白光LED玻璃陶瓷的制备、结构与性能研究
发布时间：2021-03-08 23:57
目前主流商用白光LED均采用“黄色荧光粉+蓝光芯片”的组合来实现白光发射,但是封装所用的硅胶在大功率光辐射或较高使用温度下容易老化,导致产品光衰、色偏等问题。因此,采用荧光透明玻璃陶瓷替代荧光粉/聚合物荧光转化层,已经成为白光LED领域的研究热点。本论文制备了三种基于紫外或者蓝光激发的荧光玻璃陶瓷,通过XRD、SEM、TEM、荧光光谱等表征方法对样品的微观结构和发光性能进行分析,并将样品与商业蓝光芯片耦合封装成白光LED器件,探究其是否满足白光LED的照明要求。研究成果包括以下内容:（1）基于CaO-P2O5-SiO2-Al2O3-ZrO2-Eu2O3-Tb4O7体系,采用整体析晶法制备了紫外激发的透明玻璃陶瓷。XRD和TEM结果证实在玻璃基体中均匀分散了30-50 nm的α-Ca3（PO4）2纳米晶。P...
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
照明光源的发展Fig.1.1Developmentoflightingsources
桂林理工大学硕士学位论文2述，随后由Nakamura和Fasol等人进行了验证[9]。1996年，日亚化学公司通过涂有黄色荧光粉（Ce:YAG）的蓝色InGaNLED芯片发明了一种全新的照明设备，即基于荧光粉和蓝光芯片组合的白光LED照明[10]。此后，白光LED的身影涵盖众多领域，包括室内外照明、汽车照明、显示屏背光及生物补光等（如图1.2所示），并以此开发的附属产品多达上万种[11]。图1.2白光LED的实际应用：（a）室内照明；（b）汽车激光LED大灯；（c）显示屏背光模组（miniLED）;（d）植物生长补光灯Fig.1.2PracticalapplicationofwhiteLED:(a)indoorlighting;(b)automotivelaserLEDheadlights;(c)displaybacklightmodule(miniLED);(d)plantgrowthfilllight（1）室内外照明：相比于荧光灯、白炽灯，白光LED在能效、使用寿命、色彩还原度、光照色温可调等方面的优势更适用于室内照明。同时，功能多样、种类繁多的LED产品可应用于任何场景下的照明光源，包括室外路灯、景观照明、休闲场所以及博物馆等专业照明场地。（2）汽车照明和交通信号灯：在20世纪50年代，卤素灯的发明逐渐取代白炽灯成为汽车的主要灯泡，并一直沿用至今。白光LED的高亮度、高稳定性和高寿命，成为汽车厂商的首眩汽车上所有照明用品包括大灯、雾灯、尾灯、转向信号灯等均为LED照明光源。此外，白光LED灯光的强穿透性使得其被广泛用于交通指示，例如信号灯、警示灯之类。（3）显示屏背光模组：液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay，LCD）作为非发光性的显示装置，须要借助背光源才能达到显示的功能。MiniLED的出现可以为LCD显示技术带来新的发展潜力，它能够实现局部调光，并且弥补LCD屏幕出现漏光、耗电大、
桂林理工大学硕士学位论文3色彩对比度低等先天条件。（4）棚内植物生长补光：近年来，由于市场需求，菜农普遍采用温室大棚生产反季节花卉、瓜果、蔬菜等，这就对植物生长的光照条件提出需求，而LED补光灯具有光谱范围广、节能高效等优点被大量使用。1.2白光LED的介绍1.2.1LED芯片的发光原理LED芯片是一种半导体材料（例如氮化镓、砷化镓等）制备而成的发光器件，能够在正向偏压下发射高强度光子，实现将电能直接转化为光能的目的。半导体晶片可以分为两部分：p型半导体和n型半导体，其中p型半导体以空穴为主，而n型半导体中以电子为主。两部分半导体结合形成一个p-n结。当LED芯片通电开始工作时，p-n结的动态平衡就会被打破，p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子互相向对方迁移并复合；在此过程中，多余的能量以光子的形式进行释放，从而完成电能到光能的转化，这就是LED芯片的发光原理（如图1.3所示）。