螢光粉特性探討 - 材料世界網

... PLESpectrum)來判斷，至於螢光材料之激發/ 發光光譜(PLE/PL ... 依據色光原理，螢光材料之發光光譜的波形愈窄，其色度座標愈接近色度座標圖形之 ... 首頁 文章瀏覽 無機螢光材料在許多光電領域上，其應用技術可謂已經相當成熟，然自白光LED等新型應用的開發以來，螢光材料又再受到高度的重視。

螢光材料根據激發方式的不同，一般可分為光致發光(Photoluminescence;PL)、電激發光(Electroluminescence;EL)、陰極射線發光(Cathodoluminescence;CL)等不同類別，其中又以光致發光的應用最為多元，而目前應用於LED者也是此類的材料，一般稱為光致發光螢光材料(PLPhosphor)，其亦即是所謂的光轉換材料(LuminescenceConversionMaterials)。

無機螢光材料是由主體材料(HostMaterials)、活化劑/發光中心(Activators/LuminescentCenters及其他摻雜物(Dopants)等所組成，其主體材料多數由硫化物(Sulfides)、氧化物(Oxides)、硫氧化物(Oxysulfides)、氮化物(Nitrides)與氮氧化物(Oxynitrides)等所構成；至於活化劑/發光中心則主要為過渡元素(TransitionMetalElements)或稀土族元素(Rare-earthElements)的離子為主。

如前所述，單晶片型白光LED必須應用螢光材料始能獲得照明所需的白光，而螢光材料攸關單晶片白光LED的發光效率、安定性、演色性、色溫、使用壽命等項特性，可謂是單晶片白光LED系統中當重要的關鍵材料。

至於LED用螢光粉的特性需求包含：1.適當的激發(Excitation)光譜；2.適當的放射(Emission)光譜；3.高能量轉換效率(Energy-conversionEfficiency)；4.高安定性(Stability)等重要項目，分別說明如下： 1.激發(Excitation)特性螢光材料在白光LED的應用當中，激發波段與發光顏色的匹配，是最重要的先決條件，而無機螢光材料之主體材料、活化劑或其他摻雜物皆有可能影響螢光材料的激發與發光特性。

許多傳統螢光材料比較適用於短波長UV波段的激發，在長波長UV或可見光波段的激發效率則較差，導致無法應用為LED的光轉換材料。

在無機螢光材料的能量吸收激發機制中，主體材料能隙、電荷轉移效應與活化劑電子能階等，是最重要的影響因素。

目前應用螢光材料所製作的白光LED，多數由氮化物系列LED結合適用的螢光粉製作而成，而此類氮化物LED由於受到材料能隙的影響，其放射多屬於近紫外線(NearUltraviolet;NUV)或紫、藍光，是故LED所應用之螢光材料之較為適用的激發特性為在350~470nm之間的波段範圍內可以被UV-LEDorBlue-LED所激發。

螢光材料之激發特性常以激發光譜(Photoluminescence-ExcitationSpectrum;PLESpectrum)來判斷，至於螢光材料之激發/發光光譜(PLE/PLSpectra)，則通常以螢光光譜儀（PL分析儀；PhotoluminescenceAnalyzer;Spectrofluorometer）來量測。

由於目前氮化物系列LED之發光光譜之波形半高寬(FullWidthHalfMagnitude;FWHM)多介於10~30nm之間，且其發光波峰有可能會受操作因素（如溫度之影響）而有所遷移，故所對應之螢光材料，其所具有之激發波段通常越寬廣越佳。

2.發光(Emission)特性螢光材料之發光特性可以其發光光譜來判斷，其可利用螢光光譜儀量測獲得。

除此之外，亦可應用色度座標儀(CIEChromaticityAnalyzer)來量測其發光顏色之色度座標，如此更能完整瞭解螢光材料之發光特性。

依據色光原理，螢光材料之發光光譜的波形愈窄，其色度座標愈接近色度座標圖形之邊緣，表示其色純度高；另一方面，倘若發光光譜的波形愈寬或具有雜峰(SidePeaks)，則螢光材料之色度座標會比較接近色度座標圖形之中央區域，表示其顏色具有較不飽和的特性。

螢光材料在不同的應用領域具有不同的需求特性，例如在照明方面的應用，美國OIDA資料(8)指出610nm(R)、540nm(G)、460nm(B)的三原色主波長，可能是一種理想的白光組合，另各色光之放射光譜倘若較為寬廣，則多光色之混光較能產生互補作用，容易獲得連續性的白光光譜，如此通常可以達到高演色性；另外在顯示背光方面的應用，則有文獻認為625nm(R)、535nm(G)、450nm(B)的三原色主波長，可以表現出極致的色彩，而通常若各色光之放射光譜較為狹窄，則因色純度（或色彩飽和度）高，所獲得之色域才會變得寬廣；另在顯示器之實際操作上，各色光透過彩色濾光膜之濾光作用，狹窄的放射光譜也比較不會產生所謂的漏光問題。

