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YAG:Ce³⁺在激光照明应用中的研究进展

2021-01-12    

中国照明网报道

   作者:胡盼、丁慧、刘永福等  

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导语: 近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘永福研究员应《发光学报》编辑部的邀请,撰写了题为“YAG:Ce3+在激光照明应用中的研究进展”的综述论文。该综述论文主要对基于YAG:Ce3+的荧光玻璃、荧光薄膜、荧光晶体、荧光陶瓷等形态的制备方法及其在LD照明中的应用性能研究进行了总结,对荧光转换材料和LD照明发展进行了展望。

  基于激光二极管(Laser Diode, LD) 的照明和显示技术代表了半导体行业未来的重要发展方向之一,荧光转换材料是决定激光照明的能量效率和显示产品色彩品质的核心部件。黄色荧光转换材料Y3Al5O12: Ce3+ (YAG: Ce3+)适合蓝光LD激发、效率高、易于获得白光,仍然是目前最为广泛的研究对象。传统荧光粉加有机硅胶的封装模式热导率低,LD激发下存在烧蚀、发黑、失效等问题。LD高功率激发密度的特点引发了荧光材料封装技术革命性变更。为此,多形态、高热导率的远程荧光体应运而生。

  近日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所刘永福研究员应《发光学报》编辑部的邀请,撰写了题为“YAG:Ce3+在激光照明应用中的研究进展”的综述论文。该综述论文主要对基于YAG:Ce3+的荧光玻璃、荧光薄膜、荧光晶体、荧光陶瓷等形态的制备方法及其在LD照明中的应用性能研究进行了总结,对荧光转换材料和LD照明发展进行了展望。

  背景

  基于LED芯片的半导体照明和显示技术经过长期发展,已经广泛应用于各种照明和显示领域。相较而言,激光二极管(Laser Diode, LD)在较小的体积下,易获得更高的亮度,大功率驱动时的电光转换效率更高。因此,基于LD的照明和显示技术是未来发展的重要方向。

  2005年,日本Nichia公司通过光纤耦合输出激光激发荧光粉实现了白光发射。2011年,宝马推出i8概念车,远光灯LD照明系统与近光灯LED系统结合,使得汽车大灯的有效照明距离大为提高。2014年,奥迪推出配备激光大灯的概念车R8 LMX。随着人们对智能控制、大功率、高亮度等需求的不断提出,LD照明进入了快速发展期。近年来,以汽车大灯为代表的激光照明产品、激光投影电视为代表的激光显示产品也在逐渐深入人们的生活。

  目前,与LED照明器件类似,LD照明主要有三种实现模式。其中蓝光LD芯片激发黄色荧光体模式,蓝光与黄光混合后可直接形成白光。该工艺由单一的蓝光LD芯片和单一的黄色荧光转换材料直接构成,方案最为简单。蓝光LD芯片和黄色荧光转换材料相对最为成熟,各自均有较高的效率,因此,该方案更易获得高效率、高亮度的LD照明器件。

  YAG为石榴石结构,属于立方晶系,空间点群为Ia3d。1967年,荷兰飞利浦实验室G. Blass等人首次报道了YAG:Ce的发光性能。YAG:Ce的主激发峰在460 nm的蓝光区域,能被蓝光有效激发,具有较高的量子效率、良好的热稳定性,与蓝光芯片结合,可直接获得白光。目前YAG:Ce黄色荧光粉已成为白光LED中最广泛的研究对象和最成熟的商用荧光转换材料。

  在LD照明中,LD芯片激发功率密度高,极短的时间内即可达到很高的温度。对于传统的YAG: Ce荧光粉加有机硅胶涂覆的封装模式而言,其热导率较低(0.1-0.4 W m-1K-1),LD芯片辐照下有机硅胶快速老化,甚至被激光烧蚀,器件性能急剧下降甚至失效。因此,传统的有机硅胶封装工艺已经无法满足LD照明器件的服役要求,新型封装工艺亟待开发。在大功率LED照明中,也存在大量高温引起的器件快速老化、性能降低等问题。为此,人们提出具有高热导率(1-15 W m-1K-1)的荧光玻璃、荧光薄膜、荧光晶体 、荧光陶瓷等远程荧光体封装模式。这些研究工作为LD照明用荧光体的开发提供了丰富的经验。

