基于荧光粉制备获得高效白光固态光源器件的性能研究

【摘要】摘要：为应对全球日益加剧的能源危机和环境污染问题,节能、减排成为材料化学学科的主要研究攻关目标之一。白光固态照明(LED和OLED)因其具有节能、高效、长寿命、使用方便等特点,成为续白炽灯、荧光灯之后的新一代绿色环保照明光源,是涉及材料、物理、化学等学科领域的研究热点。本研究针对白光LED器件存在的显色指数不足、相关色温较高和发光效率较低的问题,通过制备一系列高效荧光粉的方式来改善白光LED器件的显色性能,研究了不同制备方法对荧光粉性能的影响原理,模拟了荧光粉晶体在煅烧过程中的成长机制；对荧光粉发光过程中激活剂离子的能级跃迁规律,基质和激活剂之间的能量传递模式进行了探讨,并最终将所制得荧光粉封装成白光LED或白光OLED器件,探索了荧光粉性能与白光器件性能之间的关系,主要工作如下：(1)分别采用高温固相、共沉淀和撞击流法制备了Y3Al5O12:Ce3+荧光粉(简称YAG或YAG:Ce),不同方法所得样品在345-460nm处都有较强激发峰,分别归属于2F5/2-5D和2F7/2-5D的跃迁,刚好与蓝光芯片的发射波长相匹配,证明该荧光粉能够被芯片有效激发；所得荧光粉在550nm处有较强发射峰,能够和蓝光芯片未被吸收的蓝光复合发白光。不同方法制备的YAG在发光强度和颗粒的分散性方面存在差异,撞击流法制备样品的相对发光强度最高(接近10000),颗粒分散性最好,得到更好结晶度晶体的温度最低(1200℃)。YAG晶体的成长符合Ostwald晶体熟化过程,经过了小颗粒长大,小颗粒聚集于大颗粒表面,大颗粒吞并小颗粒,再吞并和共同生长几个过程；通过控制YAG晶体的成长过程可以有效控制荧光粉的颗粒大小。粒度分级和二次煅烧工艺可以大大提高样品颗粒的均匀性。三种方法制备所得YAG:Ce荧光粉,被成功封装成白光LED器件,采用撞击流法制备YAG:Ce荧光粉的综合发光性能最好,器件的最佳性能指标为：显色指数85,相关色温7560K,色坐标(0.315,0.325),发光效率为80.71m/W。以上结论说明,撞击流法制备YAG:Ce荧光粉能够同时兼顾荧光粉的形貌和发光效率,撞击流前处理过程有效降低了煅烧所需温度,在工业生产中具有一定的应用前景。(2)采用水热法制备了米粒状的Sr2CeO4:Sm3+单一基质白光荧光粉,所得样品晶体形貌完整,分散性好,在466nm处有较宽发射峰,归属于Ce4+-02-的电荷转移能量传递,在567.5nm、609.5nm和654.5nm有三个尖峰,分别归属于Sm3+离子的4G(4)5/2能级到6H5/2,6H7/2,6H9/2能级的跃迁；通过改变激活剂离子浓度,可以实现颜色可调,掺杂浓度为1.0mO1%,封装器件的综合发光性能最好：色坐标为(0.331,0.309),显色指数为90,相关色温为5560K,发光效率为32lm/W；采用高温固相法制备了Ba3LiMgV3O12:Eu3+单一基质白光荧光粉,所得样品具有典型Ba3V2O8晶体结构,颗粒大小在3-5μm之间；在400nm到600nm之间有非常宽的发射峰,峰值为500nm,归属于VO43-基团的3T2-1A1和3T1-1A1能级跃迁；在260nm到395nm之间有较强的激发峰,峰值位于343nm,肩峰位于287nm,分别对应VO43-基团的1Al-3T1和1A1-3T2能级跃迁；添加Eu3+之后在,在593、613和655nm处出现三个尖峰,归属于Eu离子的5D0-7F1、5D0-7F2和5D0-7F3跃迁；掺杂浓度为0.05mol%,荧光粉封装器件的综合发光性能最好：色坐标(0.312,0.321),显色指数为89,相关色温为6600K,发光效率为36lm/W；采用高温固相法制备了Sr2V2O7:Eu3+单基质白光荧光粉,所得样品的晶体结构没有因为添加电荷补偿剂和激活剂而改变,最佳煅烧温度为800℃,最佳电荷补偿剂为Li2CO3;所得样品在250-390nm之间有较激发峰,对应于V043-基团的1A1-3T1和1A1-3T2能级跃迁；在430-650nm之间有较强发射峰,峰值为510nm附近的宽峰归属于VO43-基团的弛豫。红光区域的三个尖峰是Eu3+的5D0-7F1、5D0-7F2和5Do-7F3跃迁；掺杂浓度为1.0mO1%,荧光粉封装器件的综合发光性能最好：色坐标(0.320,0.325),显色指数为91,相关色温为6126K,发光效率为33lm/W；单一基质白光荧光粉封装器件的色坐标和YAG:Ce荧光粉封装器件接近,显色指数、相关色温要明显优于后者,但是发光效率仍然存在一定差距,可能和近紫外芯片本身的发光效率较低有关。以上结论说明,采用基质发光复合激活剂离子发光的原理,可以有效实现紫外芯片激发单一基质白光荧光粉发白光,通过改变激活剂离子浓度,能够有效改变单一基质白光荧光粉的显色性能,该结论对于根据不同需求,制备不同发光颜色的荧光粉具有一定借鉴意义。(3)采用高温固相法制备氮化物红色荧光粉Sr2Si5N8:Eu2+,所得样品为六方晶型结构,和Sr2Si5N8晶相相同,粒径在1-5μm之间,适合旋转涂布制成荧光粉发光层(CCL),激发光谱在300-500nm之间,在550-700nm之间有一个较强的发射峰；采用蓝色磷光材料FIrpic制成蓝光OLED做激发光源,优化之后的结构为：ITO/m-MTDATA(30nm)/a-NPB(20nm)/mCP(10nm)/mCP:FIrpic(30nm,10/TPBi(40nm)/LiF/Al,该结构在不同电流密度下表现出很好的稳定性；红色荧光粉制备成CCL和经过优化之后的蓝光OLED-2复合制成白光OLED发光器件,器件优化之后的结构为：CCL/glasssubstrate/ITO/m-MTDATA(30nm)/α-NPB(20nm)/mCP(10nm)/mCP:FIrpic(30nm,10/TPBi(40nm)/LiF/Al,荧光粉在CCL中的最佳掺杂浓度为50wt%,CCL涂膜的最佳转速为1500rpm,在此条件下,器件的最佳光效为11.261m/W,要明显优于其他方式制备的白光OLED,色坐标为(0.32,0.34),非常接近理想白点(0.33,0.33)。以上结论说明,采用有机-无机联用的方式获得高效固态白光发光器件的方式现实可行,采用旋涂法制备荧光粉发光层,和高效蓝光OLED激发源集合,能够有效实现白光器件,在制备大尺寸、高分散性面光源具有应用前景。综上所述,实现高效白光固态光源器件方式有很多,无机芯片和无机荧光粉,OLED发光源和无机荧光粉,这些方法的共同点在于如何高效的将电转化为光,并根据不同的显色需要,将光(能)在不同的波段进行分配,实现器件高效发白光。
【作者】周智；
【导师】刘素琴；
【作者基本信息】中南大学，应用化学，2013，博士
【关键词】固态光源；荧光粉；发光二极管；有机发光二极管；能量传递；

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