Direktør for Luminescens-divisjonen for Sjeldne Earth New Materials Co., Ltd.
Viktige materialer for 2018 Aladdin Lighting Industry Research White Paper
Sjeldne jordlyslysende materialer er et av kjernematerialene for dagens belysnings-, display- og informasjonsdetektorer, og er uunnværlig for utviklingen av neste generasjons belysnings- og displayteknologi. I dag er FoU og produksjon av luminescerende materialer av sjeldne jordarter hovedsakelig konsentrert i Kina, Japan, USA, Tyskland og Sør-Korea. Kina er blitt verdens største produsent og forbruker av luminescerende materialer fra sjeldne jordarter. I displayfeltet er bred fargegruppe, stor størrelse, HD-skjerm, en viktig utviklingstrend i fremtiden. For tiden er det mange måter å oppnå bred fargegruppe på, for eksempel flytende krystallskjerm, QLED, OLED og laserdisplayteknologi, blant annet som LCD-skjermteknologi er nå tilgjengelig. Dannet en meget komplett flytende krystall display teknologi og industrielle kjeden, med den største kostnadsfordelen, er også fokus for innenlandsk og utenlandsk display bedriftsutvikling. På belysningsområdet har fullspektret belysning som sollys blitt industriens fokus som en sunnere belysningsmetode. Som en viktig utviklingsretning for fremtidig belysning har laserbelysning tiltrukket mer og mer oppmerksomhet de siste årene, og har vært den første som brukes i bilbelysningslyssystemer, som kan oppnå mye høyere lysstyrke enn xenonlykter eller LED-belysning. Lavere energiforbruk. Som et uunnværlig fysisk miljøfaktor for plantevekst og utvikling kan lett miljø forbedre planteveksten, redusere planteblomstringsresultater, forbedre planteavkastning og produksjonskapasitet gjennom lyskvalitetregulering, kontrollplantemorfologi og bli et globalt fokus. Et høyytende luminescerende materiale som er egnet for plantevekstbelysning. På området for oppdagelse av informasjon har Internett av ting og biometriske (biometriske) teknologier et markedsperspektiv på trillioner av dollar, og kjerneelementene i begge krever NIR-sensorer ved bruk av sjeldne jordartsmessige lysstoffer. Ved utskifting av belysnings- og displayenheter, er sjeldne jordartsmessige luminescerende materialer, som er kjernematerialer, underkastet raske endringer. Den nåværende status og utviklingstendenser av luminescerende materialer er beskrevet nedenfor.
1 høy kvalitet displayteknologi med luminescerende materialer
1.1 Bred fargegjeng LCD-skjermdisplay LED-bakgrunnsbelysningskilde
I de senere årene har LCD-skjermen vært den sterkeste i flatskjerm, og blir den ledende teknologien innen flatskjerm [1]. Væske krystall skjermer basert på hvite lysdioder (LED) baklys har enestående fordeler som god fargegjengivelse, lavt strømforbruk og lang levetid. For tiden har penetrasjonsgraden innen flytende krystallskjermer oversteget 95%. For generasjonsmetoden for hvite lysdioder for flytende krystalldisplay er "blå LED-chip + fosfor" -metoden fortsatt den nåværende hvite LED-generasjonen på grunn av den høye tekniske løpetiden og relativt lave kostnader på grunn av omfattende vurdering av teknologi, ytelse og kostnad. Den vanlige måten [2]. For LED-bakgrunnsbelysningen med flytende krystall, må det hvite lyset som genereres av "Blue LED chip + phosphor", etter filtrering og splitting, produsere rent rødt, blått og grønt lys, slik at fosforen bestemmer fargen på LED-bakgrunnsbelysningen. Nøkkelfaktoren til domenet [3].
