(灯用荧光粉)灯用发光材料----课题组

297，313，600-900 365
254
50-100
85 20
80
一般照明 一般照明
发光指示
低压汞稀有气体放 254（其 50-150 80
电UV
他线谱）
高频感应气体放电 254 （UV）100-200 80
LCD背光 源
保养灯
白光LED Light Emitting Diode
▪发热量低 耗电量少—白炽灯的 1/8，荧光灯的1/2 ▪ 环保—耐冲击不易破， 废弃物可回收 ▪ 寿命长—数万小时以 上，荧光灯的10倍 ▪ 体积小可平面封装
白光LED激发源 λex = 460 ~ 480nm
λex = 360 ~ 430nm
——主要由芯片发出370 ~ 480nm波段的
长波紫外、紫光和蓝光（无气体吸附，离子轰击）
Y3Al5O12（YAG：Ce）钇铝石榴石
目前的LED显示照明的一些产品
荧光粉的一些其他用途
除了用于普通照明外，荧光粉在防伪、防虫诱虫、保健、植物 生长宇航探测、案件侦破等方面也发挥重要作用。
在一些行业如印 染、医院、美术 馆等对光源显色 性要求较高。
R1
R2
R7
R8
CIE的八种标准色样是用来比对光源的显色指数
钠灯光谱
白炽灯的黄光(左)，可完美地展现色彩；而低压 钠灯的纯黄光(右)，就无法清楚辨识各种色彩。
对于发光体来 说，其颜色特 性取决于发射 光的峰值波长 和带宽，当用 白光照射物体 时，颜色的感 觉取决于反射 光的宽度和峰 值波长。
大约24％的输入能量产生光辐射。
几种采用气体放电激发发光材料的光源比较
荧光灯 高压汞灯 荧光指示灯 冷阴极灯 无极荧光灯
激发源
激发波长 荧光粉上 荧光粉发射 主要应用
（nm）
激发源强 占总发光的 领域 度W.M-2） 百分比
低压汞电Fra Baidu bibliotek放电UV 高压汞电弧放电UV
低压汞辉光放电UV
185,254 250-450
1948年卤粉 普及应用。可以通过调变Sb，Mn浓度及Cl， F比例来改变发光色，制成不同色温的白色荧光粉。 Sb:480nm;Mn: F-apatite 575nm,Cl-apatite 585nm
[Mn]:[Sb] Color Temperature
2007年: 40W
Tc
Ra
6500 K 76
4200 K 58
2950 K 51
l (lm/W) 66 78 78
卤粉的特点
优点：
单一基质,发光效率高，光色可调（暖白色、白色、冷白色、 日光色）价格低廉,至今仍是直管型荧光灯（26mm,38mm） 用重要发光材料，2007年全国产量3200吨。 缺点： （1）发光谱中缺乏<450nm的蓝光和>600nm的红光，使灯 的Ra值偏低。加入一定比例的蓝、红粉，Ra可提高，但光 效下降。光效与显色性不能同时提高。 （2）在185nm紫外线作用下，会形成色心，使灯的光衰较 大，限制了其在紧凑型荧光灯中应用。
使之在高温下辐射光能的光源。
1879年爱迪生发明 白炽灯
白炽灯具有黑体辐射的特点，光的颜色和亮度取决 于灯丝温度-基尔霍夫辐射定律 。 黑体的光谱辐射亮度
Black Body Radiation
1879年 光效 1.4 lm/W 寿命 几十小时
2001年 10～15 lm/W 2000 小时
特点：
灯用荧光粉
2009.2.14
主要内容
1 、照明光源发展历程 2、有关光源及荧光粉的几个概念 3、三基色荧光粉及几种特殊用途荧光粉
辐射与光
E=ħ= ħC/
White light
Prism : 380~780 nm
可见光
Visible light
400
500
600
700
Gamma rays
X-rays
光源效率 光通量 (流明lumen，lm)
指人眼能感觉到的电磁波辐射能量。 光通量并不是光 源所发出的功率，而是人眼能感觉到的那部分光源的光 功率。它等于单位时间内每一波段的辐射能量与该波段 相对视见率的乘积。 （人眼对555nm的黄绿光最为敏感，国际上将该波长的 感觉量定为1，而其他与555nm光辐射量相等、波长不 同的光的感觉量均小于1。某波长可见光与555nm光的 视见率的比值，称为该波长的相对视见率。一流明等于 555nm黄绿光的辐射通量的1/683.
