高品质白光LED光源用发光材料应用现状及趋势

 

 

刘荣辉

 

　　有研稀土新材料股份有限公司发光事业部主任

 

　　《2018阿拉丁照明产业调研白皮书》关键材料 顾问

 

　　稀土发光材料是当前照明、显示和信息探测器件的核心材料之一，也是未来新一代照明与显示技术发展不可或缺的关键材料。目前稀土发光材料研发和生产主要集中在中国、日本、美国、德国和韩国，我国已成为世界上最大的稀土发光材料生产国和消费国。在显示领域，广色域、大尺寸、高清显示是未来该领域的重要发展趋势，目前广色域实现方式有多种，液晶显示、QLED、OLED及激光显示技术等，其中液晶显示技术现已形成了非常完备的液晶显示技术和产业链，具有最大的成本优势，也是国内外显示企业开发的重点。在照明领域内，类似太阳光的全光谱照明作为更为健康的照明方式，已成为业界关注的焦点。作为未来照明的一个重要发展方向，激光照明近年来越来越受到人们的关注，并已率先在汽车前大灯照明系统中获得应用，能够获得比氙气大灯或LED灯高得多的亮度和更低的能耗。光环境作为植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素，可通过光质调节、控制植株形态，促进植物生长，减短植物开花结果用的时间，提高植物产量、产能已成为全球关注重点，亟待开发适合植物生长照明用高性能发光材料。在信息探测领域内， 物联网以及生物识别(生物认证)技术具有万亿规模的市场前景，两者的核心部件均需要应用稀土发光材料的近红外传感器。随着照明及显示器件的更新换代，作为其核心材料的稀土发光材料也在发生着日新月异的变化，针对发光材料的现状和发展趋势详述如下。

 

　　1高品质显示技术用发光材料

 

　　1.1 广色域液晶显示LED背光源用发光材料

 

　　近年来，平板显示中液晶显示(LCD) 发展势头最为强劲，成为平板显示领域中的主导技术[1]。基于白光发光二极管(LED)背光源的液晶显示器以其色彩还原性好、功耗低、长寿命等突出优势，目前在液晶显示领域的渗透率已超过95%。针对液晶显示用白光LED的产生方式而言，通过综合考虑其技术、性能和成本等因素，“蓝光LED芯片+荧光粉”方式因技术成熟度高、成本相对较低，仍然是目前白光LED产生的主流方式[2]。对于液晶显示LED背光而言，利用“蓝光LED 芯片+荧光粉”产生的白光 , 经过滤光、分光后, 需要产生纯正的红、蓝和绿三色光，因而荧光粉是决定LED背光液晶显示器色域的关键因素 [3]。

 

　　目前LED背光液晶显示中普遍使用的荧光粉为Y3Al5O12:CE(YAG:CE)荧光粉体系及SIAlON:EU绿色荧光粉(部分采用硅酸盐绿粉)和氮化物红色荧光粉组合体系 [4,5]。由于前者的光谱波峰比较宽，色纯度不佳，其所制作的显示器色域显示范围约70%NTSC，而后一种技术方案显示色域范围仅可提高到80%NTSC，但绿粉的色坐标y值和红粉的色坐标x值均较低，显示器的色域显示范围难以达到85%NTSC以上，且光效较前种技术方案下降40%。广色域液晶LED显示技术是指具有90%NTSC以上的显示色域，通过其可精准呈现影像、丰富色调，实现还原真实世界的绝色视觉效果。目前广色域LED背光源显示的关键实现方式是“蓝光芯片+SIAlON:EU绿粉+氟化物红粉”体系[6]。然而, 目前国有研稀土开发的广色域液晶显示LED背光源用新型高效氟化物荧光粉的性能与国际水平处于相当水平，特别是开发了业内唯一可以批量供货的锗系氟化物荧光粉。国产 SIAlON:EU绿粉的性能与国外仍有较大差距，国内有研稀土等虽然可以实现高波段SIAlON:EU绿粉的小批量制备，但其主要市场均为国外企业所垄断。

 

　　目前，基于新型LED背光源的液晶显示色域产业化水平已经超过90%NTSC，亟待开发新型的荧光粉及LED背光源，进一步将液晶显示色域提升至110%NTSC、媲美OLED/QLED 技术，可喜的是，目前比现有氟化物荧光粉波长更长的窄带发射红粉以及比SIAlON:EU绿粉色纯度更高的绿粉研制已经已初现端倪，并有望在未来2-3年内达到应用水平，必将为高效利用我国已经建成了非常完备的液晶显示技术和产业链，夺取未来广色域液晶显示技术的制高点，实现我国在液晶显示技术的突破与赶超奠定非常好的材料基础。

 

　　1.2 其他新兴显示技术用发光材料

 

　　OLED具有主动发光、发光效率高、发光色纯度好、颜色鲜艳、功耗低、器件超轻薄、可柔性等诸多优点，利于全色显示，在显示领域均具有良好的发展前景，备受业界青睐[7]。OLED显示技术在电视、手机终端、VR、手表等可穿戴设备的应用潜力，以及国产OLED面板的逐渐被市场所认可，也将为OLED 显示产业提供爆发的力量[9]。根据市场调查，OLED电视机在美国的三千美金高端市场 中，2017年第一季度市场占有率达到65%，55英寸可达到100%，欧洲情况相同[12]。因此OLED显示技术仍有较好的应用前景。发光材料(红、蓝、绿 )是OLED显示器件的重要组成部分，它直接决定着器件性能及用途[8]， 达到应用要求的发光材料必需具有良好的综合性能，如高的发光亮度和量子产率;在近紫外或蓝光激发下，具有大的吸收截面和宽的激发范围;环境友好;良好的紫外光耐受性;良好的载流子传输性能;良好的热稳定性、成膜性等[10-11]，目前OLED显示用发光材料的综合性能仍需进一步提升。

 

　　量子点材料具有优异的发光性能，具有量子效率高、发光波长连续可调、半峰宽窄等特点，用量子点取代传统的荧光粉，使显示屏色域提升至110%NTSC[13]。但量子点发光材料在应用过程中仍有几个瓶颈问题需要克服。

 

　　首先，由于纳米晶颗粒尺寸小，比表面积大，在光、热和化学作用下，纳米晶颗粒容易发生氧化和分解，导致其光学性能急剧下降，在工作温度下的光衰问题已经成为限制了量子点白光LED发光效率和寿命提升的主要障碍。

 

　　其次，虽然量子点与传统稀土荧光粉相比更易与封装胶等材料共混，但是由于界面相容性问题，纳米晶与封装介质共混时依然存在团聚和相分离等问题，导致LED产品光效难以进一步提高。利用量子点发光材料也是制备广色域显示器件的备选技术途径，但由于高成本及组件复杂性的问题，且量子材料含有Cd，对环境存在负面影响，且因其成本问题，没有得到实际规模应用[13]。

 

　　量子点发光材料的稳定性是限制其市场化的主要因素，相关研究人员正针对这一问题展开一系列相关研究，随着材料稳定性的提高，可预见三年内量子点白光LED的半衰寿命将达到万小时以上，市场也会同时建立起来[14]。

 

　　量子点显示领域已呈中、美、韩三强鼎立的局面，竞争激烈。值得庆幸的是，我国在核心材料、原型器件以及制程方面有一定的先发优势。可望为我国显示产业突破国外技术路线的专利封锁，实现“换道超车”提供了良好的契机。

 

　　2高品质照明技术用发光材料

 

　　2.1 全光谱照明用发光材料

 

　　随着白光LED在照明领域的加速渗透，市场对白光LED光源的品质化需求也越来越高，特别是