宁波材料所突破氮化物荧光粉绿色低成本合成技术

2011-9-26 10:34 来源: 中国科学院
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  由于能源的紧缺,目前全世界节能产品的研发和替代已经成为未来产业发展的趋势,而日常生活中的照明和显示器件占据了电能消费的大部分份额,因此LED(光电二极管)半导体照明技术已经成为世界各地竞相发展的焦点。白光LED中使用的传统荧光粉主要为硅酸盐和铝酸盐基等无机化合物材料,而目前另一类高性能氧氮化物/氮化物荧光粉在显色指数、发光效率、色温、寿命、化学稳定性及热稳定性等性能指标方面具有突出的优势,因而逐步成为一类重要的应用于白光LED的荧光粉材料体系,已经广泛应用在LED照明和LED背光源显示器件中。

  目前制备氧氮化物/氮化物荧光粉体的主要方法是气压合成法,该方法对设备要求高,用电量较大,维护成本也相应增高。产品质量上粉体在高温(1700度以上)煅烧后比较容易团聚,后期粉碎造成颗粒表面的破坏,导致大量表面缺陷的产生,直接影响发光性能。另外,颗粒大小的分布也不均匀,使得粉体的堆积密度小而增大散射系数,降低了发光效率。氮化物荧光粉合成时所需要的金属或者金属氮化物原料,不仅价格昂贵,而且在空气中极不稳定,导致这些氮化物荧光粉的制备过程复杂,生产成本高。目前只有日本美国少数几家公司能够稳定提供该类荧光粉。因此,我国亟需开发绿色、可靠、低成本的合成技术来制备颗高质量的氧氮化物/氮化物荧光粉体。

  目前,中科院宁波材料技术与工程研究所结构与功能一体化陶瓷研发团队刘丽红博士后和黄庆研究员同浙江省千人计划解荣军博士合作,利用微波法成功实现了低温常压下制备出高质量氮化物荧光粉。其基本加热原理是利用原料分子与电磁场的耦合,将微波能转变为热能而加热物体,因此其较传统气压合成方法可实现材料中大区域的零梯度均匀加热、并且升温速度快、烧结时间短,有利于获得粒度分布均匀的粉体。如在1550摄氏度常压下成功的合成了高品质的白光LED用Ca-α-SiAlON:Eu²+荧光粉,该合成温度较常规气压法(1700度,0.5MPa氮气保护)相比降低了150摄氏度,并且与相同温度条件下气压法合成的该粉体的发光特性相比,其在发光强度、量子效率及热稳定性方面都有显著提高。在450nm波长激发下测试的未经优化的该荧光粉的外部量子效率可达48%,经分筛和纯化后该效率有望达到或优于商业粉的发光效率。图1为微波法合成Ca-α-SiAlON:Eu²+荧光粉的实物发光图片;图2为微波法合成SrSi2O2N2:Eu²+绿色荧光粉的实物发光图片。

  氮化物荧光粉绿色低成本技术的成功开发,将极大促进大功率LED照明器件及背光源显示等成本的降低,并将大规模加快我国半导体照明技术推广的进程。目前该技术已经申请了中国发明专利(201110152682.4)和PCT专利保护,并正在推动中试化生产。

  本项目得到宁波材料所“团队行动”人才基金、中科院“百人计划”和国家自然科学基金的支持。

图1 微波法合成Ca-α-SiAlON:Eu²+黄色荧光粉的实物发光图片 

图2 微波法合成SrSi2O2N2:Eu²+ 绿色荧光粉的实物发光图片