白炽灯 暖白色 白色 冷白色 日白色 日光色
色温（K） 色坐标
xy
2700 0.460 0.416
2900 0.440 0.403
3500
0.409 0.394
4200
0.372 0.375
5000
0.340 0.363
6500
0.313 0.337
显色性 color rendition
显色性是照明光源的一个重要技术指标，用显色指数 Ra（0－100）来表示。光源的显色指数是待测光源下 物体的颜色与标准参照光源下物体的颜色相符合程度 的度量。 Ra越接近100越好。
80％。如果50％白炽灯
被荧光灯取代，CO2排 放减少1亿吨。
荧光灯发光机理：
荧光灯管壁涂发光材料，管内充(400Pa)Ar和(0.8Pa)Hg。 灯丝为涂碱土金属氧化物的钨丝。电流通过灯管，Hg原 子受电子轰击被激发，随即回到基态产生发射。Hg的某 些发射(253.7nm)激发荧光粉发光。
输入电能转化情况
显色指数：100% 色温 2800 K
转化为可见光能为12~18%。
欧盟， 澳洲， 加拿大
逐步禁止使用
卤钨灯
光效： ～15lm/W
大腹便便
气体放电灯
电流流经气体(金属蒸气)，使之产生气体放电而发光的光源
1 荧光灯FL（低压汞灯） 荧光灯比白炽灯节电约
直管型T5，T8，T12 U、双U型
鞍型、螺旋型
常用光源的光色不一定准确 地落在黑体轨迹上, 所以用光 源与黑体轨迹最接近的颜色 来确定该光源的色温, 这样确 定的色温叫“相关色温”。 某个色温有确定的色坐标;而 某相关色温无确定的色坐标, 它们是黑体轨迹曲线上过此 色温点的法线(又称等温线)上 一点。
几种光源的Tc和 色坐标（x, y）
光色
荧光粉（phosphor）
荧光粉是指在紫外辐照、X-射线、 电子轰击、摩擦或其他激发方式 作用下可以产生辐射的一类材料。
荧光粉一般需一种基质晶体结构，例如ZnS、Zn2SiO4 等，再掺入少量稀土或过渡金属Mn2+、Sn2+、Ce3+、 Tb3+、Eu2+等阳离子。这些阳离子往往是发光活性中心， 称作激活剂（Activator）。有时还需要掺入第2类型的 杂质阳离子，称作敏活剂（Sensitizer）。 分类： 按激发方式：电致激发，光致激发，X射线激发…
量子效率(%)－通常用于荧光粉
发射光子数量与吸收光子数量的比值，经常采用相 对值（内量子效率－不考虑吸收）。
颜色特性
色温 color temperature Tc
光源所发出的光与黑体某一温度下辐射的光颜色相同时， 黑体的温度称为该光源的色温。
相关色温（CCT） Correlated Color Temperature K
荧光粉发光过程图解
激发 能量传输 复合发光 三步
衡量照明光源好坏的两个方面：
数量方面：效率如何，输入同样的电能得到的有效光输 出多少？（光通量、光效、量子效率、能量效率）
目前照明通用的是以Hg等离子体为激发源，它的能量 转换效率达到75％。
质量方面：光的品质－颜色特性，有两个方面意思： 1.人眼观察时所看到的颜色，称为光源的色表。 色温 2.光源的光照射到物体上所产生的客观效果。显色性
Ultraviolet rays
Infrared rays
Radar
Broadcast bands
10 -5 10 -3 10 -1 10 1 10 3 10 5 10 7 10 9 10 11 10 13
Wavelength in nanometers (billionths of a meter)
产生白光的LED的几种方案
A. A. Bergh, Phys. Stat. Sol. (a) 201,2740(2004)
LED用和灯用荧光粉的异同
相同点： 均为光致发光 相异点：激发源，环境（汞，气体）
灯用荧光粉
λex = 253.7nm
——Hg的253.7nm紫外辐射，Ar＋，Hg＋，Hg气
新型无Hg光源
LED的发光原理
在p-n结处，电子和空穴相遇、复合，产生发光。光子
的波长由能带间隙Eg=所决定: eV； ：nm.
