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台大化学系与福建物构所合作 研发白光LED用红光荧光粉

白光LED由于其节能、环保以及寿命长等特点已成为下一代照明,目前商品化白光LED主要采用蓝光晶片激发YAG:Ce3+黄光荧光粉,晶片发出的蓝光与荧光粉发射的黄光混合形成白光。但YAG:Ce3+荧光粉的发射光谱中红光成分不足,导致采用单一YAG:Ce3+荧光粉无法获得低相关色温(CCT <4500 K)、高显色指数( CRI >80)的暖白光,因此限制其应用于室内通用照明中。

为解决这一项问题,要在元件中添加适当的红光荧光粉,以补充红光成分,从而制备出低色温与高显色指数的暖白光LED。目前性能较好的商品化红光荧光粉主要为稀土掺杂之氮(氧)化物材料,但该类荧光粉存在发射频宽过宽、制备需要高压等局限,导致其流明效率偏低且价格昂贵。因此开发能被蓝光晶片有效激发的低成本、窄带发射红光荧光粉尤其是替代稀土发光材料就成为人们关注的焦点,这也是提高暖白光LED流明效率的关键。

湿化学法合成的K2TiF4:Mn4+红色荧光粉及高效暖白光发光二极体


中科院福建物构所陈学元教授与台湾大学化学系刘如熹教授及博士后林群哲领导的研究小组,首次利用高效离子交换方法,成功制备出Mn4+掺杂的K2TiF6,K2SiF6,NaYF4与NaGdF4红光荧光粉,该类荧光粉于~460 nm具有强吸收带(频宽~50 nm),非常适合蓝光晶片的激发,同时其发射为~630 nm之尖锐谱线红光发射,相比氮(氧)化物红光荧光粉具有更高的流明效率。

K2TiF6:Mn4+荧光粉室温下的发光绝对量子效率达到98%,优于大部分现有的红色荧光粉,同时该荧光粉具有很好的荧光热稳定性,其在150 度下的发光强度达到室温下的98%。利用该红光荧光粉与YAG:Ce3+黄色荧光粉组合封装的暖白光LED于60 mA驱动电流、色温3556 K,显色指数(Ra)81的条件下,流明效率高达116 lm/W。研究团队所开发的离子交换制备方法简单,于室温与常压下即可制备,且原材料价格便宜,因此具有很好的市场应用前景。

此外,研究团队还对Mn4+离子在氟化物基质中的光谱特性展开了深入研究,借由低温高分辨镭射光谱等方法,揭示了其电子能级结构,解释了其反常的发光强度-温度依赖关系,这些为进一步研究和开发此类非稀土红光发光材料提供了可靠的理论依据。上述研究成果以全文形式2014年7月8日线上发表于《自然─通讯》(Nature. Commun. 2014,DOI: 10.1038/ncomms5312)。

近年来,刘如熹教授所领导的研究小组在无机发光材料的研究兼顾基础与实际应用,除了在国际上重要期刊如Angew. Chem. It. Edit.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Mater .等发表多篇重要著作(其中有4篇论文被ESI公布为高引用论文)外,并已获60件以上专利。



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