  借鉴大功率LED器件的研究经验,人们将荧光玻璃、薄膜、晶体、陶瓷等各类荧光载体应用于LD照明研究中。2018年,中国计量大学王乐教授、厦门大学解荣军教授及李淑星博士等人详细总结了激光照明用各类荧光转换材料的研究进展。其中YAG:Ce具有适合蓝光激发、效率高等诸多优点。因此,结合蓝光LD芯片,YAG:Ce荧光转换材料再次成为LD照明中的研究热点,并得到快速的发展。激光辐照时,随着激光功率增加,荧光体的发光达到最大值后开始下降,这种现象通常称为发光饱和效应,对应的激发功率称为饱和功率,或者饱和功率密度。饱和功率越高,荧光转换材料越适合大功率型LD,获得高亮度照明。YAG:Ce为荧光主体,以玻璃(phosphor in glass, PiG)、薄膜(film)、晶体(single-crystal phosphor, SCP)、透明/陶瓷(transparent/ceramic phosphor, TCP/CP)等多种形式为载体(图1),应用于激光照明研究中。各类荧光体的开发目的均是为了提高荧光转换材料的导热性能,降低激光引起的发光热猝灭效应,进而提升饱和功率和发光亮度。而各类远程荧光体因制备工艺的不同,相应的发光特性和激光照明中的应用也各有特点。

  因此,本文仅综述了近年来以YAG: Ce为主体,以玻璃、薄膜、晶体、陶瓷为载体的各类远程荧光体的制备工艺及其在激光照明应用中的研究进展。通过本综述,可较为直观的简略了解激光照明对材料性能的需求、器件的发展应用等。


图1 基于YAG:Ce的荧光晶体、玻璃、薄膜和陶瓷

  展望

  YAG: Ce适合蓝光激发、发光效率高,仍然是下一代激光照明用的主流荧光转换材料。基于YAG: Ce的各类远程荧光体,发射光谱以黄光为主,青、绿、红光成分不足。这导致LD照明器件的显色指数偏低、色温偏高,白光质量有待进一步提升。寻找适合LD光源高功率密度特点的多色荧光转换材料,实现LD照明光源色彩品质的可控调节,是目前LD照明技术面临的巨大挑战之一。

  在多色荧光转换材料开发方面,人们将β塞隆和LuAG:Ce绿色荧光体、LSN:Ce黄色荧光体、CASN:Eu红色荧光体引入LD照明中。此外,虽然470-500nm青色发光材料已有相关研究基础,但是其在激光照明应用中的探索目前还是空白。因此,研究适合蓝光激发的青色荧光粉具有极为重要的价值。

  荧光玻璃薄膜工艺具有较强的包容性,商用绿、黄、红等各色荧光转换材料均可在同一薄膜中复合。同时辅助高导热基板,为LD照明器件色彩品质的有效调控提供了一种方案。在相对较小的激光功率范围内,预计该方案可以满足LD照明器件的应用需求。而在较大激光功率下,荧光薄膜的长期服役稳定性有待进一步验证。

  荧光晶体、荧光陶瓷自身具有热导率和机械强度高,抗热震特性好,在各类激光功率服役条件下稳定性好。但现有荧光晶体、荧光陶瓷主要以单一发光色彩形式呈现,在色彩复合及白光色彩品质调控方面,还需开拓新的技术方案。同时,现有的商用氮化物、氟化物等红色荧光材料,在陶瓷化复合过程中的氧化、腐蚀、分解等问题仍未解决。能够实现稳定陶瓷化复合的新型红色荧光材料是未来发展的一个方向。

  除荧光转换材料发光颜色之外,LD性能测试方式的差异化为统一标准评价激光-荧光转换性能带来了困难。激光-荧光转换性能测试有透射、反射两种模式。每一种模式中,荧光块体材料的厚度、表面形貌、粗糙度、是否外接热沉等因素均会影响材料的光转换效率。激光功率是连续变化,还是单点采集,由此引起的荧光材料的发光饱和特性则截然不同。在发光饱和特性评估时,选取激光功率或激光功率密度等评估方式的差别,以及激光斑点尺寸信息不全、斑点尺寸测量时的误差,为统一评估荧光转换材料的激光功率耐受特性带来了困难。因此,激光照明中相关测试标准的建立也是激光照明用荧光转换材料性能评价必然面临的问题。

编辑:严志祥

来源: 长光所Light中心、中国光学

   作者:胡盼、丁慧、刘永福等  

标签:YAG:Ce³⁺  激光照明  应用  

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