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照明技術(shù)的發(fā)展與熒光陶瓷的使用

日期：2021-08-04 瀏覽次數(shù)：次

摘要：廣義上的陶瓷材料指的是除有機(jī)和金屬材料以外的其他所有材料，即無機(jī)非金屬材料。

照明在人類的生活中發(fā)揮著不可替代的作用，并隨著人類的進(jìn)步而不斷地發(fā)展革新。19世紀(jì)末，愛迪生在經(jīng)過成千上百次的試驗(yàn)后最終發(fā)明了白熾燈，從此照明由火、油、氣進(jìn)入到了電光源時代，然而白熾燈的電-光轉(zhuǎn)換效率非常低，只有10-20%。在能源危機(jī)、溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重的今天，人們正從基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等各個領(lǐng)域?qū)で蠊?jié)能環(huán)保型技術(shù)。隨著社會的發(fā)展、科技的進(jìn)步和環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，人們迫切需要開發(fā)在新型的節(jié)能環(huán)保照明能源，于是新一代的固態(tài)照明技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

各代照明產(chǎn)品性能表

固態(tài)照明技術(shù)是一種基于半導(dǎo)體芯片的全新照明技術(shù)，具有光電轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)能、環(huán)保、全固態(tài)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是21世紀(jì)的新型綠色光源。根據(jù)不同的激發(fā)芯片，固態(tài)照明分為發(fā)光二極管（LED）和激光（LD）照明。

LED照明

LED相比于傳統(tǒng)的熒光燈和白熾燈，具有節(jié)能環(huán)保、亮度高、色域廣及壽命長等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于室內(nèi)照明、顯示屏及交通信號燈等低功率照明和顯示領(lǐng)域。但在高功率密度下，LED存在難以解決的“效率下降”難題。與LED相比，LD不僅效率更高、亮度更強(qiáng)、照射距離更遠(yuǎn)，而且克服了LED固有的高功率下“效率下降”問題。

激光照明的應(yīng)用

激光白光光源憑借其優(yōu)異的性能逐漸在各種特殊領(lǐng)域中得到應(yīng)用。例如寶馬、奧迪、沃爾沃等品牌部分車型已裝配了激光前照燈，在亮度、照明距離等方面顯示出明顯的優(yōu)勢，這種激光大燈的亮度是傳統(tǒng)LED的一千倍，并具有節(jié)能、安全、射程遠(yuǎn)和高效等特點(diǎn)。另一方面，激光白光光源因?yàn)榫哂?/span>亮度高、色域?qū)?/span>、方向性強(qiáng)和壽命長等優(yōu)點(diǎn)在投影、顯示上也備受青睞。國外卡西歐、歐司朗以及中國光峰光電等公司創(chuàng)新性地利用藍(lán)光LD陣列遠(yuǎn)程激發(fā)涂在旋轉(zhuǎn)輪上的熒光材料獲得白光光源，一定程度上解決了激光散斑現(xiàn)象以及散熱問題，成功開發(fā)出激光投影儀、激光電視等產(chǎn)品。除此之外，激光白光光源在可見光通信方面的應(yīng)用也引起了人們的關(guān)注。其展現(xiàn)出幾千兆的數(shù)據(jù)傳輸速率和高的調(diào)制帶寬（＞5GHz）。相干光和準(zhǔn)直光的特性適用于點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸以及其他點(diǎn)光源的應(yīng)用。

LED大燈和激光大燈的對比示意圖

激光照明的實(shí)現(xiàn)方式

目前一般采用藍(lán)光LD激發(fā)黃色熒光粉的方式產(chǎn)生白光，原理為部分發(fā)出的藍(lán)光被熒光粉吸收發(fā)射黃光，未被吸收的藍(lán)光經(jīng)熒光粉顆粒散射后和熒光粉發(fā)射的黃光，混合后形成白光。優(yōu)點(diǎn)是這種方法只用一個藍(lán)光LD，藍(lán)光LD效率高，成本較低；且只使用一種熒光粉，產(chǎn)生的能耗較低，發(fā)光效率高；這種方式產(chǎn)生的激光光源更加穩(wěn)定、制備工藝簡單、成本較低、便于工業(yè)化生產(chǎn)。缺點(diǎn)是使用此方式合成的白光光源光譜中缺少紅光成分，導(dǎo)致光源的顯色性差。但該缺點(diǎn)可以通過改進(jìn)遠(yuǎn)程熒光體的制備技術(shù)，增加照明光譜中的紅光成分提高光源的顯色性。

