照明技术的发展与荧光陶瓷的使用

日期：2021-08-04 浏览次数：次

摘要：广义上的陶瓷材(cai)料(liao)指(zhi)的是除有(you)机(ji)和(he)金属材(cai)料(liao)以(yi)外的其他所有(you)材(cai)料(liao)，即无(wu)机(ji)非金属材(cai)料(liao)。

照明(ming)在人类的(de)生活中发挥着不可(ke)替(ti)代的(de)作(zuo)用，并随(sui)着人类的(de)进步而(er)不断地发展(zhan)革新。19世纪末，爱迪生在经过(guo)成千上百次的试验(yan)后最终发(fa)明(ming)了白炽灯，从此照(zhao)(zhao)明(ming)由火、油、气进(jin)入到了电(dian)光(guang)源时代，然而白炽灯的电(dian)-光(guang)转换效(xiao)率非常低，只(zhi)有10-20%。在能(neng)源危机、温室效(xiao)应日益严重(zhong)的今天，人们正从基础设施建设等各(ge)个领域寻求节能(neng)环保(bao)(bao)型(xing)技术。随着社会(hui)的发(fa)展、科技的进(jin)步和环境(jing)保(bao)(bao)护意识的增强，人们迫切(qie)需要开发(fa)在新型(xing)的节能(neng)环保(bao)(bao)照(zhao)(zhao)明(ming)能(neng)源，于是新一(yi)代的固态照(zhao)(zhao)明(ming)技术应运而生。

各代(dai)照明产品性(xing)能表

固(gu)态照明技(ji)术是一(yi)种基于(yu)半导体芯片的全新照明技(ji)术，具有光电转换效率高、节能、环保、全固态、使用寿命长等优(you)点(dian)，被认为是21世纪(ji)的(de)新型绿色光源(yuan)。根(gen)据(ju)不同的(de)激发(fa)芯片(pian)，固(gu)态照(zhao)明(ming)分为发(fa)光二极管（LED）和(he)激光（LD）照(zhao)明(ming)。

LED照明

LED相(xiang)比于(yu)传统(tong)的荧(ying)光灯和(he)白炽灯，具有(you)节能环保、亮度高、色域(yu)广(guang)(guang)及寿命长等优点，已广(guang)(guang)泛应(ying)用于(yu)室内照(zhao)明、显示屏(ping)及交(jiao)通信号灯等低(di)功(gong)率照明和显示领域。但在高(gao)功(gong)率密度(du)下，LED存在(zai)难(nan)以解决的(de)“效(xiao)率下(xia)降(jiang)”难(nan)题。与LED相比，LD不仅效率更(geng)高、亮(liang)度更强、照射距离更(geng)远，而且克服了LED固有的高(gao)功率(lv)下“效率(lv)下降”问(wen)题(ti)。

激光照明的(de)应用

激光(guang)白光(guang)光(guang)源凭借(jie)其(qi)优异(yi)的性能逐渐在各种特(te)殊领(ling)域中得到应用。例如(ru)宝马、奥迪(di)、沃尔沃等(deng)品牌部分车型(xing)已装配了激光前照(zhao)灯，在亮度、照明距离(li)等方面显(xian)示出明显(xian)的优势，这种激光大灯的亮度是(shi)传统LED的一千(qian)倍，并具有节能、安全、射程(cheng)远和(he)高效等特点(dian)。另一(yi)方面，激(ji)光白(bai)光光源(yuan)因为具有亮度高、色域宽、方向性(xing)强和寿命长等优点在投影(ying)、显(xian)示上也备(bei)受青(qing)睐。国外卡西欧(ou)(ou)、欧(ou)(ou)司(si)朗以(yi)及中国光(guang)峰光(guang)电等公司(si)创(chuang)新性地(di)利用蓝光(guang)LD阵列(lie)远程激发涂(tu)在旋转轮上的(de)荧光(guang)材料获得白光(guang)光(guang)源，一定程度上解决了激光(guang)散斑现(xian)象以及散热问(wen)题，成功(gong)开发出(chu)激光(guang)投影(ying)仪、激光(guang)电视等(deng)产品。除(chu)此之外，激光(guang)白光(guang)光(guang)源在可见光(guang)通信方面的(de)应用也引(yin)起了人们的(de)关注。其展(zhan)现(xian)出(chu)几千兆(zhao)的数(shu)据传输速(su)率(lv)和(he)高的调制带宽（＞5GHz）。相干(gan)光(guang)和准直光(guang)的(de)特性适用于点对点数据传输以及其他点光(guang)源(yuan)的(de)应用。