3.能量轉換效率(Energy-conversionEfficiency)文獻資料曾針對應用螢光粉製作之LED的各項重要能量效率，進行完整的分析及探討，如圖一所示。

嚴格而言，螢光材料在Phosphor-convertedLED的應用當中，是必須同時考慮史托克轉換效率(StokesConversionEfficiencyorStokesShiftEfficiency;SE;SS)、量子效率(QuantumEfficiency)與光散射轉換效率(ScatteringEfficiency)等諸項重要因素。

圖一、應用螢光粉製作之LED(Phosphor-convertedLED)的能量效率說明圖 史托克轉換效率乃是因螢光材料於光轉換的運作當中，通常是遵循一對一的光子轉換程序(OnetoOnePhotonConversionProcess)，而由高能量的短波長光子轉變成低能量的長波長光子會導致產生史托克能量損失(StokesLoss)，此項光轉換之本質能量損失後所呈現的能量轉換效率，即是所謂的史托克轉換效率。

倘若以365nm、400nm與460nm的LED個別激發可放射555nm波長的綠光螢光粉而言，該史托克轉換效率分別約為65.8%、72.1%與82.9%，是故在應用螢光粉製作之LED的系統設計當中，螢光材料的激發與發光的波長差距不宜太大，否則會產生過多的史托克能量損失，此亦隱涵地說明利用藍光LED結合螢光粉所製作之白光LED，單就史托克轉換效率之影響因素而言，是會比利用UVLED結合螢光粉所製作之白光LED具有更高的能量轉換效率優勢。

4.安定性(Stability)螢光材料應用於LED的安定性，通常以環境安定性(EnvironmentalStability)與溫度安定性(TemperatureorThermalStability)等二種不同層面來考量。

螢光材料的環境安定性與所具有的化學安定性密切相關，例如螢光材料對於水(H2O)、氧(O2)甚或紫外線(UV)等必須具有高度的安定性，始會有較長的使用壽命。

一般而言，硫化物系列螢光材料的環境安定性較差，較容易受水、氧及紫外線的影響而產生劣化現象，相對地氧化物及氮化物系列的環境安定性則較為優良。

再就螢光材料的溫度安定性而言，許多研究發現螢光材料於光轉換之運作時，常會因溫度的升高而導致發光效率的降低，並有可能發生色漂移(ColorShift)的現象，以目前藍光LED最常用的YAG:Ce黃光螢光粉而言，即具有此種溫度安定性不佳的情形存在。

最近的相關研究發現，許多氮化物系列螢光材料的溫度安定性頗佳，這也是氮化物系列螢光粉在目前LED的應用當中，頗受矚目的主要原因之一。

白光LED為省能源與符合環保需求的「綠色」光源，由近年來各項技術的發展顯示，白光LED作為照明與顯示背光等光源的時代已經來臨，而應用螢光材料所製作的白光LED，因具有低成本及製作簡易的諸項優點，勢必將成為未來白光LED的主流產品之一。

本文主要說明螢光材料與白光LED的各項特性，並探討相互的密切關聯性，分析結果顯示螢光材料在應用螢光粉所製作白光LED當中，儘管所佔的材料及成本比例皆不高，然若欲獲得效能優良的白光LED，則需先全盤掌控螢光材料的各項特性。

我國LED產業目前在世界上佔有重要的地位，於未來白光LED發展當中，相信也會扮演關鍵性的角色，而為因應白光LED的未來發展，國內投入螢光材料之相關技術的開發研究，確是一項刻不容緩的重要任務。

作者：葉耀宗、董建岳、劉偉仁、張學明、陳政民/工研院材化所★本文節錄自「工業材料雜誌258期」，更多資料請見：https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6955 加入會員 分享 轉寄 聯絡我們 延伸閱讀 新創賣點—發揮材料特性，悠遊法規限制 廣島大學開發世界第一款利用稻殼製作的LED 有機長蓄光材料達高性能化 抗冰—2025電動車時代不可忽視的問題 提高控制透光量之液晶材料的熱穩定性，可望促進調光玻璃應用開發 熱門閱讀 台灣高階PCB技術發展趨勢 次世代先進封裝技術：銅-銅異質接合機制 GaN/SiC複合型電晶體的世界首次動作實證，並解決了過電壓脆弱性 邁向全固態鋰電池：固態電解質之傳輸動力學 車用顯示面板發展趨勢 相關廠商 金屬3D列印服務平台 2022TouchTaiwan系列展 名揚翻譯有限公司 捷南企業股份有限公司 大東樹脂化學股份有限公司 東海青科技股份有限公司 台灣大金先端化學股份有限公司 友德國際股份有限公司 喬越實業股份有限公司 台灣鑽石工業股份有限公司 科邁斯科技股份有限公司 方全有限公司 照敏企業股份有限公司 台灣永光化學股份有限公司 正越企業有限公司 桂鼎科技股份有限公司 里華科技股份有限公司 華錦光電科技股份有限公司 高柏科技股份有限公司 銀品科技股份有限公司 專家現場 更多