For tiden er fosforene som ofte brukes i LED-bakgrunnslyskrystallskjerm, Y3Al5O12: CE (YAG: CE) fosforsystem og SIAlON: EU-grønt fosfor (delvis bruk av silikatgrønt pulver) og nitrid-rødt fosfor-kombinasjonssystem [4, 5]. Fordi de tidligere spektraltoppene er relativt brede, og fargens renhet ikke er bra, er skjermfargelinjevisningsområdet for den førstnevnte ca. 70% NTSC, mens sistnevnte tekniske skjema viser at fargespekteret kun kan økes til 80 % NTSC, men fargekoordinatene til det grønne pulveret. Fargekoordinatens x-verdi av y-verdien og det røde pulveret er begge lave, og displayet for fargegjengevisning på skjermen er vanskelig å nå 85% NTSC eller mer, og lyseffekten er 40% lavere enn den forrige tekniske løsningen. Den brede fargeskalaen med flytende krystall LED-displayteknologi refererer til et fargeskjerm med 90% NTSC eller mer, som nøyaktig kan vise bilder og rike farger, og innse den fantastiske visuelle effekten av å gjenopprette den virkelige verden. For tiden er nøkkelimplementeringen av den brede fargegods LED-bakgrunnsbelysningen "Blue chip + SIAlON: EU grønt pulver + fluor-rødt pulver" -system [6]. Imidlertid er ytelsen til de nye høyeffektivfluoridfosforene for brede farge-domene flytende krystalldisplay LED-baklykter utviklet av statseide forskning sjeldne jordarter på et nivå som er sammenlignbart med det internasjonale nivået, spesielt utviklingen av det eneste kommersielt tilgjengelige lantanidet fluorfosfor. Innenriks SIAlON: Utførelsen av EUs grønne pulver er fortsatt langt fra fremmede land. Selv om innenlandske sjeldne jordarter kan brukes til å oppnå høy volum SIAlON: EU grønt pulver i små satser, er hovedmarkedene monopolisert av utenlandske selskaper.
Foreløpig har industrialiseringsnivået av fargegods for flytende krystallskjerm basert på nye LED-baklykter oversteget 90% NTSC. Det er presserende å utvikle nye fosfor- og LED-baklykter, og ytterligere øke fargetråden for flytende krystallskjerm til 110% NTSC og OLED / QLED-teknologi. Heldigvis har utviklingen av smalbåndsemisjon, rødt pulver med lengre bølgelengde enn eksisterende fluorfosforer og grønt pulver med høyere renhet enn SIAlON: EU grønn rosa, allerede begynt å dukke opp, og forventes å nå applikasjonsnivået i de neste 2 -3 år. Det vil sikkert bygge en meget komplett flytende krystallskærmteknologi og industrikjede i Kina, og ta tak i de kommende høyder av den fremtidige brede fargeskalaen med flytende krystallskjermteknologi, og innse et meget godt materiale grunnlag for gjennombrudd og oppfanging av flytende krystall skjermteknologi i Kina.
1.2 Andre fremvoksende displayteknologi luminescerende materialer
OLED har mange fordeler som aktiv belysning, høy lysstyrke, god luminescerende fargevennlighet, lys farge, lavt strømforbruk, ultratynn og fleksibel enhet etc. Det er gunstig for fargeskjerm og har gode utviklingsmuligheter i displayet. felt. [7]. Applikasjonspotensialet til OLED-displayteknologi i bærbare enheter som TV, mobilterminaler, VR, klokker, etc., samt de innenlandske OLED-panelene blir gradvis gjenkjent av markedet og vil også gi eksplosiv kraft til OLED-displayindustrien [ 9]. Ifølge markedsundersøkelser nådde OLED TV i det amerikanske high-end markedet på 3.000 amerikanske dollar 65 prosent, 55 tommer kan nå 100%, samme situasjon i Europa [12]. Derfor har OLED-displayteknologi fortsatt et godt programutsikt. Luminescerende materialer (rød, blå, grønn) er viktige komponenter i OLED-displayenheter, som direkte bestemmer ytelsen til enheten og bruker [8]. Luminescerende materialer som oppfyller bruksbehovet må ha gode generelle egenskaper, som høy luminans og kvantum. Utbytte; stort absorpsjons-tverrsnitt og bredt eksitasjonsområde under nær ultrafiolett eller blått lys excitasjon; miljøvennlig; god UV-lys toleranse; god transportør ytelse; god termisk stabilitet, filmdannelse [10-11], må den samlede ytelsen til luminescerende materialer for OLED-skjermen fortsatt forbedres.
