大功率白光LED用荧光陶瓷制备及其光谱调制研究

当前半导体照明蓬勃发展，其主流技术路线是：氮化物蓝光LED激发掺铈钇铝石榴石荧光粉产生黄光，合成出白光。但荧光粉存在两大问题：一是大功率场合与硅胶混合的荧光粉散射严重光衰突出；二是光谱中缺少红光成分，光线炫目，光谱稳定性不够理想。针对这些问题，本项目提出一种两层复合结构荧光材料，用透明荧光陶瓷代替荧光粉解决前一个问题，其机理是透明陶瓷荧光材料折射率均一导热性好没有高分子材料包裹其中所以抗光衰抗辐照散射小发光性能稳定；利用铈铬共掺钇铝石榴石透明陶瓷或透明薄膜解决后一个问题，其机理是铈离子吸收蓝光，将能量传给三价铬离子，实现三价铬离子红光发射。其突出优点是：蓝光宽带吸收，红光宽带发射，且合成光谱中蓝黄红成分强度可靠层厚独立调节，调控自由度大，这是靠单一材料掺杂不能实现的，同时避免了在单一材料中掺杂所引起的淬灭温度降低、能量转移导致发光强度降低等诸多问题，可获得高品质白光，具有重要意义。

半导体白光照明由于其高转换效率等优点而受到广泛关注。目前使用广泛、技术成熟的商用白光LED的基本结构是用Ce:YAG荧光粉和环氧树脂或硅胶混合在一起形成的荧光粉胶封装蓝光GaInN/GaN LED芯片。然而，随着芯片功率的增大，由于有机树脂基体热性能差，老化问题日益严重。这导致在白光LED的实际应用中，出现发光效率减退，长期稳定性下降，发光颜色变化，使用寿命降低等问题。为了解决这些问题，透明荧光陶瓷被认为深具潜力。.在本项目研究中，我们利用固相反应和真空烧结方法，制备了一系列高光学质量的透明荧光陶瓷样品，如Ce:YAG, Cr/Ce:YAG, Al2O3-Ce:YAG 和 MgAl2O4-Ce:YAG。掺Cr能提高透明陶瓷荧光材料的显色性能，这是因为，随着Cr掺杂浓度的增加，在蓝光的激发下，由于Cr3+离子的2Eg-4A2g的跃迁，导致R9值的增大。但是Ce3+ 和 Cr3+ 离子之间的能量转移引起的能量损失致使WLED的发光效率下降。设计的Al2O3-Ce:YAG复合相结构是颗粒尺寸2-3μm的Al2O3均匀地分布在颗粒尺寸5-15μm的Ce:YAG基质中。对所制备的复合相Al2O3-Ce:YAG，摩尔比为Al2O3/YAG =0.65陶瓷样品具有较高的流明效率，达到~95lm/W,在同样测试条件下比单相的Ce:YAG透明陶瓷高。分散在Ce:YAG基质中作为第二相的Al2O3颗粒能够改变陶瓷中光的传播方向，减少由于内部全反射对光出射的约束，提高光的提取效率。要进一步改善流明效率，需要优化YAG基质和第二相的颗粒尺寸。然而，在Al2O3-Ce:YAG体系中，通过改变两相的含量比和烧结温度难以有效地优化颗粒尺寸。我们发现在MgAl2O4-Ce:YAG体系中，MgAl2O4的加入具有对晶粒尺寸和微结构实现调控的效果，复合相MgAl2O4-Ce:YAG陶瓷荧光体，体积比MgAl2O4∕YAG=0.07, YAG相平均晶粒度4.4μm，MgAl2O4相平均晶粒度1.8 μm，获得了较高的流明效率(99 lm/W)。同时也证实了复合相陶瓷荧光体的微结构优化是改善光提取效率的有效方法。