。生產(chǎn)工藝簡單、原料廉價易得，設(shè)備投入成本低，便于工業(yè)化生產(chǎn)。此外生產(chǎn)過程綠色環(huán)保，不產(chǎn)生“三廢。 3. 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 白光LEDs是低能耗、高效益產(chǎn)業(yè)。據(jù)專家分析，如果中國現(xiàn)有白熾燈的1/3被LED照明取代，每年可為國家節(jié)約用電1000億千瓦，相當(dāng)于一個三峽工程的發(fā)電量。當(dāng)前LEDs產(chǎn)品推廣速度驚人，2008年全球的LEDs市場比4年前增加了將近75%，達(dá)56億美元；而我國預(yù)計(jì)到2010年我國LEDs的產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到1000億元。今年上海將再向社區(qū)和家庭推廣400萬只節(jié)能燈。該市計(jì)劃組織區(qū)縣經(jīng)委，在企業(yè)、居民用戶等采用照明產(chǎn)品集中的場所示范推廣。因此本作品成果推廣應(yīng)用前景十分廣闊。

同類課題研究水平概述

目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種白光LEDs用發(fā)光材料。Nakamura et al.首先用黃光(YGd)3Al5O12:Ce(YAG:Ce)熒光體與455nm藍(lán)光LED芯片結(jié)合得到白光LEDs，這種白光LEDs有高的發(fā)光效率，比紅、綠、藍(lán)光芯片組成的白光LEDs的成本低得多。但是，由于缺少有效的紅光成分，YAG:Ce-白光LEDs顯色指數(shù)Ra只有80左右。Wu et al 將綠光和紅光硫化物熒光體預(yù)先涂覆在藍(lán)光LED芯片上，白光LEDs的光色性質(zhì)有所改進(jìn)，但是，紅光發(fā)射的硫化物化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定，隨著使用電流的增加，出現(xiàn)熒光飽和現(xiàn)象。Xie at al.用發(fā)射綠光和紅光的氮化物制作白光LEDs，但是氮化物熒光體合成時需要有高的燒結(jié)溫度和氮?dú)鈮毫?，熒光體顆粒大，生產(chǎn)成本高。Won et al. and Kim et al.用三基色單相熒光體涂覆在近紫外LED芯片上制作白光LEDs，但是，由此組成的白光LEDs發(fā)光效率低。最近，Jang and Ho et al.[10-11]報(bào)道一種發(fā)射寬帶黃光摻雜Pr3+離子的Sr3SiO5:Ce3+,Li+熒光體，或者在Sr3SiO5:Ce3+,Li+熒光體中加入高質(zhì)量的CdSe QDs量子點(diǎn)，這種熒光體的發(fā)射波長可以通過改變Ce3+的濃度從500nm精細(xì)調(diào)節(jié)到650nm，由于有效增加了紅光成分，藍(lán)光LED-Sr3SiO5:Ce3+,Li+的白光LEDs的發(fā)光效率達(dá)到30 lm /W，顯色指數(shù)可以達(dá)到87，色坐標(biāo)為(0.2904, 0.2900), 色溫 (Tc) 達(dá)到 8864 K，基本滿足照明需要。但是，材料的光熱穩(wěn)定性不高，白光LEDs的光效和顯色性問題并沒有解決。另外，常用熒光粉顆粒度為8-10μm，折射率≥1.85，而當(dāng)前用于LED的硅膠折射率一般在1.5左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限(30nm)，因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。除此之外，LED芯片的熱效應(yīng)導(dǎo)致封裝材料(環(huán)氧樹脂或有機(jī)硅)性能劣化，熒光體溫度猝滅也一直是困擾白光LEDs的一個難題。
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