Kvantumpunktsmaterialet har gode luminescerende egenskaper, høy kvanteeffektivitet, kontinuerlig justerbar lysende bølgelengde og smal halvkantbredde. Kvantumpunktet brukes til å erstatte den tradisjonelle fosforen for å øke fargegruppen på displayet til 110% NTSC [13]. Imidlertid er det fortsatt flere flaskehalser i anvendelsen av kvantumpunktslysende materialer som må overvinnes.
For det første, på grunn av den lille størrelsen og det store bestemte overflatearealet av nanokrystallinske partikler, under påvirkning av lys, varme og kjemi, er nanokrystallinske partikler utsatt for oksidasjon og dekomponering, noe som resulterer i en kraftig nedgang i optisk ytelse. Problemet med lysnedbrytning ved driftstemperatur har blitt en begrensning. De største hindringene for lysdynamikk og levetid på kvadratdot hvite lysdioder.
For det andre, selv om kvantepotter lettere blandes med materialer som innkapslingsmidler enn konvensjonelle sjeldne jordfosforer, på grunn av grensesnittkompatibilitetsproblemer, eksisterer agglomerering og faseseparasjon fortsatt når nanokrystaller blandes med pakkede medier, hvilket resulterer i LED-produktlys. Det er vanskelig å ytterligere forbedre effektiviteten. Bruken av luminescerende materialer med kvantepunkt er også et alternativt teknisk tilnærming til utarbeidelsen av brede fargeskjerm-displayenheter, men på grunn av komponentens høye kostnad og kompleksitet, og kvantematerialet inneholder Cd, har det en negativ innvirkning på miljøet, og på grunn av kostnadene, har det ikke vært faktisk skaleringsprogram [13].
Stabiliteten av quantum dot luminescerende materialer er hovedfaktoren som begrenser markedsføringen. Relevante forskere gjennomfører en rekke relatert forskning i dette spørsmålet. Med forbedring av materialstabilitet kan halveringstiden for kvadratdot-hvite lysdioder forutsies innen tre år. Det vil nå mer enn 10.000 timer og markedet vil bli etablert samtidig [14].
Feltet for kvantepunktsvisning har vært i doldrums av Kina, USA og Sør-Korea, og konkurransen er hard. Heldigvis har Kina visse førsteklasses fordeler i kjernematerialer, prototyper og prosesser. Det forventes å gi en god mulighet for Kinas utstillingsbransje til å bryte gjennom patentblokkade av utenlandske teknologileder og realisere "endring av overtaking".
2 høy kvalitet belysningsteknologi med luminescerende materialer
2.1 Luminescerende materialer for full spektrumbelysning
Med den akselererte penetrasjonen av hvite lysdioder innenfor belysningsområdet øker etterspørselen etter kvalitet på hvite LED-lyskilder også. Spesielt i innendørs belysning har fokuset på hvite LED-lyskilder blitt rent forfulgt fra begynnelsen. "Konvertert til" høy kvalitet "av fargeprestasjon, for eksempel fargegjengivelsesindeks, fargetemperatur, og til og med jakten på fullspektret belysning som ligner sollys, har innenlandske og utenlandske emballasjevirksomheter akselerert utviklingen av fullspektret LED-produkter [ 15-16]. I dag omfatter fullspektret LED-implementeringer hovedsakelig multi-chip type og single-chip type [17]. Blant dem har single-chip-typen fordelene ved enkel implementering, lav pris og mer kontinuerlig spekter som har blitt førstevalg for emballasjevirksomhet. Implementeringen av enkeltchip er delt inn i blåchipsteknologi (blue chip + flerfarget utslipp fosfor) og ultrafiolett / nær ultrafiolett chip (UV / nær ultrafiolett chip + flerfarget utslipp fosfor ) teknologi [18-20]. I blåchipsteknologien er det et alvorlig spektraltap i den blågrønne delen av enhetsspektret, og det er teoretisk vanskelig å oppnå høy kvalitet fullspektret sunt lys asjon. I dag blir ultraviolette og nær ultrafiolett-chipteknologiene i tredje generasjons halvledere som er under utbygging i landet, stadig mer modne, og UV / nær ultrafiolett chipteknologi er blitt den teknologien som er valgt for fullspektret belysning.
