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(de)陶瓷材(cai)料(liao)指的(de)是除有(you)机(ji)和(he)金属材(cai)料(liao)以外(wai)的(de)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(zai)人(ren)类(lei)的(de)生(sheng)活中发挥(hui)着不(bu)可替代的(de)作用，并随着人(ren)类(lei)的(de)进步而不(bu)断地发展革新。19世纪末，爱迪生(sheng)在(zai)经过成千上百(bai)次的(de)(de)(de)(de)试验(yan)后(hou)最终发(fa)明了白(bai)炽(chi)灯(deng)(deng)，从(cong)此照明由火(huo)、油、气进入(ru)到了电(dian)光(guang)源时代(dai)(dai)，然而(er)白(bai)炽(chi)灯(deng)(deng)的(de)(de)(de)(de)电(dian)-光(guang)转换效率非(fei)常低，只有10-20%。在(zai)能(neng)源危机、温室效应(ying)(ying)日益严重的(de)(de)(de)(de)今天，人们正从(cong)基础设施建设等各个领域寻求节能(neng)环(huan)保(bao)型技术。随着社会的(de)(de)(de)(de)发(fa)展、科技的(de)(de)(de)(de)进步和环(huan)境保(bao)护意(yi)识的(de)(de)(de)(de)增强(qiang)，人们迫切需(xu)要开发(fa)在(zai)新型的(de)(de)(de)(de)节能(neng)环(huan)保(bao)照明能(neng)源，于是新一代(dai)(dai)的(de)(de)(de)(de)固态照明技术应(ying)(ying)运而(er)生(sheng)。

各代(dai)照明产品性能表

固态照明技术(shu)是一种基于半(ban)导体芯片的(de)全新照明技术(shu)，具(ju)有光电转换(huan)效率高(gao)、节能、环(huan)保(bao)、全固态、使(shi)用寿命长等(deng)优点，被认为(wei)是21世纪的新型绿(lv)色光源。根据(ju)不同的激发芯片，固态照(zhao)明分为(wei)发光二极管（LED）和(he)激光（LD）照(zhao)明。

LED照(zhao)明(ming)

LED相比于(yu)传统的荧光(guang)灯和白炽灯，具(ju)有节能(neng)环保、亮度(du)高(gao)、色域广及(ji)寿命长等优点，已广泛应用于(yu)室(shi)内(nei)照明、显示屏(ping)及(ji)交(jiao)通信(xin)号(hao)灯(deng)等低(di)功率(lv)照明和显(xian)示领域(yu)。但在高功率(lv)密度下(xia)，LED存在难以解(jie)决的“效率(lv)下(xia)降(jiang)”难题。与LED相比，LD不仅效率(lv)更(geng)高、亮度更强、照射距离(li)更远，而且克服了LED固有的高功率下(xia)“效率下(xia)降”问题(ti)。

激光(guang)照明的应用

激(ji)光白光光源凭借(jie)其优异(yi)的性能逐(zhu)渐在(zai)各(ge)种特殊领域中得到(dao)应用(yong)。例(li)如宝马、奥迪、沃尔沃等品牌部分车型(xing)已装配了激光前照灯，在(zai)亮度(du)、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(du)是传统LED的一千倍，并(bing)具有(you)节能、安(an)全、射程远和高效等特点。另一方面，激光白(bai)光光源因(yin)为(wei)具(ju)有亮(liang)度高、色域宽、方(fang)向性强和寿命(ming)长(zhang)等(deng)优点(dian)在投(tou)影、显(xian)示上也(ye)备受青睐。国(guo)外(wai)卡西(xi)欧(ou)、欧(ou)司朗以(yi)及(ji)中(zhong)国(guo)光峰光电等(deng)公司创新性地利用(yong)蓝(lan)光LD阵列远程(cheng)激发涂在旋转(zhuan)轮上的(de)(de)荧光(guang)(guang)材(cai)料获得(de)白(bai)光(guang)(guang)光(guang)(guang)源，一定程(cheng)度上解决了激光(guang)(guang)散斑现(xian)(xian)象以及散热(re)问(wen)题，成(cheng)功开发出(chu)激光(guang)(guang)投影仪、激光(guang)(guang)电视等产品。除此之外，激光(guang)(guang)白(bai)光(guang)(guang)光(guang)(guang)源在可见光(guang)(guang)通信方(fang)面的(de)(de)应用也(ye)引起(qi)了人们的(de)(de)关注。其展现(xian)(xian)出(chu)几千兆的数据(ju)传输速率和(he)高的调制带(dai)宽（＞5GHz）。相干光和准直(zhi)光的特性适(shi)用于点(dian)对点(dian)数据(ju)传(chuan)输以及(ji)其他点(dian)光源(yuan)的应用。

LED大灯(deng)和激光(guang)大灯(deng)的(de)对(dui)比示意图(tu)

