LED发光材料的制备及应用前景

LED发光材料的制备及应用前景

尹思奇

天津三安光电有限公司，天津300384

摘要：发光二极管(LED)在日常生活生产中得到了广泛的应用。本文论述了LED发光材料的制备方法及应用前景。

关键词：发光二极管；制备方法；应用前景

发光材料在各个领域得到了广泛的应用，其中照明显示领域应用最为广泛。当前，该领域的研究重点集中在LED发光材料，尤其是白光LED作为一种新一代的节能光源，已引起了人们的广泛关注。目前，实现白光的主流方案是荧光粉转化法，因荧光粉决定了白光LED的重要特性，如光转换效率、流明效率、光通、相关色温、色坐标和显色指数等。因此，开发新型荧光粉和对现有荧光粉进行改性，对白光LED的发展具有重要意义。

1发光材料分类

发光材料是指能以某种方式吸收能量，并将其转化为光辐射(非平衡辐射)的物质材料。能量以某种方式被物质吸收，并转化为光辐射(非平衡辐射)的过程称为发光。

（1）无机材料。无机荧光材料的代表是稀土离子发光和稀土荧光材料，其优点是吸收能力强，转化率高，稀土配合物中心离子窄带发射有利于全色显示，而且物理化学性质稳定。因稀土离子具有丰富的能级与4f电子跃迁特性，稀土已成为发光的宝库，为高科技领域，尤其是信息通信领域提供了优良的发光材料。到21世纪初，常用的无机荧光材料是碱土金属硫化物(如ZnS、CaS)、铝酸盐(SrAl2O4、CaAl2O4、BaAl2O4)等作为发光基质，以稀土镧系元素(Eu、Sm、Er、Nd等)作为激活剂与助激活剂。

（2）有机材料。在发光领域中，有机材料的研究越来越受到重视。由于有机化合物种类繁多，可调性好，色彩丰富，色纯度高，分子设计相对灵活。根据分子结构的不同，有机发光材料可分为：1)有机小分子发光材料；2)有机高分子发光材料；3)有机配合物发光材料。这些发光材料在发光机理、物理化学性能和应用等方面都有各自的特点。

2发光材料的制备方法

（1）高温固相烧结法。该方法首先对各种高纯原料进行研磨、混合和预处理，然后在一定温度下烧结，得到粗品。得到的粗品发光材料需经过后处理，才能完成整个材料的制备。这些后处理包括粉碎、选粉、洗粉、包覆、筛选等工艺。这些后处理工艺对发光材料的涂覆性能和抗老化性能等有严格的影响，因此，后处理在高温固相烧结过程中具有十分重要的意义。

（2）沉淀法。沉淀法是在一定温度下加入合适的沉淀剂，使含有一种或多种可溶盐的溶液发生水解，将不溶性氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出后，经洗涤、热分解或脱水得到氧化物粉料，然后在还原气氛中一定温度下烧结，冷却后得到产品。沉淀法使组分在溶液状态下均匀混合，从而使坯料颗粒细小、活性大、均匀分布，优化了基质结构，进而降低了反应温度。沉淀法有共沉淀法和均相沉淀法，共沉淀法主要是以组成发光材料的金属离子为基础，选择合适的沉淀剂作为共沉淀物而沉淀下来。这样，在溶液状态下，各组分的混合均匀性得到了保证，从而使掺杂的稀土离子可进入基质晶格。而均相沉淀法是制备发光材料的一种新方法，该方法制备的发光材料具有合成温度低、组成均匀、纯度高、颗粒细小等优点。

（3）水热法。水热法是高温高压下水或蒸汽等流体中化学反应的通用术语，是指使用水或其他水溶性液体作为密封反应容器中的介质，当加热到一定温度时，体系中的物质发生化学变化或反应，形成新的物质或新的相，密闭的反应器通常是一个反应釜。具体的过程是先将混合物溶解，然后转入到高压反应釜中，在一定的温度和压力下，该物质在溶液中发生化学反应，然后将样品蒸干进行热处理。水热法除具有工艺简单、物相均匀、纯度高等优点外，还可在中低温及其它难以获得物相及晶体的条件下实现液相控制。但与高温固相反应法相比，水热法制得的材料发光效率低，余辉性能差，结晶质量差，晶粒难以控制等。

