照明技术的发展与荧光陶瓷的使用 - 技术科普 - 新闻动态

照明技術的發展與熒光陶瓷的使用

日期：2021-08-04 瀏覽次數：次

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

照明在人類的生活中發揮著不可替代的作用，并隨著人類的進步而不斷地發展革新。19世紀末，愛迪生在經過成千上百次的試驗后最終發明了白熾燈，從此照明由火、油、氣進入到了電光源時代，然而白熾燈的電-光轉換效率非常低，只有10-20%。在能源危機、溫室效應日益嚴重的今天，人們正從基礎設施建設等各個領域尋求節能環保型技術。隨著社會的發展、科技的進步和環境保護意識的增強，人們迫切需要開發在新型的節能環保照明能源，于是新一代的固態照明技術應運而生。

各代照明產品性能表

固態照明技術是一種基于半導體芯片的全新照明技術，具有光電轉換效率高、節能、環保、全固態、使用壽命長等優點，被認為是21世紀的新型綠色光源。根據不同的激發芯片，固態照明分為發光二極管（LED）和激光（LD）照明。

LED照明

LED相比于傳統的熒光燈和白熾燈，具有節能環保、亮度高、色域廣及壽命長等優點，已廣泛應用于室內照明、顯示屏及交通信號燈等低功率照明和顯示領域。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、照射距離更遠，而且克服了LED固有的高功率下“效率下降”問題。

激光照明的應用

激光白光光源憑借其優異的性能逐漸在各種特殊領域中得到應用。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勢，這種激光大燈的亮度是傳統LED的一千倍，并具有節能、安全、射程遠和高效等特點。另一方面，激光白光光源因為具有亮度高、色域寬、方向性強和壽命長等優點在投影、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新性地利用藍光LD陣列遠程激發涂在旋轉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象以及散熱問題，成功開發出激光投影儀、激光電視等產品。除此之外，激光白光光源在可見光通信方面的應用也引起了人們的關注。其展現出幾千兆的數據傳輸速率和高的調制帶寬（＞5GHz）。相干光和準直光的特性適用于點對點數據傳輸以及其他點光源的應用。

LED大燈和激光大燈的對比示意圖

激光照明的實現方式

目前一般采用藍光LD激發黃色熒光粉的方式產生白光，原理為部分發出的藍光被熒光粉吸收發射黃光，未被吸收的藍光經熒光粉顆粒散射后和熒光粉發射的黃光，混合后形成白光。優點是這種方法只用一個藍光LD，藍光LD效率高，成本較低；且只使用一種熒光粉，產生的能耗較低，發光效率高；這種方式產生的激光光源更加穩定、制備工藝簡單、成本較低、便于工業化生產。缺點是使用此方式合成的白光光源光譜中缺少紅光成分，導致光源的顯色性差。但該缺點可以通過改進遠程熒光體的制備技術，增加照明光譜中的紅光成分提高光源的顯色性。

藍光LD激發黃色熒光粉產生白光的原理圖

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、陶瓷和復相陶瓷。熒光玻璃具有制造工藝簡單和光學性能優異等優點，但由于玻璃的熱導率較低，同時制備過程中玻璃基質容易與熒光材料發生反應破壞熒光材料的發光性能。與熒光玻璃相比，熒光薄膜的熱導率得到一定的提升，但是由于薄膜和基體之間結合界面存在一定的缺陷且結構無法調控等原因影響其在激光照明中的應用。與熒光薄膜相比，熒光單晶具有內量子轉換效率較高和熱學性能優異的特點，但由于熒光單晶內部缺少散射中心，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，熒光陶瓷和熒光復相陶瓷的微觀結構易于調節，熱導率高和化學穩定性優異，被認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光材料體系進行分類，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特的光學特性且易于實現燒結致密化的特性，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現對YAG:Ce陶瓷材料顯色指數的控制。針對黃色熒光陶瓷在激光照明中顯色指數低的問題，研究者也開發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，研究人員關注的另一個研究重點是具有優異光學性能的氮（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Mg-Sialon，但由于氮氧化物熒光材料的量子效率偏低，不適合在實際生活中應用，而氮化物熒光材料的熱擴散系數較低，不易實現燒結致密化。

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

BaMgAl₁₀O₁₇:Eu藍色熒光陶瓷

當然也可以制備復相熒光陶瓷應用于固態照明中，復相熒光陶瓷是指將熒光顆粒彌散分布在陶瓷基質中而得到的一種新型的熒光轉換材料形式。與單一的熒光陶瓷相比，其力學和熱學性能更加優異。例如YAG:Ce熒光陶瓷的熱導率為14W/(m·K)，通過與Al₂O₃形成復相陶瓷，其熱導率可以達到18.5W/(m·K)。目前固態照明用復相熒光陶瓷的研究主要集中在Al₂O₃/YAG:Ce復相熒光陶瓷。