激光照明(ming)的(de)实(shi)现方式

目前一般采(cai)用蓝光LD激(ji)发黄(huang)色荧光(guang)(guang)粉的方(fang)式产(chan)生白光(guang)(guang)，原理为部分发出的蓝(lan)光(guang)(guang)被(bei)荧光(guang)(guang)粉吸(xi)收(shou)(shou)发射(she)黄(huang)光(guang)(guang)，未被(bei)吸(xi)收(shou)(shou)的蓝(lan)光(guang)(guang)经荧光(guang)(guang)粉颗粒(li)散射(she)后和(he)荧光(guang)(guang)粉发射(she)的黄(huang)光(guang)(guang)，混合后形成白光(guang)(guang)。优点是这(zhei)种方(fang)法只(zhi)用(yong)一(yi)个蓝(lan)光(guang)(guang)LD，蓝(lan)光(guang)(guang)LD效率高，成本较低；且(qie)只(zhi)使用(yong)一(yi)种荧光(guang)(guang)粉，产生的能耗(hao)较低，发光效率(lv)高；这种(zhong)方式产生的激光光源更(geng)加稳定、制(zhi)备工艺简单、成本(ben)较低、便于工业化生产。缺点(dian)是使用此方式合成的白光光源光谱中缺少红光成分，导致光源的显色性(xing)差。但(dan)该缺点(dian)可以通过改进(jin)远程荧(ying)光体的制备技术，增加照明光谱中(zhong)的红光成分提高(gao)光源的显(xian)色性。

蓝光(guang)LD激发黄色荧光粉(fen)产生白光的原理(li)图

荧光陶瓷(ci)在激光照明中的使(shi)用(yong)

目前LD照明(ming)(ming)用荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)材料主要(yao)可以分为：玻(bo)(bo)璃、单(dan)晶(jing)、薄(bo)膜(mo)(mo)、陶(tao)瓷(ci)和(he)复相陶(tao)瓷(ci)。荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)玻(bo)(bo)璃具有(you)(you)制造工(gong)艺(yi)简单(dan)和(he)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)学性能优(you)异等(deng)优(you)点(dian)(dian)，但由(you)于玻(bo)(bo)璃的(de)(de)(de)(de)热导率(lv)较低(di)，同时制备过程中玻(bo)(bo)璃基质容易(yi)与(yu)荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)材料发生反(fan)应(ying)破坏荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)材料的(de)(de)(de)(de)发光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)性能。与(yu)荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)玻(bo)(bo)璃相比(bi)，荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)薄(bo)膜(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)热导率(lv)得到一(yi)定的(de)(de)(de)(de)提升，但是由(you)于薄(bo)膜(mo)(mo)和(he)基体之间结合界面(mian)存在(zai)一(yi)定的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷且结构无法(fa)调(diao)控(kong)等(deng)原因影响其(qi)在(zai)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照明(ming)(ming)中的(de)(de)(de)(de)应(ying)用。与(yu)荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)薄(bo)膜(mo)(mo)相比(bi)，荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)单(dan)晶(jing)具有(you)(you)内(nei)量子(zi)转换效率(lv)较高和(he)热学性能优(you)异的(de)(de)(de)(de)特点(dian)(dian)，但由(you)于荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)单(dan)晶(jing)内(nei)部缺(que)少散射中心，因此其(qi)具有(you)(you)较低(di)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)提取率(lv)和(he)低(di)劣(lie)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)均(jun)匀度。与(yu)荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)单(dan)晶(jing)相比(bi)，荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)陶(tao)瓷(ci)和(he)荧(ying)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)复相陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)(de)微观结构易(yi)于调(diao)节，热(re)导率(lv)高和(he)化学稳定性优异，被认(ren)为是激光照明(ming)用荧光材(cai)料(liao)(liao)的首选(xuan)材(cai)料(liao)(liao)。

目前照(zhao)明用(yong)荧光(guang)陶(tao)瓷的研究(jiu)以发(fa)光(guang)材(cai)料(liao)体系进(jin)行分(fen)(fen)类，主(zhu)要可以分(fen)(fen)为(wei)钇铝(lv)石榴(liu)石体系、氮化物体系和多铝(lv)酸盐(yan)体系。

（1）钇(yi)(yi)铝石(shi)(shi)榴(liu)石(shi)(shi)体系(xi)：由于钇(yi)(yi)铝石(shi)(shi)榴(liu)石(shi)(shi)体系(xi)荧(ying)光材料独特的(de)光学(xue)特性且易(yi)于实现烧结致密化的(de)特性，钇(yi)(yi)铝石(shi)(shi)榴(liu)石(shi)(shi)体系(xi)荧(ying)光陶瓷得到研(yan)究人员的(de)广(guang)泛关注，例如(ru)YAG:Ce和(he)LuAG:Ce等荧(ying)光(guang)陶瓷(ci)。例如(ru)可以改(gai)变离子的(de)掺杂浓度(du)和(he)陶瓷(ci)的(de)厚度(du)来实(shi)现对YAG:Ce陶瓷(ci)材料显色指(zhi)数的(de)控制(zhi)。针对黄(huang)色荧(ying)光(guang)陶瓷(ci)在激光(guang)照(zhao)明(ming)中(zhong)显色指(zhi)数低的(de)问题，研究者也开发(fa)出了一系列(lie)红(hong)色石(shi)榴石(shi)体系的(de)荧(ying)光(guang)陶瓷(ci)，例如(ru)LuAG:Mn、GGAG:Ce、YAG:Mg:Si:Ce等。