因此，当LED芯片使用不同的半导体材料时，发光颜色会随之改变，例如砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光[12]。图1.3LED的发光原理示意图Fig.1.3SchematicdiagramofLEDillumination1.2.2白光LED的实现方式自然界大部分的颜色都是由多种颜色复合形成的。如图1.4所示，以红、绿、蓝三种颜色为基本色，按照不同的比例混合，就能复合出包括白色在内的任何颜色，这也是实现白光LED的基本原理。目前，实现白光LED的形式包括以下三种：
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃陶瓷的研究与发展[J]. 刘道春,崔利军. 陶瓷. 2019(11)
[2]照明及显示用稀土发光材料[J]. 张霞,陈晓霞,刘荣辉,刘元红,庄卫东. 金属功能材料. 2019(05)
[3]YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application[J]. Hui HUA,Shaowei FENG,Zhongyu OUYANG,Hezhu SHAO,Haiming QIN,Hui DING,Qiping DU,Zhijun ZHANG,Jun JIANG,Haochuan JIANG. Journal of Advanced Ceramics. 2019(03)
[4]热处理温度对溶胶凝胶Bi2O3-SiO2-B2O3系玻璃粉体结构的影响[J]. 陆正华,袁鸽成,刘华,李倩,厉佩贤. 材料科学与工程学报. 2019(03)
[5]锂电池研究中的X射线多晶衍射实验与分析方法综述[J]. 张杰男,汪君洋,吕迎春,禹习谦,李泓. 储能科学与技术. 2019(03)
[6]Optical characteristics of Ce,Eu:YAG single crystal grown by Czochralski method[J]. Jingfeng Zhang,Guorui Gu,Xiaoxuan Di,Weidong Xiang,Xiaojuan Liang. Journal of Rare Earths. 2019(02)
[7]Ce:YAG荧光陶瓷掺杂Gd对白光LED发光性能的影响[J]. 邵秀晨,周圣明,唐燕如,易学专,郝德明,陈杰. 无机材料学报. 2018(10)
[8]白光LED用橙色发射荧光粉Y3Mg2AlSi2O12∶Ce3+的制备研究[J]. 闫世润,陈晓倩,邓陶丽,胡建国. 上海师范大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]白光LED用新型YAG:Ce玻璃陶瓷的制备与发光性能[J]. 崔三川,陈国华,姚乐琪,袁昌来. 中国有色金属学报. 2017(09)
[10]白光LED用Phosphor-in-Glass荧光材料的研究进展[J]. 张瑞,王伯阳,王海. 无机材料学报. 2017(04)
博士论文
[1]白光LED用铈铽激活高效蓝、绿荧光粉发光性能的研究[D]. 肖宇.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]白光LED用Ce3+、Eu2+掺杂的几种典型发光材料的制备及发光性能研究[D]. 毛爱君.兰州大学 2019
[3]基于f-d跃迁的三种含氧酸盐稀土荧光材料的制备和性质研究[D]. 曾鹏.中国科学技术大学 2018
[4]基于先进封装材料的高性能LED封装技术研究[D]. 雷翔.华中科技大学 2017
[5]氧化物基白光LED荧光粉的设计与合成[D]. 侯京山.东华大学 2014
硕士论文
[1]白光LED封装用高折射率荧光玻璃制备及其显色性能调控[D]. 许旭佳.武汉理工大学 2018