=1240/Eg Eg：
每一种LED的芯片都有其特定的Eg值，因而都有其特 定的发光颜色。
单色光LED
Lamp Spectrum vs Material System
荧光灯的结构和基本电路
185nm 5%
254nm 60% 可见 6％ 热能 26％ 电极损耗 3％
2 冷阴极荧光灯 CCFL
(LCD背光源）
• 主要由玻壳、电极、荧光粉、惰性气体等组成
• CCFL灯管是辉光放电（原理同霓虹灯）
灯管两端接入高电压，电极发射出电子，电子与管
内Hg撞击， 激发Hg， Hg发出紫外线（主要 253.7nm）激发内管壁涂敷的荧光粉。
磷化镓
铝镓砷
氮化铟镓 570 铝铟镓磷
380
540 580
640 660
350
500
UV
600
700
IR
Compound semiconductors used in visible light emitters
F. A. Ponce and D. P. Bour, Nature 386, 351 (1997)
灯用荧光粉性能要求
一 1． 高的发光效率（量子效率）；
次
2． 预期的发光光谱和色坐标（Tc，Ra）；
特 3． 优异的温度特性（热稳定、热猝灭）；
性 4．在强的紫外线激发下光效不易饱和等性能。
二 次 特 性
1. 分散性（在涂敷液中的分散性）； 2. 涂敷性:外观膜质(粒度及级配,形貌)、干湿粘着力； 3. 稳定性：热、化学、耐紫外光稳定性； 4. 光衰特性：光输出随点燃时间而衰减的性质， 常以 流明维持来代表。一般认为，光通维持率达到光通初
AC circuits
10 15 10 17
Old and new lighting technologies
照明耗电占总电消耗的20～25％（在超市商场占40 ％），高效照明光源的使用对节能减排，环境保护 有重要意义。
烛光照明
烛光油灯传承人 类文明
古代油灯
白炽灯－热辐射光源。电流流经导电物体，
第二代荧光粉 1948年－ 1942年:英国学者A.H.Mckeag等研制成单一组分的 3Ca3(PO4)2.Ca(F.Cl)2:Sb,Mn （人们通常称为卤粉，也写 作Ca10(PO4)6ClF:Sb,Mn，羟基磷灰石结构）。
卤粉的发射光谱
卤磷酸钙中Sb发射的激发光谱 实线4.2K,虚线 290K
3高压汞灯HPML
工作气压为几个大气压 管壁温度可达200~250 oC
436 405
546 578
～25％辐射为可见， 缺红光，它照射下 的物体发青，因此 只适于广场、街道 的照明 。为了改 善颜色特性，需加 一些荧光粉。
高压Hg蒸气谱线
颜色校正用荧光粉
4 金属卤化物灯
高压汞灯基础上发展来，将金属卤 化物加入到高压汞灯中，放电时金 属发出自己的特征谱线，填补汞谱 线的空白，增加灯光的红色部分。
em = 480 nm Bluish white emission
MgWO4和CaWO4的发射光谱
Zn2SiO4:Mn2+ 反射光谱
Zn2SiO4:Mn2+ (Zn,Be)2SiO4:Mn2+
A Zn2SiO4:Mn2+的反射光谱; B,C分别为Zn2SiO4:Mn2+和 (Zn,Be)2SiO4:Mn2+的发射光谱
始强度50％时定为寿命 。
早期的照明用荧光粉
第一代荧光粉
1938年: GE推出荧光灯(40W灯光效 ：40 lm/W)
荧光粉： Zn2SiO4：Mn (ZnBe)2SiO4: Mn CaWO4 Cd2B2O5 : Mn
（G） （R） （B） （R）
荧光粉化学式表示法 基质晶体：激活剂（激活剂价态要写上）
Reproduced from <luminescent materials>
Reproduced from <Phosphor Handbook>
Cd2B2O5 : Mn的激发和发射光谱
优点：光效比白炽灯提高2～3倍。 缺点：几种发光材料相对密度、粒度不同，不易匹配， 铍镉又有毒性。从1948年开始逐渐被卤粉取代。
人眼的视觉特性
人的视觉状态有三种：
锥状光敏细胞 杆状光敏细胞
人眼对不同颜色光的灵敏度不同
视 见 函 数
流明效率(lm/W)：
是指发光材料发射的光通量（以流明为单位）与激 发时输入电功率或吸收其他形式的能量总功率之比 值。通常用流明效率表示荧光灯的发光效率。 流明定义是在离一烛光的点光源单位距离的单位表 面上的光通量。而一烛光的定义是黑体在2046K温 度时1cm2面积上辐射强度的1/60。