LED大灯和激光大灯的对比(bi)示(shi)意图

激光照明的(de)实现方式

目(mu)前一般采用蓝光LD激发(fa)黄(huang)色荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)的方式(shi)产生白(bai)光(guang)(guang)(guang)，原(yuan)理为(wei)部分发(fa)出的蓝光(guang)(guang)(guang)被(bei)荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)吸收(shou)(shou)发(fa)射(she)黄(huang)光(guang)(guang)(guang)，未被(bei)吸收(shou)(shou)的蓝光(guang)(guang)(guang)经荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)颗粒散射(she)后(hou)(hou)和(he)荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)发(fa)射(she)的黄(huang)光(guang)(guang)(guang)，混(hun)合后(hou)(hou)形成白(bai)光(guang)(guang)(guang)。优点是这(zhei)种方法只用一个蓝光(guang)(guang)(guang)LD，蓝光(guang)(guang)(guang)LD效率高，成本较(jiao)低(di)；且(qie)只使用一种荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)粉(fen)，产生的能耗较低，发光效率(lv)高(gao)；这种方式产生的激光光源更加稳定、制备工艺简(jian)单、成本较低、便于工(gong)业化生(sheng)产。缺点是使用此方式(shi)合(he)成(cheng)的白(bai)光(guang)光(guang)源(yuan)光(guang)谱中缺少(shao)红光(guang)成(cheng)分(fen)，导致(zhi)光(guang)源(yuan)的显色性差。但该缺点可以通(tong)过改进远程荧光体的制备技(ji)术，增(zeng)加照明(ming)光谱中(zhong)的红光成分(fen)提高光源的显色性。

蓝光LD激(ji)发黄(huang)色荧光(guang)粉产(chan)生(sheng)白光(guang)的原理图

荧光(guang)陶瓷在激光(guang)照明(ming)中的使用

目(mu)前LD照明用荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料(liao)主(zhu)要(yao)可(ke)以分(fen)为：玻(bo)璃、单晶(jing)、薄(bo)膜(mo)(mo)、陶(tao)(tao)瓷(ci)和(he)(he)复(fu)相(xiang)陶(tao)(tao)瓷(ci)。荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)玻(bo)璃具有制造工艺简单和(he)(he)光(guang)(guang)(guang)学(xue)(xue)性(xing)能(neng)优异(yi)等(deng)优点，但由(you)于(yu)玻(bo)璃的(de)(de)(de)热导率(lv)(lv)(lv)较(jiao)低，同时制备过程中(zhong)玻(bo)璃基(ji)质容易与荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料(liao)发生反(fan)应(ying)破坏荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)发光(guang)(guang)(guang)性(xing)能(neng)。与荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)玻(bo)璃相(xiang)比，荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)薄(bo)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)热导率(lv)(lv)(lv)得到一定的(de)(de)(de)提(ti)升，但是由(you)于(yu)薄(bo)膜(mo)(mo)和(he)(he)基(ji)体之间结合(he)界面存在(zai)一定的(de)(de)(de)缺(que)陷且结构无(wu)法(fa)调(diao)控等(deng)原因(yin)影响其在(zai)激光(guang)(guang)(guang)照明中(zhong)的(de)(de)(de)应(ying)用。与荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)薄(bo)膜(mo)(mo)相(xiang)比，荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)单晶(jing)具有内(nei)量子(zi)转换效率(lv)(lv)(lv)较(jiao)高和(he)(he)热学(xue)(xue)性(xing)能(neng)优异(yi)的(de)(de)(de)特点，但由(you)于(yu)荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)单晶(jing)内(nei)部缺(que)少散射中(zhong)心(xin)，因(yin)此其具有较(jiao)低的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)提(ti)取率(lv)(lv)(lv)和(he)(he)低劣的(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)均匀度。与荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)单晶(jing)相(xiang)比，荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)陶(tao)(tao)瓷(ci)和(he)(he)荧(ying)(ying)(ying)光(guang)(guang)(guang)复(fu)相(xiang)陶(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)微(wei)观结构(gou)易于调(diao)节(jie)，热(re)导率(lv)高和化学稳定性优异，被认为是激光照(zhao)明(ming)用荧(ying)光材料的首选(xuan)材料。

目(mu)前照明(ming)用荧光陶瓷的研(yan)究以发光材料体系(xi)进行分类，主要可以分为钇(yi)铝石(shi)(shi)榴(liu)石(shi)(shi)体系(xi)、氮(dan)化物体系(xi)和多铝酸盐体系(xi)。

（1）钇铝石(shi)(shi)榴石(shi)(shi)体(ti)系：由于钇铝石(shi)(shi)榴石(shi)(shi)体(ti)系荧(ying)光材料独特(te)的光学(xue)特(te)性且易于实现(xian)烧(shao)结致密化的特(te)性，钇铝石(shi)(shi)榴石(shi)(shi)体(ti)系荧(ying)光陶瓷得(de)到研究人员的广(guang)泛关注，例如YAG:Ce和(he)LuAG:Ce等荧(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)。例如可以改变离子(zi)的(de)(de)掺杂(za)浓度(du)和(he)陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)厚度(du)来实(shi)现对YAG:Ce陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材料显(xian)(xian)色(se)指数的(de)(de)控制。针对黄色(se)荧(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)在激光照明(ming)中(zhong)显(xian)(xian)色(se)指数低的(de)(de)问题，研究者(zhe)也(ye)开发出(chu)了(le)一系(xi)列红色(se)石榴石体系(xi)的(de)(de)荧(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)(ci)，例如LuAG:Mn、GGAG:Ce、YAG:Mg:Si:Ce等。

