稀土发光材料—节能光源生产的必须材料

近日，中科院网站发布消息称，中科院长春应用化学研究所与成都四川新力光源股份有限公司合作研发的“发光余辉寿命可控稀土LED发光材料研发及其在半导体照明中的应用”项目通过由中科院组织的成果鉴定。专家组认为，该原创性稀土发光材料有效解决了国际上一直未能攻破的交流LED照明设备频闪问题，并实现了从基础研究到产业化的跨越，达到了国际领先水平，使中国成为世界上唯一掌握通过稀土荧光粉生产低频闪交流LED产品的国家。目前，该系列产品已通过中国的相关认证，以及美国保险商实验室（UL）、美国联邦通信委员会（FCC）、欧洲统一（CE）和欧盟环保（RoHS）等认证，产品销往美国、加拿大、墨西哥、西班牙、巴西等多个国家，并已取得显着的经济效益。

　　稀土为光源“添彩”

　　当今世界上普遍使用的新型电光源大都与稀土有关，其中使用最多的电光源是稀土三基色荧光灯。所说的三基色是指红、绿、蓝三种其本色光，经过混色组合后，可以获得照明用的白色光。稀土三基色荧光灯所使用的红、绿、蓝三种荧光粉，都是以稀土元素作主要成份。稀土三基色荧光粉是世界各国用来生产高效节能灯的主要原材料。真正的稀土三基色节能灯与普通的白炽灯相比节电率高达80％，而且可以获得与日光相近的色温，使得被照物体颜色纯正不失真，其生产过程不污染环境。被公认为当今理想的绿色照明工程。

　　目前常用的稀土三基色节能灯的外型以紧凑型为主，按灯管造型分为单U、双U、三U、单H、双H、单π、双π、等多种类型，也有做成细管型。稀土三基色节能灯不但高效节能，而且使用寿命也比白炽灯高5至8倍。

　　与卤粉荧光灯相比，应用了稀土发光材料的节能灯（三基色荧光灯）的光效更高、显色性更好、使用寿命也更长，节能灯能够在卤粉荧光灯的基础上节能30%~50%，显色指数提高15%~40%，使用寿命增加3倍以上。由于卤粉荧光灯发光效率不高、稳定性差、光衰较大、光通维持率低，无法适用于代表未来市场发展主流的具有高光效、低成本性能的细管径紧凑型荧光灯。2008年6月1日起，国家发改委、国家质检总局和国家认监委组织制定的《中华人民共和国实行能源效率标识的产品目录（第三批）》开始实施，其中，荧光灯达到3级能效以上才可以销售，达到2级能效才能获得节能认证并获得国家产业政策支持；国外市场上，欧盟已于2009年9月1日开始执行EuP指令，按照现有卤粉荧光灯的性能，将很难达到2级能效标准。

　　稀土三基色节能灯是世界上各国大力提倡和推广的新型电光源，在欧美和日本等国已经用稀土三基色荧光灯取代了白炽灯。全球各地加快了淘汰白炽灯的进程，其中美国在2007年12月18日通过美国能源法案，从2012年1月至2014年1月逐步禁止销售低效率的白炽灯。加拿大自然资源部也在2007年4月25日宣布，自2012 年开始在加拿大禁止销售白炽灯。 2007年3月9日，欧盟多国达成协议，在两年内逐步用节能灯取代高能耗白炽灯泡；英国政府于2011年开始彻底废除传统型钨丝灯泡；意大利和法国自2010年、荷兰自2011年开始禁止白炽灯。澳大利亚政府也在2010年在全国范围内逐步淘汰低效率白炽灯，转而使用节能灯。2008年4月17日，新西兰能源部表示，新西兰自2009年开始禁止使用白炽灯泡。 2008年4月5日，日本政府也于2012年开始停止制造并销售高能耗白炽灯泡，而用节能灯来代替 。中国自2007年12月开始实施高效照明产品推广财政补贴制度，2009年7月与联合国开发计划署和全球环境基金共同发起启动“中国逐步淘汰白炽灯、加快推广节能灯项目”，项目执行期为2009年~2012年， 到2016年全国禁止进口以及销售白炽灯。

　　节能灯和LED的工作原理

　　节能灯的主要工作方式是通过整流器将50Hz、220V工频交流电整流变成平滑的直流电，然后再经变频振荡器将直流变换成40kHz以上的高频交流电然后向灯管供电，在灯管的灯极上面涂有电子粉，当电流经过，电子粉释放大量电子产生各种射线，释放的电子(各种射线比如紫外线等)直接轰击灯管内壁的纯稀土三基色荧光粉，稀土三基色荧光粉遭到轰击后产生雪崩效应从而发光。(紫外线经过这种转换变成可见光)。

　　LED（Light Emitting Diode），又称为发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量。现有的LED照明光源也是使用直流电作为驱动，在工作时必须经交、直流电源转换。

　　LED在工艺结构上与荧光灯有本质的不同，白光LED通常采用两种方法形成。第一种是利用“蓝光技术”与荧光粉配合形成白光；白光的LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，200nm~500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaNYAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得不同色温下(2700k~8000K)的白光。 白LED光源离不开四种荧光粉：即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉，较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加R.G.B三颜色荧光粉，用于封装LED白光。第二种是多种单色光混合方法，即采用不同色光的芯片封装在一起，通过各色光混合而产生白光。

　　由于LED相对于传统照明方式有发光效率高、高效节能；使用寿命长，维护量小；低压供电，启动速度快，安全可靠；LED固态封装，无玻壳、耐冲击，抗争能力强；LED控制简单灵活，可调光调色；以及LED不含汞，几乎无红外紫外，真正的绿色环保等技术优势。但现有的LED照明光源使用直流电作为驱动，在工作时必须经交、直流电源转换，能耗大、散热差、成本高，因此，开发可直接使用交流电驱动的新型LED照明产品是造福百姓、推进LED照明产业发展的重大需求。因此，我们可以预计，如果突破这个技术，LED大规模替代节能灯的时代会很快到来。

　　目前，预计在2016年LED照明在全球的市场份额将会达到30%左右，也是未来最具竞争力的主流照明光源，现在各国政府也在大力推进LED产业。以日本为例，它对LED产业的补贴已达50%，并且计划在2016年LED替代其他照明光源替代率达到50%以上，到2020年替代率达到100%。

　　近期LED照明产品售价大幅下降， LED比同亮度荧光灯价格高1倍左右，若再考虑LED灯价格仍保持下降趋势，以及国内2016年白炽灯的退出时间线路图，LED照明取代荧光灯和传统白炽灯的趋势已经明确，LED照明普及速度会显着快于当年荧光灯的普及速度,进入销量爆发区间，渗透率将快速提升。目前LED主要以景观照明、道路照明为主，以后逐步会渗透到室内照明，而商业照明、工业照明以及公共区域照明将会成为其重要应用领域。