藍(lán)光LD激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光的原理圖

熒光陶瓷在激光照明中的使用

目前LD照明用熒光材料主要可以分為：玻璃、單晶、薄膜、陶瓷和復(fù)相陶瓷。熒光玻璃具有制造工藝簡單和光學(xué)性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)，但由于玻璃的熱導(dǎo)率較低，同時制備過程中玻璃基質(zhì)容易與熒光材料發(fā)生反應(yīng)破壞熒光材料的發(fā)光性能。與熒光玻璃相比，熒光薄膜的熱導(dǎo)率得到一定的提升，但是由于薄膜和基體之間結(jié)合界面存在一定的缺陷且結(jié)構(gòu)無法調(diào)控等原因影響其在激光照明中的應(yīng)用。與熒光薄膜相比，熒光單晶具有內(nèi)量子轉(zhuǎn)換效率較高和熱學(xué)性能優(yōu)異的特點(diǎn)，但由于熒光單晶內(nèi)部缺少散射中心，因此其具有較低的光提取率和低劣的光均勻度。與熒光單晶相比，熒光陶瓷和熒光復(fù)相陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)易于調(diào)節(jié)，熱導(dǎo)率高和化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)異，被認(rèn)為是激光照明用熒光材料的首選材料。

目前照明用熒光陶瓷的研究以發(fā)光材料體系進(jìn)行分類，主要可以分為釔鋁石榴石體系、氮化物體系和多鋁酸鹽體系。

（1）釔鋁石榴石體系：由于釔鋁石榴石體系熒光材料獨(dú)特的光學(xué)特性且易于實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化的特性，釔鋁石榴石體系熒光陶瓷得到研究人員的廣泛關(guān)注，例如YAG:Ce和LuAG:Ce等熒光陶瓷。例如可以改變離子的摻雜濃度和陶瓷的厚度來實(shí)現(xiàn)對YAG:Ce陶瓷材料顯色指數(shù)的控制。針對黃色熒光陶瓷在激光照明中顯色指數(shù)低的問題，研究者也開發(fā)出了一系列紅色石榴石體系的熒光陶瓷，例如LuAG:Mn、GGAG:Ce、YAG:Mg:Si:Ce等。

YAG:Ce熒光陶瓷

（2）氮化物體系：除釔鋁石榴石體系的熒光材料外，研究人員關(guān)注的另一個研究重點(diǎn)是具有優(yōu)異光學(xué)性能的氮（氮氧）化物體系熒光粉。目前氮氧化物陶瓷主要集中在Sialon或者M(jìn)g-Sialon，但由于氮氧化物熒光材料的量子效率偏低，不適合在實(shí)際生活中應(yīng)用，而氮化物熒光材料的熱擴(kuò)散系數(shù)較低，不易實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密化。

（3）多鋁酸鹽體系：由于量子效率高和色純度優(yōu)異等特點(diǎn)，BaMgAl₁₀O₁₇:Eu藍(lán)色熒光粉同樣是研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu藍(lán)色熒光陶瓷

當(dāng)然也可以制備復(fù)相熒光陶瓷應(yīng)用于固態(tài)照明中，復(fù)相熒光陶瓷是指將熒光顆粒彌散分布在陶瓷基質(zhì)中而得到的一種新型的熒光轉(zhuǎn)換材料形式。與單一的熒光陶瓷相比，其力學(xué)和熱學(xué)性能更加優(yōu)異。例如YAG:Ce熒光陶瓷的熱導(dǎo)率為14W/(m·K)，通過與Al₂O₃形成復(fù)相陶瓷，其熱導(dǎo)率可以達(dá)到18.5W/(m·K)。目前固態(tài)照明用復(fù)相熒光陶瓷的研究主要集中在Al₂O₃/YAG:Ce復(fù)相熒光陶瓷。

結(jié)語

熒光陶瓷作為一種先進(jìn)的固體照明材料，其組成的LED具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性，在長時間、大載荷的工作環(huán)境中的表現(xiàn)遠(yuǎn)勝于現(xiàn)有的白光LED，在如汽車遠(yuǎn)光照明等特定應(yīng)用場合擁有廣闊的發(fā)展前景，在未來的LED照明乃至更大功率的激光照明（LD）都有極高的應(yīng)用價值。

參考來源：

（1）Ce/Mn摻雜石榴石基熒光陶瓷的制備及發(fā)光性能研究，張蕓莉。

（2）大功率固態(tài)照明用熒光陶瓷研究進(jìn)展，彭星淋，李淑星，劉澤華，姚秀敏，解榮軍，黃政仁，劉學(xué)建。

（3）固態(tài)照明/顯示用熒光陶瓷研究進(jìn)展，李江，李萬圓，劉欣，劉強(qiáng)。

（4）大功率LED用熒光玻璃/陶瓷的制備及性能研究，黃平。

（5）稀土光功能陶瓷的制備及其光學(xué)性質(zhì)研究，武華君。

（6）激光照明用Al₂O₃基熒光陶瓷的制備及其性能研究，劉澤華。

（7）白光LED用熒光陶瓷研究進(jìn)展，王剛，李金凱，段廣彬，劉宗明。

（8）稀土摻雜Y2O3-Al2O3-Sc2O3三元體系熒光陶瓷制備及其光譜性能研究，劉英麗。

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