YAG:Ce荧(ying)光陶瓷(ci)

（2）氮(dan)化(hua)(hua)物体系：除钇铝石(shi)(shi)榴石(shi)(shi)体系的荧(ying)光(guang)材(cai)料外(wai)，研究(jiu)人员关注(zhu)的另(ling)一个(ge)研究(jiu)重点是具有优异光(guang)学性(xing)能的氮(dan)（氮(dan)氧）化(hua)(hua)物体系荧(ying)光(guang)粉。目前氮(dan)氧化(hua)(hua)物陶瓷主要集中在Sialon或者Mg-Sialon，但(dan)由于氮氧(yang)化物(wu)荧光材料的量子效率偏低，不适合在实际(ji)生活(huo)中应用，而氮化物(wu)荧光材料的热扩散(san)系数较(jiao)低，不易实现(xian)烧结致(zhi)密化。

（3）多铝酸(suan)盐(yan)体系：由于量子(zi)效率(lv)高(gao)和色纯度优(you)异等(deng)特点，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu蓝(lan)色荧(ying)光粉同样是研(yan)究人(ren)员(yuan)关(guan)注的热点之一(yi)。

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu蓝色荧光陶瓷

当然也可(ke)以制备(bei)复相荧光陶瓷(ci)应(ying)用(yong)于固态照明中(zhong)，复相荧光陶瓷(ci)是指将荧光颗粒弥(mi)散分布(bu)在陶瓷(ci)基(ji)质中(zhong)而(er)得到的(de)一(yi)种新(xin)型的(de)荧光转换材(cai)料形式。与(yu)单一(yi)的(de)荧光陶瓷(ci)相比，其力(li)学和(he)热(re)学性能更加优异。例如YAG:Ce荧光(guang)陶瓷的热导率为14W/(m·K)，通过与(yu)Al₂O₃形成复(fu)相陶瓷，其(qi)热导率(lv)可以达到18.5W/(m·K)。目前固态照明(ming)用(yong)复相荧光(guang)陶瓷的研(yan)究主要集中在Al₂O₃/YAG:Ce复相荧(ying)光陶瓷(ci)。

结语

荧光陶瓷(ci)作为一(yi)种先进的固体(ti)照明材料，其组成(cheng)的LED具(ju)有(you)良好的(de)(de)热稳定性和机械稳定性，在(zai)长(zhang)时间(jian)、大载荷的(de)(de)工作环(huan)境中(zhong)的(de)(de)表现远胜于现有(you)的(de)(de)白光(guang)LED，在(zai)如汽车远光(guang)照明(ming)等特(te)定应(ying)用场合拥有(you)广(guang)阔的(de)(de)发展前景，在(zai)未(wei)来的(de)(de)LED照明(ming)乃至更大功率的(de)(de)激(ji)光(guang)照明(ming)（LD）都有(you)极高的(de)(de)应(ying)用价值。

参(can)考来(lai)源：

（1）Ce/Mn掺杂(za)石榴石基荧光陶瓷的制备(bei)及发光性能研究，张芸莉。

（2）大功率固态照(zhao)明用(yong)荧光陶瓷研究进展，彭星(xing)淋，李淑星(xing)，刘泽(ze)华，姚秀敏(min)，解荣军，黄政(zheng)仁(ren)，刘学建。

（3）固(gu)态照明/显(xian)示用荧光陶瓷研(yan)究(jiu)进展，李江，李万圆(yuan)，刘欣，刘强。

（4）大功率(lv)LED用荧(ying)光玻(bo)璃/陶(tao)瓷的制(zhi)备及性能研究，黄平。

（5）稀土光功能(neng)陶瓷的(de)制备及(ji)其光学性质研究，武华君。

（6）激光照明用(yong)Al₂O₃基荧光陶瓷的制备及其性能研究，刘泽华。

（7）白光LED用荧光(guang)陶瓷研究进展，王(wang)刚，李金凯，段(duan)广彬，刘宗明。

（8）稀土掺(chan)杂Y2O3-Al2O3-Sc2O3三(san)元体系(xi)荧(ying)光(guang)陶瓷制备及其光(guang)谱性能(neng)研(yan)究，刘(liu)英丽。

粉体圈小郑(zheng)