Den blåspente fosforteknologien er blitt mer moden, men de fleste av disse fosforene kan ikke bli begeistret av fiolett lys. I dag er ultrafiolett / nær-ultrafiolettchips excitering mer studert med grønne, gule og røde fosforer [21-23], men det er vanlig. Problemet er at lysstyrken er lav og det er vanskelig å møte praktiske applikasjoner. Utviklingen av fosforer som er egnet for høyeffektiv eksitering av fiolett lys, bredbåndsutslipp og lav gjensidig absorpsjon mellom fosfor av forskjellige farger, har blitt industriens forskningsfokus og er også en viktig kraft for Kina å oppnå gjennombrudd av intellektuell eiendom innen belysning i fremtiden. På området fullspektret belysning vil vi derfor forstå utviklingsmulighetene og trenderne for høy-energi og kortbølgende tredje generasjons halvlederteknologi, og utvikle nye luminescerende materialer, spesielt for nye UV / NUV-chips, som er viktige for grønn helse belysning. Mulighet.
2.2 Luminescerende materialer med høy tetthet energi excitering
LED-belysning har blitt den ubestridte vanlige belysningsteknologien, og det forventes at bare halvlederbelysningsfeltet innen 2020 vil danne en billion markedsstørrelse [24]. Sammenlignet med første og andre generasjons halvledermaterialer, har tredje generasjons halvleder fordelene med høy nedbrytningsspenning, forbudt båndbredde, høy termisk ledningsevne, høy elektronmetningsgrad, sterk strålingsmotstand og høy lysstyrke og høy frekvens. Det kan bli mye brukt i mange strategiske nye næringer som halvlederbelysning for å fremme og støtte neste generasjons endringer i industrien. Den tredje generasjonen av halvledermaterialer som brukes innen solid state-belysning, kan i stor grad forbedre lysets effektivitet og lyse fargekvalitet, men det viktigste ved tredje generasjons halvlederbelysningskilden er økningen av nåværende tetthet og bølgelengden av det utstrålede lyset av brikken til høyrenergibesparende retning [25]. I lys av det faktum at det luminescerende materialet direkte bestemmer lyseffektiviteten og kvaliteten på lyskilden, kan eksitasjonsegenskapene og stabiliteten til eksisterende fosforfaser, slik som den klassiske aluminat, ikke oppfylle kravene til den høye energibehovet for energi i den tredje generasjon halvleder, så det er presserende å bryte gjennom tredje generasjons halvleder. En energikilde med høy tetthet som effektivt exciterer og danner høyverdig hvitt lys og en ny type fluorescerende materiale og forberedelsesteknologi.
På grunn av fenomenet "betydelig reduserende effektivitet" av lysdioder, det vil si når den opererer ved høy strømtettheter, vil den interne kvanteffektiviteten falle kraftig. For tiden er forskere over hele verden på jakt etter en ny generasjon lyskilder av høy kvalitet, oppfinner av blå lysdioder, Nakamura Shuji. I nær fremtid vil LED-teknologien til slutt bli erstattet av laserdioder på grunn av fysiske grenser for lysets effektivitet. Sammenlignet med LED-belysning, kan laserbelysning oppnå høyere effektivitet. Semiconductor laser anses å være den mest lovende high-end belysning og høy kvalitet lyskilde for LED etter LED. Det vil bli en utviklings trend i fremtiden lys og display industrien. Fluorescens-konvertert laserdisplayteknologi har blitt brukt i storskala displayfelter som laser-tv, laserprojeksjon og laserkino [26-27]. På samme måte som LED-belysning, er fluorescerende konverteringsmaterialer også nøkkelmaterialene for å oppnå hvit lysutgang i laserbelysning. Lasere har høyere energitetthet, og har derfor høyere krav til fluorescerende konverteringsmaterialers evne til å motstå lysskader [28]. Utviklingen av nye sjeldne jordartsmessige fluorescerende materialer med høy stabilitet og høy konvertering effektivitet og deres applikasjonsteknologi vil være en stor utfordring for laserbelysning i fremtiden, noe som vil føre til industrialiseringens etterspørsel etter nye sjeldne fluorescerende materialer og deres keramikk og krystaller.