[2]白光LED用光谱可调荧光材料的研究[D]. 刘曼.长春理工大学 2017
[3]功率型混合白光LED模块照度和色温控制[D]. 蔡嘉毅.闽南师范大学 2016
[4]稀土掺杂新型氧化物基白光LED荧光粉的设计合成及性能研究[D]. 刘冯新.上海应用技术学院 2015
[5]Ce:YAG纳米粉体及透明陶瓷的制备和性能研究[D]. 汪勇.深圳大学 2015
[6]溶胶凝胶法制备锂锌铝硅系统微晶玻璃材料的研究[D]. 王晶.武汉理工大学 2012
本文编号：3071882
【文章来源】：桂林理工大学广西壮族自治区
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
照明光源的发展Fig.1.1Developmentoflightingsources
桂林理工大学硕士学位论文2述，随后由Nakamura和Fasol等人进行了验证[9]。1996年，日亚化学公司通过涂有黄色荧光粉（Ce:YAG）的蓝色InGaNLED芯片发明了一种全新的照明设备，即基于荧光粉和蓝光芯片组合的白光LED照明[10]。此后，白光LED的身影涵盖众多领域，包括室内外照明、汽车照明、显示屏背光及生物补光等（如图1.2所示），并以此开发的附属产品多达上万种[11]。图1.2白光LED的实际应用：（a）室内照明；（b）汽车激光LED大灯；（c）显示屏背光模组（miniLED）;（d）植物生长补光灯Fig.1.2PracticalapplicationofwhiteLED:(a)indoorlighting;(b)automotivelaserLEDheadlights;(c)displaybacklightmodule(miniLED);(d)plantgrowthfilllight（1）室内外照明：相比于荧光灯、白炽灯，白光LED在能效、使用寿命、色彩还原度、光照色温可调等方面的优势更适用于室内照明。同时，功能多样、种类繁多的LED产品可应用于任何场景下的照明光源，包括室外路灯、景观照明、休闲场所以及博物馆等专业照明场地。（2）汽车照明和交通信号灯：在20世纪50年代，卤素灯的发明逐渐取代白炽灯成为汽车的主要灯泡，并一直沿用至今。白光LED的高亮度、高稳定性和高寿命，成为汽车厂商的首眩汽车上所有照明用品包括大灯、雾灯、尾灯、转向信号灯等均为LED照明光源。此外，白光LED灯光的强穿透性使得其被广泛用于交通指示，例如信号灯、警示灯之类。（3）显示屏背光模组：液晶显示屏（LiquidCrystalDisplay，LCD）作为非发光性的显示装置，须要借助背光源才能达到显示的功能。MiniLED的出现可以为LCD显示技术带来新的发展潜力，它能够实现局部调光，并且弥补LCD屏幕出现漏光、耗电大、
桂林理工大学硕士学位论文3色彩对比度低等先天条件。（4）棚内植物生长补光：近年来，由于市场需求，菜农普遍采用温室大棚生产反季节花卉、瓜果、蔬菜等，这就对植物生长的光照条件提出需求，而LED补光灯具有光谱范围广、节能高效等优点被大量使用。1.2白光LED的介绍1.2.1LED芯片的发光原理LED芯片是一种半导体材料（例如氮化镓、砷化镓等）制备而成的发光器件，能够在正向偏压下发射高强度光子，实现将电能直接转化为光能的目的。半导体晶片可以分为两部分：p型半导体和n型半导体，其中p型半导体以空穴为主，而n型半导体中以电子为主。两部分半导体结合形成一个p-n结。当LED芯片通电开始工作时，p-n结的动态平衡就会被打破，p型半导体中的空穴和n型半导体中的电子互相向对方迁移并复合；在此过程中，多余的能量以光子的形式进行释放，从而完成电能到光能的转化，这就是LED芯片的发光原理（如图1.3所示）。因此，当LED芯片使用不同的半导体材料时，发光颜色会随之改变，例如砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光[12]。图1.3LED的发光原理示意图Fig.1.3SchematicdiagramofLEDillumination1.2.2白光LED的实现方式自然界大部分的颜色都是由多种颜色复合形成的。如图1.4所示，以红、绿、蓝三种颜色为基本色，按照不同的比例混合，就能复合出包括白色在内的任何颜色，这也是实现白光LED的基本原理。目前，实现白光LED的形式包括以下三种：