YAG:Ce荧光陶(tao)瓷

（2）氮(dan)化(hua)物(wu)体(ti)系(xi)：除钇(yi)铝石榴石体(ti)系(xi)的荧(ying)(ying)光(guang)(guang)材(cai)料外，研究人员关注的另一个研究重(zhong)点是具有优异(yi)光(guang)(guang)学性能的氮(dan)（氮(dan)氧）化(hua)物(wu)体(ti)系(xi)荧(ying)(ying)光(guang)(guang)粉。目前氮(dan)氧化(hua)物(wu)陶瓷(ci)主要集(ji)中在Sialon或者Mg-Sialon，但由于氮(dan)氧化物荧光材(cai)料的量子效率(lv)偏低(di)，不(bu)适(shi)合在实(shi)际生活中应用，而(er)氮(dan)化物荧光材(cai)料的热扩(kuo)散系数较(jiao)低(di)，不(bu)易(yi)实(shi)现烧结致(zhi)密化。

（3）多铝酸盐体系(xi)：由于(yu)量(liang)子效率高和色纯度优异等特点，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu蓝色荧光粉(fen)同(tong)样是(shi)研(yan)究人员关注(zhu)的热(re)点之一(yi)。

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu蓝色荧光(guang)陶瓷

当然也可(ke)以制备(bei)复(fu)相(xiang)荧(ying)(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)应用(yong)于固态照明中，复(fu)相(xiang)荧(ying)(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)是指将荧(ying)(ying)光颗粒弥散分(fen)布在陶(tao)瓷(ci)(ci)基(ji)质(zhi)中而得到的(de)一种新型的(de)荧(ying)(ying)光转换材料形式。与(yu)单一的(de)荧(ying)(ying)光陶(tao)瓷(ci)(ci)相(xiang)比，其力学和热学性能更加优异。例(li)如YAG:Ce荧光(guang)陶瓷的热导(dao)率为(wei)14W/(m·K)，通(tong)过与Al₂O₃形(xing)成复相陶瓷，其热导率可以达(da)到18.5W/(m·K)。目前固态照明用(yong)复相(xiang)荧光陶瓷的(de)研究主(zhu)要集中在Al₂O₃/YAG:Ce复相荧光陶瓷。

结语

荧光(guang)陶瓷(ci)作为一种先(xian)进的固体照明材料，其组(zu)成(cheng)的LED具(ju)有(you)良好的(de)(de)(de)热稳定性和机械稳定性，在长时间、大载荷的(de)(de)(de)工作(zuo)环境(jing)中的(de)(de)(de)表现(xian)远胜于现(xian)有(you)的(de)(de)(de)白光(guang)LED，在如汽车(che)远光(guang)照(zhao)明(ming)(ming)(ming)等特定应(ying)用场合拥有(you)广阔的(de)(de)(de)发展前景(jing)，在未来(lai)的(de)(de)(de)LED照(zhao)明(ming)(ming)(ming)乃(nai)至(zhi)更大功率的(de)(de)(de)激光(guang)照(zhao)明(ming)(ming)(ming)（LD）都有(you)极(ji)高的(de)(de)(de)应(ying)用价值。

参考来源(yuan)：

（1）Ce/Mn掺杂石榴石基荧光陶瓷的(de)制备及发(fa)光性能研究，张芸(yun)莉。

（2）大功率固态照明(ming)用荧光(guang)陶(tao)瓷研(yan)究进展，彭星淋，李淑星，刘(liu)(liu)泽华，姚秀(xiu)敏，解(jie)荣军，黄(huang)政仁，刘(liu)(liu)学建。

（3）固态(tai)照明/显示用荧(ying)光陶(tao)瓷研(yan)究进展，李江，李万圆(yuan)，刘欣，刘强。

（4）大功(gong)率LED用荧光玻璃/陶瓷的(de)制备(bei)及性能研究，黄(huang)平(ping)。

（5）稀(xi)土光(guang)(guang)功能陶瓷的制备及其光(guang)(guang)学(xue)性质研(yan)究，武华君。

（6）激光照明(ming)用(yong)Al₂O₃基荧光陶瓷的(de)制备及其性能(neng)研究，刘泽华。

（7）白(bai)光LED用荧光陶瓷研究进展，王(wang)刚(gang)，李金凯(kai)，段广彬，刘(liu)宗明。

（8）稀土掺杂Y2O3-Al2O3-Sc2O3三(san)元体系荧(ying)光陶瓷制(zhi)备及其光谱性(xing)能研(yan)究，刘英丽(li)。

粉体(ti)圈(quan)小郑