荧光粉的发光原理、发展历史及应用前景

荧光粉的发光原理、发展历史及应用前景

引言

荧光粉是一种能将外部能量转变为可见光的发光材料，是照明、显示领域中重要的支撑材料，它是现今生活中极其重要的材料。因此有必要对荧光粉进行深入了解。

1.荧光粉的发光原理

与热辐射相比，荧光是一种产生具有很少热量的光的过程。适当的材料吸收高能辐射，接着就发出光，所发光子的能量比激发辐射的能量低。当发光材料是固体时，该材料通常称为荧光粉。激发荧光粉的高能辐射可以是电子或具有高速度的离子，也可以是从γ射线到可见光范围的光子。

1.1常见照明用荧光粉的发光原理

目前 ,实际用于照明用途的荧光粉 ,大部分是粉末状的以汞原子发出的紫外线 (主峰波长 253.17nm) 为激发源的光致发光荧光粉 ,它们是利用氧化物晶体中孤立离子的电子跃迁来发光的。

图1-1 原子的结构和光的转换

由量子理论可知 ,孤立的单个原子或离子中具有多个能级 ,如图1-1(a) 所示 ,当原子或离子中的束缚电子由高能级向低能级跃迁时 ,会形成自身固有的发光。下面以最简单的氢原子为例进行说明。氢原子中含有 1 个电子 ,并且从原子核向外依次为称作 1s、2s、3s ……的电子轨道 ,各电子轨道对应不同的能级 ,氢原子的这 1 个电子通常位于最内侧的 1s 轨道上 ,该电子的状态称为基态。若该电子受到电子碰撞或光等外来能量的刺激(激发) ,它就会吸收激发能量而向其外侧的轨道如 2s 轨道迁移。2s 轨道的能量高于 1s 轨道的能量 ,如图1-1(b) 所示 ,电子的这种状态称为激发态。原子发光就是电子由激发态返回到基态时产生的(见图1-1(c) ) 。

这类以光束激发的荧光粉主要用于荧光灯、等离子体显示屏 (PDP) 和白光LED 中。1.2阴极射线管(CRT)用荧光粉的发光原理

用于 CRT等装置中的荧光粉是以加速的电子束作为激发源的 ,这称为阴极射线致发光。阴极射线致发光的原理为：射入固体中的电子慢慢失去能量。由于 CRT 中以几十千伏高压使电子加速发射 ,当能量消失时会使周围产生电离 ,从而产生大量新的电子(二次电子) 。这些新的电子在固体中移动 ,当能量消失时 ,它们使前述孤立离子中的电子或半导体内杂质能级上的电子激发。之后便发出与离子内的能级和施主、受主能级间的能量差相对应的光辐射。

1.3电致发光 (EL) 用荧光粉的发光原理

采用有机物时 ,并非利用原子或离子的孤立的电子能级 ,而是通过它们结合形成的分子轨道上能级间的电子跃迁发光的。

2.荧光粉的发展历史

19世纪初，人们在研究放电发光现象的过程中开发了荧光灯和荧光粉。当时的荧光灯使用硅酸锌铍荧光粉，发光效率低并有毒性。早期荧光灯用荧光粉在使用中由于光衰程度不同会造成色偏,而且荧光效率低下。

从上世纪50 年代开始,出现了卤磷酸盐荧光粉,该系列荧光粉在很长一段时间占据主流。这种荧光粉的成分单一,没有色偏,并且比早期荧光粉的亮度高。

到了70 年代,使用3 种分别在450nm(蓝) 、540nm (绿) 、610nm (红) 附近具有高强度窄发射带的荧光粉混合制成的三基色荧光灯问世。在这以前,为了提高显色性能,一直采用发射接近日光的连续光谱的方法,这势必受到因包含视感效率低的光谱成分而光效下降的制约,针对这一课题,人们运用计算机模拟,发现用与日光光谱完全不同的光源也能实现高显色性,从而研制出这种灯。三基色荧光灯用荧光粉的光效高于100lm/W(单位输入功率产生的光通量) ,显色指数80 以上,高于卤磷酸盐荧光粉,诸多优点使其至今仍然使用广泛。

此外,在照明应用中,荧光粉还被应用于高压汞灯。70年代,在高压汞灯中使用Y(P ,V) O4∶Eu 荧光粉,将灯内与蓝白光同时发出的紫外线吸收并发出红光,大幅度改善了显色

性,这种灯一直沿用至今。

3.荧光粉的应用前景

现在用于普通照明的主力光源为三基色荧光灯,它大量用作液晶的背光源,目前生产的荧光粉中有一半以上是用于这种灯的荧光粉。表3-1中列出现今用于各式各样的照明、指示装置中的荧光粉材料。

表3-1 各种照明、显示和辐射检测装置用荧光粉

现今,对于汞254nm 辐射激发的荧光粉仅有性能完善方面的研究,而作为化学物质的开发已告一段落。荧光粉的开发热点已转向LED 用荧光粉及显示用途的使用其它激发源的荧光粉。在近10 年内,BAM 作为PDP用蓝色荧光粉,其亮度和寿命特性得到了显著改善,而它作为灯用荧光粉也收到了良好的使用效果。并且,这类荧光粉中的BaMgAl11O17∶Eu2 +,Mn2 +(绿色) 还有利于扩大背光显示器的色再现范围。

在气体放电灯方面,正在开发使用稀有气体准分子等制成的灯。根据三基色灯的原理,可以采用靠氙气放电激发的PDP 中的荧光粉和针对PDP 的具体用途开发的荧光粉。例如,蓝粉用BAM ,绿粉用YAl3(BO3) 4 ∶Tb ,红粉用基质与绿粉相同但掺Eu 的YAl3(BO3) 4 ：Eu。但是,这种气体放电灯在发光强度P效率、寿命等方面存在问题,要将这种灯真正实用化,还必须改良现有的荧光粉或开发新型荧光粉。

另一方面,由于大多数荧光粉的发光中心采用稀土族元素,而随着原料出产政策调整,这类材料的价格正在逐渐上涨,需要控制它们的使用量。因此,开发出新型荧光粉替代那些为提高亮度必须大量掺杂Tb 的荧光粉,就显得十分必要。

结语

在照明技术进一步向前迈进的过程中,要想获得更好的光源,不仅限于无机物和有机物,还需要开发出更多新式荧光材料。五彩缤纷的荧光粉材料,在其物质属性趋于多元化的同时,它们将与新型发光设备一起,在我们的生活中越来越普及。

参考文献

[1] 国本崇(日), 荧光粉的发光原理、技术发展史、开发现状及课题[J]. 中国照明电器,2008,11:33-37.

[2] 周太明，光源原理与设计（第二版）[M]. 上海：复旦大学出版社，2012.

[3] 百度百科_荧光粉[EB/OL]. /view/59582.htm