螢光材料最新應用與發展趨勢：材料世界網

螢光材料(Luminescent Materials)目前之主流應用是與發光二極體(Light Emitting Diodes; LEDs)搭配，以LED產生之藍光或近紫外光藉由光轉換機制進而產生白光，並應用在照明與顯示，這樣的組合相較於傳統白熾燈與目前的螢光燈，更具節能與環保的優勢。然而，目前藍光LED
搭配黃色YAG:Ce3+螢光粉已被日本日亞化學之專利所涵蓋，為擺脫專利的束縛，許多新型螢光材料陸續被開發。此外，在封裝膠材方面，為了改善傳統有機封裝樹脂的低耐化性，無機螢光玻璃陶瓷技術由於具有光、熱安定性佳，折射率與螢光粉匹配等優勢，此技術之開發日益受
到各界的重視。除了LED的相關應用之外，螢光材料也逐步拓展到生醫顯影(Bio-imaging)、太陽電池(Solar Cells)與光動力治療(Photodynamic Therapy)等技術。

圖一、LED 螢光粉之相關應用介紹

螢光材料發展現況
Samsung Electronics 探討Sr₂P₂O₇:Eu²⁺, Mn²⁺紅光材料在未來應用之可行性，圖二(a)顯示Sr₂P₂O₇之晶體結構，以及在摻雜Eu2+ 與Mn²⁺之相對應的激發與放射光譜，由此可知Sr₂P₂O₇:Eu²⁺屬於一藍光螢光材料，其放光光譜恰與Sr₂P₂O₇:Mn²⁺螢光材料的激發光譜重疊，因此Eu²⁺ 與Mn²⁺共摻有可能發生能量轉移的情形，也就是Eu²⁺吸收紫外光，其所放射之藍光可再被Mn²⁺吸收而放射出波長620nm 的紅光；圖二(b)則是Sr₂P₂O₇:Eu²⁺,Mn²⁺之激發與放射光譜，結果顯示藉由能量轉移可大幅提升Mn²⁺紅光放射的強度，研究中並以此紅色螢光粉搭配藍光螢光粉Sr5(PO₄)₃Cl:Eu²⁺(SCA)、綠光螢光粉Sr₂Ga₂SiO₇:Eu²⁺和395 nm Chip 組成白光；此外，該研究團隊亦討論另一新穎紅光材料Li₂SrSiO₄:Eu²⁺（放光波長590 nm）與藍光螢光材料Li₂SrSiO₄:Ce³⁺（放光波長410 nm）共摻之Li₂SrSiO₄:Ce³⁺,Eu²⁺能量轉移機制。

美國Sandia 國家實驗室的研究團隊利用水熱法製備一系列紅色螢光粉(6)， LaTaO₄:Eu³⁺ 之最佳Eu³⁺ 摻雜濃度為25 mol% ，以高壓水熱法搭配900°C 高溫退火處理，可合成出藍光可激發且量子效率高達83% 之新穎紅色螢光材料，若使用固態反應法製備，其量子效率僅23% 。主要原因是使用水熱法製備螢光粉，可大幅降低晶體結構對稱性，因此增進螢光粉量子效率。此外，將Gd 換成La，不僅激發放射光譜類似，更能
提升熱穩定性，在130°C 下，其螢光粉之發光強度與室溫比較，僅降低3% 。另外，該團隊並開發具有Perovskite 結構之新穎近紅外光螢光材料La₂Li(Ta,Nb)O6:Mn⁴⁺ ，藉由Mn⁴⁺ 的摻雜，可放射出波長714 nm 的紅光，其晶體結構、螢光粉外觀及其相對應的激發放射光譜如圖七所示，可惜其流明效率太低，較不適合應用在顯示與照明(6)。

圖七、La₂Li(Ta,Nb)O₆:Mn⁴⁺ 螢光粉之晶體結構、螢光粉外觀及激發放射光譜

螢光玻璃陶瓷發展現況
日本京都大學的Tanabe 教授發表一新穎製備螢光玻璃陶瓷Frozen Sorbet Method，分別開發光波長515 nm 的綠光β-Ca₂SiO₄:Eu²⁺螢光玻璃陶瓷及放光波長600nm 的紅光Ca₃Si₂O₇:Eu²⁺螢光玻璃陶瓷，在螢光玻璃陶瓷內的螢光粉體積分率約占40% ，該研究團隊可藉由改變陶瓷片的厚度，進而調整LED 所產生白光之CIE 色度座標；另外， Tanabe 教授也指出螢光粉晶體材料系統如果是對稱性高的Cubic Structure ，比較適合製備螢光玻璃陶瓷，目前該研究團隊所做出之螢光陶瓷片可見光穿透度可達80% 。另外，其先前研究是開發黃光之Y₃Al₅O₁₂:Ce³⁺ (YAG:Ce³⁺)陶瓷片，然與藍光晶片組合所產生之白光屬冷白光，且演色性差，故最新研究是以Gd 部分取代Y 讓發光波長紅位移，結果顯示0.25 mm 厚度的YAG-GCP (Glass Ceramic Phosphor; GCP)可以調到白光，對於YGdAG-GCP ，其厚度0.5~0.75 mm 皆可達到白光點，螢光陶瓷片量子效率高達85~95% ，吸收率80% ，藉由Gd 的添加可讓演色性(Ra)從65 大幅度提升到80 ，色溫可從4,500K 的暖白光到7,400K的冷白光，流明效率可達到 210~280 lm/W 。