划重点 | 照明技术的发展与荧光陶瓷的使用

照明在人类的生活中发挥着不可替代的作用，并随着人类的进步而不断地发展革新。19世纪末，爱迪生在经过成千上百次的试验后最终发明了白炽灯，从此照明由火、油、气进入到电光源时代，然而白炽灯的电-光转换效率非常低，只有10-20%。在能源危机、温室效应日益严重的今天，人们正从基础设施建设等各个领域寻求节能环保型技术。随着社会的发展、科技的进步和环境保护意识的增强，人们迫切需要开发在新型的节能环保照明能源，于是新一代的固态照明技术应运而生。

各代照明产品性能表

固态照明技术是一种基于半导体芯片的全新照明技术，具有光电转换效率高、节能、环保、全固态、使用寿命长等优点，被认为是21世纪的新型绿色光源。根据不同的激发芯片，固态照明分为发光二极管（LED）和激光（LD）照明。

LED照明

LED相比于传统的荧光灯和白炽灯，具有节能环保、亮度高、色域广及寿命长等优点，已广泛应用于室内照明、显示屏及交通信号灯等低功率照明和显示领域。但在高功率密度下，LED存在难以解决的“效率下降”难题。与LED相比，LD不仅效率更高、亮度更强、照射距离更远，而且克服了LED固有的高功率下“效率下降”问题。

一、激光照明的应用

激光白光光源凭借其优异的性能逐渐在各种特殊领域中得到应用。例如宝马、奥迪、沃尔沃等品牌部分车型已装配了激光前照灯，在亮度、照明距离等方面显示出明显的优势，这种激光大灯的亮度是传统LED的一千倍，并具有节能、安全、射程远和高效等特点。另一方面，激光白光光源因为具有亮度高、色域宽、方向性强和寿命长等优点在投影、显示上也备受青睐。国外卡西欧、欧司朗以及中国光峰光电等公司创新性地利用蓝光LD阵列远程激发涂在旋转轮上的荧光材料获得白光光源，一定程度上解决了激光散斑现象以及散热问题，成功开发出激光投影仪、激光电视等产品。除此之外，激光白光光源在可见光通信方面的应用也引起了人们的关注。其展现出几千兆的数据传输速率和高的调制带宽（＞5GHz）。相干光和准直光的特性适用于点对点数据传输以及其他点光源的应用。

LED大灯和激光大灯的对比示意图

二、激光照明的实现方式

目前一般采用蓝光LD激发黄色荧光粉的方式产生白光，原理为部分发出的蓝光被荧光粉吸收发射黄光，未被吸收的蓝光经荧光粉颗粒散射后和荧光粉发射的黄光，混合后形成白光。优点是这种方法只用一个蓝光LD，蓝光LD效率高，成本较低；且只使用一种荧光粉，产生的能耗较低，发光效率高；这种方式产生的激光光源更加稳定、制备工艺简单、成本较低、便于工业化生产。缺点是使用此方式合成的白光光源光谱中缺少红光成分，导致光源的显色性差。但该缺点可以通过改进远程荧光体的制备技术，增加照明光谱中的红光成分提高光源的显色性。

蓝光LD激发黄色荧光粉产生白光的原理图

三、荧光陶瓷在激光照明中的使用

目前LD照明用荧光材料主要可以分为：玻璃、单晶、薄膜、陶瓷和复相陶瓷。荧光玻璃具有制造工艺简单和光学性能优异等优点，但由于玻璃的热导率较低，同时制备过程中玻璃基质容易与荧光材料发生反应破坏荧光材料的发光性能。与荧光玻璃相比，荧光薄膜的热导率得到一定的提升，但是由于薄膜和基体之间结合界面存在一定的缺陷且结构无法调控等原因影响其在激光照明中的应用。与荧光薄膜相比，荧光单晶具有内量子转换效率较高和热学性能优异的特点，但由于荧光单晶内部缺少散射中心，因此其具有较低的光提取率和低劣的光均匀度。与荧光单晶相比，荧光陶瓷和荧光复相陶瓷的微观结构易于调节，热导率高和化学稳定性优异，被认为是激光照明用荧光材料的首选材料。

目前照明用荧光陶瓷的研究以发光材料体系进行分类，主要可以分为钇铝石榴石体系、氮化物体系和多铝酸盐体系。

（1）钇铝石榴石体系：由于钇铝石榴石体系荧光材料独特的光学特性且易于实现烧结致密化的特性，钇铝石榴石体系荧光陶瓷得到研究人员的广泛关注，例如YAG:Ce和LuAG:Ce等荧光陶瓷。例如可以改变离子的掺杂浓度和陶瓷的厚度来实现对YAG:Ce陶瓷材料显色指数的控制。针对黄色荧光陶瓷在激光照明中显色指数低的问题，研究者也开发出了一系列红色石榴石体系的荧光陶瓷，例如LuAG:Mn、GGAG:Ce、YAG:Mg:Si:Ce等。

YAG:Ce荧光陶瓷

（2）氮化物体系：除钇铝石榴石体系的荧光材料外，研究人员关注的另一个研究重点是具有优异光学性能的氮（氮氧）化物体系荧光粉。目前氮氧化物陶瓷主要集中在Sialon或者Mg-Sialon，但由于氮氧化物荧光材料的量子效率偏低，不适合在实际生活中应用，而氮化物荧光材料的热扩散系数较低，不易实现烧结致密化。

（3）多铝酸盐体系：由于量子效率高和色纯度优异等特点，BaMgAl10O17:Eu蓝色荧光粉同样是研究人员关注的热点之一。

BaMgAl10O17:Eu蓝色荧光陶瓷

当然也可以制备复相荧光陶瓷应用于固态照明中，复相荧光陶瓷是指将荧光颗粒弥散分布在陶瓷基质中而得到的一种新型的荧光转换材料形式。与单一的荧光陶瓷相比，其力学和热学性能更加优异。例如YAG:Ce荧光陶瓷的热导率为14W/(m·K)，通过与Al2O3形成复相陶瓷，其热导率可以达到18.5W/(m·K)。目前固态照明用复相荧光陶瓷的研究主要集中在Al2O3/YAG:Ce复相荧光陶瓷。

结语

荧光陶瓷作为一种先进的固体照明材料，其组成的LED具有良好的热稳定性和机械稳定性，在长时间、大载荷的工作环境中的表现远胜于现有的白光LED，在如汽车远光照明等特定应用场合拥有广阔的发展前景，在未来的LED照明乃至更大功率的激光照明（LD）都有极高的应用价值。

参考资料

（1）Ce/Mn掺杂石榴石基荧光陶瓷的制备及发光性能研究，张芸莉。

（2）大功率固态照明用荧光陶瓷研究进展，彭星淋，李淑星，刘泽华，姚秀敏，解荣军，黄政仁，刘学建。

（3）固态照明/显示用荧光陶瓷研究进展，李江，李万圆，刘欣，刘强。

（4）大功率LED用荧光玻璃/陶瓷的制备及性能研究，黄平。

（5）稀土光功能陶瓷的制备及其光学性质研究，武华君。

（6）激光照明用Al₂O₃基荧光陶瓷的制备及其性能研究，刘泽华。

（7）白光LED用荧光陶瓷研究进展，王刚，李金凯，段广彬，刘宗明。

（8）稀土掺杂Y2O3-Al2O3-Sc2O3三元体系荧光陶瓷制备及其光谱性能研究，刘英丽。