3 spesielle lyskilde luminescerende materialer
3.1 Luminescerende materialer for anleggsbelysning
I de senere årene har utviklingen av optoelektronisk teknologi, LED-lysstyrke blitt sterkt forbedret, og bruk av LED i fabrikkfabrikker har vært mye opptatt av land over hele verden. LED har fordelene med liten størrelse, lang levetid, lav varmeeffekt, etc. I tillegg vurderes den unike bølgelengdefordelen, den brede justerbarheten etc. som en effektiv alternativ lyskilde for kunstige lysfabrikker [29]. Markedsutsikter for LED-applikasjoner i anleggsbelysning er ganske optimistiske, og markedsstørrelsen forventes å vokse raskt. I 2017 var markedet for anleggsbelysning (system) ca 690 millioner amerikanske dollar, inkludert 193 millioner LED-lamper. Det anslås at anleggsbelysningen (systemet) i 2020 vil vokse til 1,424 milliarder amerikanske dollar, og LED-lamper vil øke til 356 millioner amerikanske dollar. I dag er modusen for LED-belysning hovedsakelig blå LED-chip eller ultrafiolett LED-chip + fosfor. I fremtiden vil fosfor for anleggsbelysning også være et av de viktigste råmaterialene for å realisere anleggsbelysningsenheter.
Den viktigste energikilden som kreves for plantevekst og -utvikling er lys, men lysets absorpsjon av lys er ikke fullbåndet, men selektiv, mens lysets absorpsjonsspekter ved forskjellige grønne planter er stort sett det samme [30], klorofyll er mest lysbølge. Det er to sterke absorpsjonssoner. Den ene er den blå og fiolette delen med en bølgelengde på 400-500 nm. Opptaket av oransje og gult lys er mindre, og absorpsjonen av grønt lys er minst, så løsningen av klorofyll er grønn og den andre er i bølgelengde. For den røde delen av 640-660 nm er rødt lys gunstig for syntesen av plantekarbohydrater og akselererer veksten og utviklingen av planter. Derfor oppnås en effektiv belysning av anleggsbelysningen generelt ved en kombinasjon av 400-500 nm blått lys og 640-660 nm ultra rødt lys og noen hvite lysdioder.
I tillegg, i tillegg til de ovennevnte to lystyper som planter må absorbere, har planter også fotoreseptorsystemer (fotoreceptorer). Den viktigste fotoreceptoren i planter er fytokrom som absorberer rødt eller langt rødt lys. Det er ekstremt følsomt for rødt og langt rødt lys og deltar i hele veksten og utviklingen av planter fra spiring til modenhet. Fytokrom i planter finnes i to relativt stabile tilstander: rød lysabsorpsjon (PR, lmax = 660 nm) og langt rødt lysabsorpsjon (PR, lMAX = 730 nm), som kan forvandles til hverandre, så komplett. bør også ha et langt rødt lys på 730 nm [31]. Blått pulver er begeistret av UV / nær UV-chip, hovedsakelig basert på aluminat, silikat, fosfat og nitrid, og EU2 + er luminescerende ion [32-33]. De fleste av de dype røde fosforene oppnås ved EU, MN eller CE plasma eller samdopet med MN2 + [34-35]. Forskningen av fosfor i disse to bandene har vært omfattende, og den nåværende teknologien er relativt moden og kan praktisk talt brukes på anleggsbelysning. Det er imidlertid få studier på farrød fosfor for plantefytokrom, og deres lysstyrke er fortsatt på et lavt nivå, noe som er vanskelig å praktisere. Derfor er utviklingen av nye infrarøde luminescerende materialer som samsvarer med plantebelysningsfeltet, løsningen av de viktigste forberedelsesteknikkene, samt undersøkelsen av forholdet mellom lys for blå, rød og farrød fosfor brukt i belysning, er bidraget av anleggsbelysning til i dag. Nøkkelretningen for utviklingen av bio-landbruk.
