白光LED荧光粉的特性

白光LED荧光粉的特性、发展和应用

近年来能源紧缺，地球暖化，威胁人类安全，哥本哈根会议未能达成实质协议。低碳经济成为时尚的号角，具有节能环保特点的LED成为低碳经济产业的新宠。提高白光LED的发光效率，成为LED产业中芯片制造者和荧光粉工程师最为紧迫的任务。

本文从荧光粉的性质、白光LED荧光粉的发展到LED荧光粉的应用阐述自己的认识，与广大读者交流。

一、荧光粉的特性

1. 定义

荧光粉是在一定激发条件下能发光的无机粉末材料，这些材料应是粉末晶体。在人类文明史中荧光粉起着至关重要的作用，特别是在信息时代的今天，荧光粉已成为人们日常生活中不可或缺的材料，它广泛应用于货币的防伪标识，手机、电脑显示器，彩色电视荧光屏，医院胸透设备、机场安检、消防指示牌，车灯，道路照明、室内照明，在工业、农业、医疗、国防、建筑、通讯、航天、高能物理等诸多领域有着广泛的用途。

2. 荧光粉的分类有多种方法

(1)按照激发的方式可分为：

(2)按激发光的波长的分类如表1所示。

表1 光波长的划分

(3)按照基质材料分类情况及代表性材料如下：

硫化物：CaS∶Eu2+，SrS∶Eu2+，CaSrS∶Eu2+，Dy2+，Er3+红色荧光粉;

氧化物：Y2O3∶Eu2+，Lu2O3：Eu3+(Lu=Y，Gd，La);

硫氧化物：Y2O2S∶Eu3+;

氮化物：BaSi7N10;

氮氧化物：SrSi2O2N2∶Yb2+;

CaSi9Al3ON15∶Yb

硅酸盐：CaAlSiN3∶Eu2+;

BaSrSiO4∶Eu2+;

磷酸盐：Sr2P2O7∶Eu2+，Mn2+;

铝酸盐：Y3Al5O12∶Ce3+;

Tb3Al5O12∶Ce3+;

还有钼酸盐等。

(4)按制备方法可分为：

高温固相反应法，溶胶-凝胶法，固液相结合法，燃烧法，微波法，喷雾合成法，电弧法，水热合成法等。

3、荧光粉的性质

荧光粉的性质，也叫一次特性，主要包括以下几种：

相对亮度

在规定的激发条件下，荧光粉试样与参比荧光粉的亮度之比。

激发光谱

指荧光粉在不同波长光的激发下，其发光谱线和谱带的强度或者发光效率与激发光波长的关系，如450nm或者457~462nm，465~470nm蓝光激发光谱。激发光谱不同，发光效率迥然不同。

发射光谱

指荧光粉在某一特定激发波长光的激发下，所发射的不同波长光的强度或者能量分布，以发射光的能量分布来作图称为光谱能量分布图。发射光谱中强度最大的波长称为主峰。

吸收光谱

荧光粉的吸收系数Kλ随入射光波长的变化叫做吸收光谱，吸收光谱决定于荧光粉的基质，也与激活剂和掺杂材料有关。

漫反射光谱

光线投射到粗糙表面时，它向各方向反射称为漫反射。漫反射随入射波长而变化的图谱称为漫反射光谱。

外量子效率

荧光粉在一定波长的光激发下，发射的荧光光子数与激发光的光子数之比。当一束光照射到荧光粉时，一部分被反射、散射，一部分透射，其他的被吸收。只有被吸收的这部分光才能对荧光粉的发光起作用，但不是所有被吸收的各种波长光都能对发光有贡献。荧光粉对光的吸收遵循下述规律。

其中I0(λ)是波长为λ的入射光的原始光强，I(λ)是通过厚度为x的荧光粉后的光强，Ki是不随光强但随波长而变化的一个系数，称为吸收系数。

中心粒径

粒径的体积累积分布中对应于50%的荧光粉的粒径，单位是μm。

温度特性

表示荧光粉的发射特性与温度的关系。通常指粉体加热到120℃并恒温10分钟时的改变量，包括发光亮度、激发波长、发射主峰及色品坐标等。

色品坐标

在RGB三原色系统中，三原色光亮度并不相同，其光亮度之比为R∶G∶B=1∶4.5907∶0.0601。在三色系统中，任何一种颜色的色刺激可用适当数量的三个原色的色刺激相匹配，每一原色的刺激量与三原色刺激总量的比称为该色的色品坐标，简称色坐标。每种表示系统有其对应的色品坐标，在CIE1931的xyz 表色系统中的色坐标为

x=X/(X+Y+Z)

y=Y/(X+Y+Z)

z=Z/(X+Y+Z)

式中X，Y，Z??三基色刺激量;

x，y，z??色品坐标;

由于x+y+z=1，故由一对色品坐标(x，y)就可以表示一种颜色。

色温、相关色温及光色

由普朗克公式可得不同色温的黑体的光谱能量分布曲线，按照三刺激值计算它们的色坐标x，y值，将这些x，y值绘制在x，y的色品图上，各点连成一条曲线，其形状如图1所示，这条曲线就称为黑体轨迹。用这个黑体的温度来表示该光源的颜色温度，称为色温(Tc)。由图1可知，当黑体的温度较低时，光色呈橙黄色。光色随温度升高逐渐接近白色，继续升高黑体的发光就略显蓝色。

图1 CIE-1931色品图上的黑体轨迹

LED光源的色坐标点到黑体轨迹的最近距离所对应的黑体温度称为相关色温，每一色坐标点到黑体轨迹的最近距离不是垂直线，而是有一定角度的斜线。与黑体轨迹相交的系列斜线称为等相关色温线。每条线上的色坐标值虽然不同，但相关色温却是相同的，都等于该斜线与黑体轨迹交点上多对应的黑体温度。

如图2为CIE-1931色品图上等相关色温线。

图2 CIE-1931色品图上的等相关色温线

显色指数

光源在照射物体后所引起的颜色效果就称为光源的显色性。它是一个主观的定性的概念。国际照明委员会(CIE)推荐用一个色温接近于待测光源的普朗克辐射体作参照光源，并将其显示指数定为100，用8个孟塞尔(Munsel)色片做测试样品，ΔEi评定待测光源的显色指数，CIE规定光源显色指数由公式Ri=100-4.6ΔEi确定，单块色片的显色指数称为特殊显色指数Ri，光源的特殊显色指数的算术平均值称为一般显色指数Ra，光源的显色指数越高，其显色性越好。为了全面的反应光源的显色性能，CIE还规定了14个实验色。表2给出了15个实验色序号及对应的颜色。

表2 CIE规定的实验色序号及对应的颜色

表2中15个实验色的Ri称为特殊显色指数，在高显色荧光灯中经常使用的特殊显色指数是R9，R10，R11，R12，R13，R14，R15。