反应烧结法制备Ce:YAG透明陶瓷及其在白光LED的应用

发布时间：2020-08-03 07:53

【摘要】：白光LED作为第四代照明光源,相对于传统照明光源,在光效、寿命、亮度和节能方面具有很大的优势。对传统白光LED器件的研究发现,荧光粉对传统的荧光粉白光LED器件的性能有很大影响。在这种封装结构中,由于荧光粉与环氧树脂不能完全混合均匀,导致其光学均匀性较理论值相差较大。另外,虽然LED电光转换效率高,被称为冷光源,但在大功率LED器件的工作过程中,产生的热量仍然可观。由于兼具透镜作用的环氧树脂的包覆,LED器件热量散发受阻,结温过高会导致荧光粉性能下降,也会使环氧树脂老化、甚至脱落。因此急需用新型的荧光体材料来克服这一问题。本论文通过用散热特性较好的Ce:YAG透明陶瓷作为荧光体进行封装,旨在努力克服LED器件的散热问题。目前制备Ce:YAG透明陶瓷主要有两种方式:一种是先制成Ce:YAG纳米粉,然后进行固相烧结;另一种是在真空或气氛条件下直接反应烧结成型。相对于前者,直接通过反应烧结法制备荧光体能够节省时间、节约资源,利于其工业化生产。本论文采用的是一步反应烧结法制备荧光体。分别利用真空和常压反应烧结法制备出Ce:YAG陶瓷,并对陶瓷和封装器件进行系列表征和对比分析。通过所制备陶瓷的X射线衍射物相结构分析得知,两种烧结方式得到的产物均为YAG相,未见第二相。制备出的Ce:YAG透明陶瓷硬度较大,超过了1400kg/mm2。由陶瓷断面扫描电镜和透过率分析可以发现,真空烧结反应法制备的透明陶瓷致密度比常压烧结的更高,内部孔隙较少,陶瓷具备一定的透过率。对制备的Ce:YAG透明陶瓷进行激发光谱和发射光谱检测,发现激发光谱波长在340nm和458nm处,发射光谱在545nm处,发射光谱范围是490nm-675nm。说明该透明陶瓷可以在蓝光的激发下产生黄光,用作白光LED器件的荧光体,该透明陶瓷片的量子效率在60%以上。将真空烧结法制备的Ce:YAG透明陶瓷片封装为COB白光LED器件,进行分析测试,包括光效和光通量,色坐标和色温,显色指数和色容差等光电色参数。并将Ce:YAG黄色荧光粉以同样工艺封装并测试其性能,与透明陶瓷封装器件性能对比。由于人眼对555nm附近的黄光较敏感,因此,在一定范围内,增加Ce~(3+)的含量或陶瓷片的厚度可以提高其光通量和光效。通过显色指数和色坐标测试可以知道,0.25%和0.5%掺杂浓度的透明陶瓷封装成的白光LED器件相对于纯白色坐标颜色均偏黄,说明其厚度较厚或者Ce~(3+)较高。综合比较各性能,在1750°C真空反应烧结条件下,掺杂浓度为0.25%、厚度为0.4mm的透明陶瓷封装的LED器件光效最高,光学性能较好。对封装的白光LED器件进行色容差检测发现,其色容差较大,与市场要求还有一定差距。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ174.7;TN312.8
【图文】：

荧光粉,白光,蓝光,器件

该 LED 器件能够发出纯度较高的黄光。直到 80 年代，对 GaAs、AlP 等材料的研究加深，将其使用在 LED 器件上，产生了第一代高强度 LED 器件。20 世纪 90 年代，随着对 LED 研究的深入，技术也变得更加全面。在 LED器件上开始采用 AlInGaP，相继产生了橙黄、黄、绿等颜色的 LED 器件。1994年，日本研发出第一只蓝光 LED 器件。随后在这一技术基础上，日本中村修二成功研制出了第一只白光 LED。通过在蓝光 LED 器件的芯片上涂覆 YAG:Ce3+荧光粉，在蓝光芯片的激发下，YAG:Ce3+荧光粉可以产生黄光，从而蓝光和黄光合成白光，制成白光 LED。在激发产生的黄光和芯片发出的蓝光的共同作用下发出白光[11]。人类开始进入白光 LED 时代，中村修二也被称为“白光 LED之父”。这种通过光源激发荧光粉并进行光转换的方式成为之后大部分 LED 器件的实现原理。目前商业化白光 LED 的主要实现方式是通过蓝光 LED 芯片+YAG:Ce3+荧光粉这一方式。21 世纪以来，各国对 LED 器件研发的关注和投入越来越多，LED 产业取得了告诉发展，光效也不断提高。2013 年，美国 CREE公司宣布，该公司制备的大功率白光 LED 光效高达 276lm/W，是目前已知大功率白光 LED 的最大光效[12]。图 1-1 是荧光粉制备的 LED 器件的发展历程图。

发光原理,器件

半导体晶片可以分为两部分：p 型半导体和 n 型半导体p 型半导体以空穴为主，而 n 型半导体中电子占据主导地位。两部分半形成一个 p-n 结。图 1-2 是 LED 器件的发光原理图。LED 开始工作时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迁移并复合；在这一过程中，将多余的能量以光子的形式进行释放，电能到光能的转化。这就是 LED 的发光原理[14]。而 LED 器件发光的于发光的波长和频率，主要决定因素是 p-n 结的材料能量 Eg，其单位特(eV)，发光波长和频率与材料能量的关系如下[15]：Eg=hv/q=hc/ λq (1-λ=hc/(qEg)=1240/Eg(1-中 h——普朗克常数；v——电子运动速度；q——载流子电荷；c——光速；λ——光的波长。

直插式,基本结构,白光,蓝光

图 1-3 直插式 LED 和大功率 LED 的基本结构[17]LED 的主要组成部分有支架、引脚、芯片、金线和环氧树脂五个部分。其制造过程是；先将蓝光 LED 芯片固定在支架上，引出阴极和阳极，然后用金线将蓝光 LED 芯片与阴极和阳极连接起来。接着将反光罩罩在蓝光 LED 芯片上，起到聚光和固定的作用。最后，将混合了 YAG:Ce3+荧光粉的环氧树脂包覆在蓝光 LED 芯片上，形成一层透明的环氧透镜。环氧树脂的作用是保护芯片，并且还有一定的聚光作用。在白光 LED 器件的制作中，需要将 YAG:Ce3+荧光粉均匀混合在环氧树脂中，并涂覆在蓝光 LED 芯片表面，在蓝光的激发下，可以使LED 产生白光。直插式 LED 和大功率 LED 的基本结构如图 1-3 所示。1.3 白光 LED 实现原理及存在的问题1.3.1 白光 LED 发光原理生活中采用的照明光源大都是白光光源，因此白光 LED 器件的制备也极为重要。白光并不是单色光，而是由多种颜色的单色光混合而成。白光 LED 的发

【参考文献】