（4）溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法是目前制备各种功能材料与结构材料的重要方法，是指金属有机或无机化合物通过溶胶和凝胶固化，然后热处理形成氧化物或其他固体化合物的方法。其基本原理是将金属盐和无机或有机化合物溶于水或有机溶剂中，形成均匀的溶液，溶液和溶剂发生水解、醇解或整合反应，将反应产物聚合成离子并形成溶胶，通过蒸发干燥将其转变成凝胶，然后通过干燥和热处理等获得目标材料。该方法的关键是控制水或水-氢氧络合物的水解速率，从而在碱性条件下制备出稳定的前驱液。溶胶-凝胶法工艺简单，操作方便，合成条件低，易于实现，同时还能提高材料的发光效率。

（5）燃烧法。燃烧法是金属硝酸盐与有机还原剂在较低温度下通过氧化还原反应制备的发光材料。在燃烧法制备材料的合成过程中，当反应物的温度达到放热反应所需的点火温度时，将以特定的方式被点燃，然后原料燃烧释放的热量将反应系统一直维持在高温下，这样合成过程就可独立地维持到反应结束，最终产物即为目标产物。该方法不存在高温固态反应晶粒大需粉碎研磨的缺点，并且不需要复杂的外部加热设备，生产过程渐变，反应快，产品纯度高，发光亮度不易受破坏，节能等优点，是制备发光材料的一种很有前景的方法。

3发光二极管(LED)

发光二极管(LED)由含镓(Ga)、砷(As)、磷(P)、氮(N)等的化合物制成，它是一种半导体电子元件，可将电能转换为光能。这种电子元件早在1962年就出现了，早期只能发出低光度的红光，然后其他单色光版本被发展出来。时至今日能发射的光已遍及到可见光、红外线和紫外线，并且光度也提高到相当的光度。

（1）应用。LED的应用十分广泛，它普遍存在于人们的日常生活生产中。由于其尺寸相对较小、正常工作释放的能量少等优势，在普通照明领域占有重要地位；因其效率高、亮度高、重量轻、尺寸小、节能环保、色彩丰富等优点，被用作LCD的背光源，所以在背光技术的应用中具有很好的优势；以其能耗低、可靠性高、性能稳定、安全可靠、使用寿命长、维修成本低等优点，在指示灯和交通灯的应用上具有独特的优势；以对比度好、亮度高、对动态图像处理能力强等优点，可应用于大规模的显示领域；色彩鲜明、色彩亮丽的优点，使其在对色彩的要求相比于对光源亮度的要求更高的景观装饰照明中得到了青睐；以其冷光源的特点，在汽车照明领域获得了广阔的市场。此外，LED在农业、畜牧业、医疗事业、养殖业等其他领域具有较大的潜在市场。

（2）前景。LED的市场前景宽广，相信将来会形成一个巨大的产业链，但在我国产业规模发展还存在许多不足之处。比如我国集成电路产业发展缓慢，液晶面板产业基础薄弱且投资大。当前，我国LED技术水平与国外相比差距较大，与日韩等国家相比，我国集成电路的技术基础薄弱，LED外延技术和工艺技术等的存备时间较长，并且我国的LED产业规模相对较小。我国研发基地大多集中在高等院校、科研院所，而不是各大型企业，严重影响了技术转化的速度，核心专利严重缺乏等是LED行业面临的困难。

在未来的社会中，人们更希望发光材料具有更强的发光强度、更高的效率、更低的驱动电压、更好的单色性、更节能环保，还希望发光材料能表现出一些惊人的物理化学性质，因此，目前发光材料的研究重点将是有目的地实现量子点的有序排列，而不是传统的简单复合掺杂，从而合成具有特殊结构的新型材料。

参考文献：

[1]卢忠远．共沉淀法制备超细长余辉发光材料铝酸锶铕镝的研究[J]．稀有金属，2014，29(01):20-24．

[2]陈国华.均匀沉淀法制备铝酸锶发光材料及其性能[J].中国有色金属学报，2015，19(06):1113-1118．

[3]周传仓.燃烧法合成铕镝掺杂铝酸锶长余辉发光材料的研究[J].化工新型材料，2014，32(08):33-36．