【参考文献】：
期刊论文
[1]玻璃陶瓷的研究与发展[J]. 刘道春,崔利军. 陶瓷. 2019(11)
[2]照明及显示用稀土发光材料[J]. 张霞,陈晓霞,刘荣辉,刘元红,庄卫东. 金属功能材料. 2019(05)
[3]YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application[J]. Hui HUA,Shaowei FENG,Zhongyu OUYANG,Hezhu SHAO,Haiming QIN,Hui DING,Qiping DU,Zhijun ZHANG,Jun JIANG,Haochuan JIANG. Journal of Advanced Ceramics. 2019(03)
[4]热处理温度对溶胶凝胶Bi2O3-SiO2-B2O3系玻璃粉体结构的影响[J]. 陆正华,袁鸽成,刘华,李倩,厉佩贤. 材料科学与工程学报. 2019(03)
[5]锂电池研究中的X射线多晶衍射实验与分析方法综述[J]. 张杰男,汪君洋,吕迎春,禹习谦,李泓. 储能科学与技术. 2019(03)
[6]Optical characteristics of Ce,Eu:YAG single crystal grown by Czochralski method[J]. Jingfeng Zhang,Guorui Gu,Xiaoxuan Di,Weidong Xiang,Xiaojuan Liang. Journal of Rare Earths. 2019(02)
[7]Ce:YAG荧光陶瓷掺杂Gd对白光LED发光性能的影响[J]. 邵秀晨,周圣明,唐燕如,易学专,郝德明,陈杰. 无机材料学报. 2018(10)
[8]白光LED用橙色发射荧光粉Y3Mg2AlSi2O12∶Ce3+的制备研究[J]. 闫世润,陈晓倩,邓陶丽,胡建国. 上海师范大学学报(自然科学版). 2017(06)
[9]白光LED用新型YAG:Ce玻璃陶瓷的制备与发光性能[J]. 崔三川,陈国华,姚乐琪,袁昌来. 中国有色金属学报. 2017(09)
[10]白光LED用Phosphor-in-Glass荧光材料的研究进展[J]. 张瑞,王伯阳,王海. 无机材料学报. 2017(04)
博士论文
[1]白光LED用铈铽激活高效蓝、绿荧光粉发光性能的研究[D]. 肖宇.中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所) 2019
[2]白光LED用Ce3+、Eu2+掺杂的几种典型发光材料的制备及发光性能研究[D]. 毛爱君.兰州大学 2019
[3]基于f-d跃迁的三种含氧酸盐稀土荧光材料的制备和性质研究[D]. 曾鹏.中国科学技术大学 2018
[4]基于先进封装材料的高性能LED封装技术研究[D]. 雷翔.华中科技大学 2017
[5]氧化物基白光LED荧光粉的设计与合成[D]. 侯京山.东华大学 2014
硕士论文
[1]白光LED封装用高折射率荧光玻璃制备及其显色性能调控[D]. 许旭佳.武汉理工大学 2018
[2]白光LED用光谱可调荧光材料的研究[D]. 刘曼.长春理工大学 2017
[3]功率型混合白光LED模块照度和色温控制[D]. 蔡嘉毅.闽南师范大学 2016
[4]稀土掺杂新型氧化物基白光LED荧光粉的设计合成及性能研究[D]. 刘冯新.上海应用技术学院 2015
[5]Ce:YAG纳米粉体及透明陶瓷的制备和性能研究[D]. 汪勇.深圳大学 2015
[6]溶胶凝胶法制备锂锌铝硅系统微晶玻璃材料的研究[D]. 王晶.武汉理工大学 2012
本文编号：3071882
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