3.2 Luminescerende materialer for nærinfrarøde lyskilder
Nær-infrarødt lys refererer til elektromagnetiske bølger med en bølgelengde i området 780-2526 nm. I de senere år har applikasjonen av nærinfrarøde detektorer innen ansiktsgjenkjenning, irisgjenkjenning, sikkerhetsovervåking, laserradar, helseoppdagelse, 3D-sensing, etc. raskt utviklet seg og blitt internasjonalt forskningsfokus [36-38]. Det er anslått at nærinfrarøddetektoren vil nå 25 milliarder amerikanske dollar i det globale biometriske identifikasjonsmarkedet i 2020, hvorav kun den totale produksjonen av iris anerkjennelsesteknologi vil nå 3,5 milliarder dollar. Infrarøde detektorer er en viktig del av kommunikasjon og IoT-systemer, og det er et presserende behov for nær-infrarøde (spesielt 780-1600nm) enheter som gir høyeffektive smalbånd eller spesialbredbånd. I dag er patentet på infrarød chip mestret av utenlandske land, spesielt brikken med bølgelengden over 1000nm er lav i effektivitet, høy i kostnad og monopolisert av utenlandske patenter og teknologier. Det er presserende å utvikle en høy energi-moden fiolettblå chip for å stimulere den fosforomdannede høyeffektiv infrarøde enheten. I slutten av 2016 lanserte OSRAM den første blålyskompositten nær infrarød fosfor nær infrarød LED for å måle fett, protein, fuktighet eller sukkerinnhold i mat. Gjennomføringen av blue chip og nær-infrarød fosfor komposittpakken har fordelene ved enkel forberedelsesprosess, lav kostnad, høy lysstyrke og lignende, og har vært mye opptatt internasjonalt. Derfor er det ekstremt presserende å utvikle en ny type nærinfrarød fosfor for hvert bånd av nær-infrarøde lysdioder for å realisere sine varierte applikasjonskrav.
I følge klassifiseringen av nær infrarødt lys er den nær-infrarøde langbølgen 1100-2526 nm, og nær-infrarød langbølgefosfor bruker hovedsakelig Er3 + og Ni2 + som lysende senter. I dag er det gjort en rekke fruktbare forskningsprosesser på dette feltet [39]. Fosforene med forskjellige bølgelengder av nær-infrarød langbølge har blitt studert, og energioverføringen har blitt realisert ved innføring av sensibiliserte ioner etc., og lysstyrken har blitt betydelig forbedret [40].
Den nær-infrarøde kortbølgen er 780 ~ 1100nm, og nær-infrarød kortbølgefosfor består hovedsakelig av Cr3 +, Yb3 + og Nd3 + [41-42]. For tiden har industrien oppnådd et relativt rikt materiell system innen nærinfrarødt lysende materiale, men det vanlige problemet er at lysstyrken er lav, og noen systemer har dårlig stabilitet og kan fortsatt ikke tilfredsstille markedets etterspørsel. Derfor utvikler en ny type nær-infrarøde luminescerende materialer, som bryter gjennom det violetblå lysemitterende infrarødt fluorescerende pulver og dets sentrale forberedelsesteknologi, og forbedrer kontinuerlig lysets effektivitet og erstatter gradvis den nærinfrarøde brikken.
4. Konklusjon
Oppsummert er belysnings- og displayteknologien basert på den høyeffektive og lavprisblå LED-brikken blitt brukt på en moden måte. Blant dem forbedres ytelsen til aluminat- og nitrid-systemfosforene som er egnet for blått lys excitering, men med fullspektret belysning og stor strømbelysningsteknologi og applikasjonskrav, utviklingen av nye fosfor og høyytende fluorescerende materialer av ceramisering eller enkelt krystall er trengte. I displayfeltet, selv om QLED-, OLED- og excitasjonsvisningsteknologi utvikler seg raskt, forventes utviklingen av nye fosfor å kompensere for den relative mangelen på fargegruppe av flytende krystallskjerm. Den flytende krystallskjermens bakgrunnsbelysningsteknologi basert på blå LED-chips er fortsatt ekstremt stor. vitalitet. I tillegg, gjennom innovasjon av materielle systemer, basert på blå lysdioder, forventes det å oppnå høyeffektive nærinfrarøde og til og med ultrafiolette, ikke-synlige lyskilder. Bruk av fosformaterialer og teknologiske innovasjoner på ovennevnte felt er en viktig måte å realisere kjernepatentet gjennombrudd og industriell utvikling av Kinas materialer og til og med fotovoltaiske enheter.
