【科研進展】大功率固態照明用高效透明羥基磷灰石基複合螢光陶瓷

2020-12-14 澎湃新聞

【科研進展】大功率固態照明用高效透明羥基磷灰石基複合螢光陶瓷

2020-01-14 07:00 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

螢光材料是固態照明技術中將晶片激發光轉換為其他可見光的關鍵材料，其性能直接決定了固態照明器件的顯色指數、流明效率和可靠性等三大技術參數。陶瓷基螢光轉換材料（如YAG:Ce、Lu3Al5O12:Ce、CaAlSiN3:Eu等）因其優異的發光性能及穩定性，能有效解決現有矽膠封裝LED的老化、色漂移、藍光溢出等問題，成為目前大功率LED及雷射照明用光轉換材料的一個重要研究方向。其中，稀土離子摻雜陶瓷基螢光轉換材料仍存在易濃度猝滅及濃度難以調控等問題，由其組裝得到的WLEDs表現出發光效率低、相關色溫高等不足。採用透明陶瓷封裝螢光粉可以解決上述問題，但是由於存在第二相（螢光粉）和晶界散射，導致複合螢光陶瓷只能用於以反射模式工作的照明器件。

近日，東華大學的江莞教授、王連軍教授和海南大學的李建林教授聯合報導了基於納米波片機制及折射率匹配原則製備的白光LED用高效透明羥基磷灰石(HA)基複合螢光陶瓷，獲得了高性能的透明陶瓷封裝螢光粉透過式LED器件。研究團隊以介孔HA納米棒和YAG: Ce螢光粉為原料，利用放電等離子體燒結技術，在850℃下製備得到HA基複合螢光陶瓷(HA-YAG:Ce PiC)。通過引入納米波片機制，使陶瓷基體在可見光區域的透過率達80%以上，且複合陶瓷的量子產率保留了原始螢光粉的90％以上。

本研究工作通過合成具有沿軸向生長的棒狀介孔羥基磷灰石（HA），結合放電等離子體燒結技術，在850℃下快速燒結製備得到透明HA陶瓷。得益於HA納米棒的高長徑比和HA晶粒各晶面間的生長推動力差，在軸向壓力的作用下，陶瓷晶粒在垂直於壓力方向產生明顯的取向生長：晶粒主光軸（C軸）在垂直於入射光方向平面內排布，入射光垂直於光軸穿過晶粒，傳播方向不發生改變，從而形成一種納米波片機制。該方法有效消除了陶瓷內的雙折射，使HA陶瓷基體的透過率在可見光區域接近理論值（達80%以上）。

得益於介孔HA粉體的高燒結活性以及快速低溫燒結制度（850℃，<10min），螢光粉均勻分散於陶瓷基體內，且無界面反應。較好地保留了螢光粉原有的發光性能，其外量子產率達原始螢光粉的90%以上。利用HA基複合螢光陶瓷作為光轉換材料，以貼片式封裝技術，進一步組裝得到高性能白光LEDs。與矽膠封裝的LED相比，該LED外量子效率更高，熱穩定性、發光穩定性更為優異。此外，由於引入了瑞利散射，入射藍光利用率得到進一步提高，使組裝得到的WLEDs發光效率極高，其流明效率可達170 lm W-1，相關色溫低於4500 K。利用微觀結構調控消除光散射並提高入射光利用率的策略為製造多種模式照明器用高性能陶瓷光轉換材料開闢了新途徑。

綜上所述，作者首次在固態照明領域引入HA陶瓷作為光轉換材料的基體，通過晶粒尺寸調控和納米波片結構設計，巧妙地利用瑞利散射進一步提高藍光轉換效率，製備了發光效率高達170lm/w的大功率LED用螢光陶瓷，且色溫低於4500K。

文章來源：x-mol.com

原標題：《【科研進展】大功率固態照明用高效透明羥基磷灰石基複合螢光陶瓷》

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