大功率白光LED用高效稀土红色发光玻璃陶瓷与器件研究

High-power white LED is the mainstream technology for future general illumination. However, the high junction temperature has become a major bottleneck for high-power white LED devices to face. Compared with the traditional "LED chip + phosphor + organic resin" packaging technique, "LED chip + phosphor glass ceramic" is a new promising white lighting scheme, which has excellent thermal conductivity at high junction temperature, thermal stability and light stability. And thus it becomes hot issue in the field of high-power white LED frontier research, wherein researches on luminescent glass ceramic material has become the top priority. This proposal aims to systematically investigate design, synthesis, structure, optical and thermal properties of high efficient orange or red emitting rare earth luminescent glass ceramics for high power white LEDs with excellent white qualities (high CRI or low CCT) from aspects of glasses and rare earth phosphors. We anticipate that new high efficient orange or red emitting rare earth luminescent glass ceramics for high power white LEDs with excellent white qualities (high CRI or low CCT) will be developed after pursuing the interaction relationships or mechanisms between the glasses and rare earth phosphors. Finally, luminescent glasses converted high power white LEDs will also be demonstrated and the relationships between the luminescent glasses and device properties will be studied in depth.

大功率白光LED是未来通用照明的主流技术，然而，高的芯片结温已经成为大功率白光LED器件所面临的主要技术瓶颈。与传统“LED芯片+荧光粉+封装胶”技术相比，“LED芯片+荧光玻璃陶瓷”白光方案在高结温下具有优良的热传导性能、热稳定性和光稳定性，因而成为大功率白光LED研究的前沿热点，其中荧光玻璃陶瓷则成为材料研究的重中之重。本申请面向未来高品质（高显色指数或暖色温）大功率白光LED器件应用要求，以母体玻璃与稀土荧光粉两个角度切入，系统开展具有橙红色或红色发射的高效新型稀土玻璃陶瓷材料设计、合成与结构/光学/热学性质表征工作，深入研究荧光粉与母体玻璃相互作用机理与规律，期望最终获得适用于“蓝光芯片+稀土玻璃陶瓷”白光LED方案，高效橙红色和红色发射的稀土玻璃陶瓷。同时，利用所合成的新型稀土玻璃陶瓷，进行大功率白光LED器件封装，开展新型稀土玻璃陶瓷在应用中的基础科学问题研究

“LED芯片+荧光玻璃陶瓷”是大功率白光LED的主流技术，其中发光玻璃陶瓷是核心与关键材料之一，然而橙色或红色发射玻璃陶瓷研究严重匮乏，荧光粉与母体玻璃相互作用机理与规律研究不深入，且材料在大功率白光 LED 器件中的封装研究匮乏，这严重制约了其在高品质大功率白光LED的相关研究；有鉴于此，本项目针对性地开展相关研究并取得了以下主要研究进展：1）通过低温共烧结法，获得了基于碲酸盐和硼酸盐低温玻璃母体的两种新型氮化物发光玻璃陶瓷和氟化物发光玻璃陶瓷，深入研究了玻璃母体与荧光粉之间的熔蚀相互作用与折射率匹配规律，拓展并丰富了面向大功率白光LED用红色发光玻璃陶瓷的相关研究；2）深入系统地开展了红色发光玻璃陶瓷在大功率白光LED器件的应用基础研究，利用所研制的稀土和过渡金属发光玻璃陶瓷材料所封装成的白光 LED 器件的流明效率和显色指数接近实用化水平，其中，大功率白光LED器件的光效最高达到102 lm/W，显色指数最高达到90.3，色温低至3585 K；3）基于激光LD的高功率照明器件成为未来替代大功率白光LED的技术发展趋势，有鉴于此，我们拓展研究并获得了一种面向高激发密度的蓝光激光LD芯片应用的高效率、高耐热和化学稳定性的基于高热导率蓝宝石衬底的稀土硅酸盐体系的复合YAG发光玻璃陶瓷，研制出概念型白光LD器件，在高功率激发密度下，器件光效最高达217 lm/W；上述工作进一步推进了稀土和过渡金属发光玻璃陶瓷材料在大功率白光LED和高功率激光LD器件的相关研究，为未来高品质大功率或超高功率固体照明提供了实验依据和设计理念；本项目执行期间，共计在Chem. Mater.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Comm.、Nanoscale、Nano. Res.、J. Mater. Chem. C.等学术期刊发表SCI论文18篇; 其中, 一区文章共16篇，影响因子IF大于6的有16篇；共计授权美国发明专利1项，授权中国发明专利2项，申请美国发明专利1项，申请中国发明专利3项；此外，项目执行期间，共参加国际学术会议做邀请报告15次；参加国内学术会议做邀请报告共14次；