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化學系劉如熹教授團隊與大陸福建物構所合作
節能環保照明研究獲重要進展發表《Nature Commun.》

濕化學法合成之K2TiF4:Mn4+紅色螢光粉及高效暖白光發光二極體

化學系劉如熹教授團隊與大陸福建物構所合作節能環保照明研究獲重要進展發表《Nature  Commun.》。

白光發光二極體( Light-emitting diodes; LED) 由於其節能、環保以及壽命長等特點已成為下一代照明,目前商品化之白光LED主要採用藍光晶片激發YAG:Ce3+黃光螢光粉,晶片發出之藍光與螢光粉發射的黃光混合形成白光。但YAG:Ce3+螢光粉之發射光譜中紅光成分不足,此導致採用單一YAG:Ce3+螢光粉無法獲得低相關色溫(correlated color temperature,CCT < 4500 K)、高演色指數(color rendering index,CRI > 80)之暖白光,故限制其於室內通用照明中之應用。為解決這一問題,須於元件中添加適當之紅光螢光粉,以補充紅光成分,從而製備出低色溫與高演色指數之暖白光LED。目前性能較好的商品化紅光螢光粉主要為稀土摻雜之氮(氧)化物材料,但該類螢光粉存在發射頻寬過寬、製備須於高壓等局限,導致其流明效率偏低且價格昂貴。因此,開發能被藍光晶片有效激發之低成本、窄帶發射紅光螢光粉,尤其是替代稀土發光材料就成為人們關注之焦點,此亦為提高暖白光LED流明效率之關鍵。

臺大化學系劉如熹教授及博士後林群哲與大陸中科院福建物構所陳學元教授領導之研究小組,首次利用高效離子交換方法,成功製備出Mn4+摻雜之K2TiF6、K2SiF6、NaYF4與NaGdF4紅光螢光粉,該類螢光粉於~460 nm具有強吸收帶(頻寬~50 nm),非常適合藍光晶片之激發,同時其發射為~630 nm之尖銳譜線紅光發射,相比氮(氧)化物紅光螢光粉具有更高之流明效率。特別地,K2TiF6:Mn4+螢光粉室溫下之發光絕對量子效率達到98%,優於大部分現有之紅色螢光粉,同時該螢光粉具有很好之螢光熱穩定性,其在150 °C下的發光強度達到室溫下之98%。利用該紅光螢光粉與YAG:Ce3+黃色螢光粉組合封裝之暖白光LED於60 mA驅動電流、色溫3556 K,演色指數(Ra)81之條件下,流明效率高達116 lm/W。研究團隊所開發之離子交換製備方法簡單,於室溫與常壓下即可製備,且原材料價格便宜,因此具有很好之市場應用前景。此外,研究團隊還對Mn4+離子在氟化物基質中的光譜特性展開了深入之研究,藉由低溫高分辨鐳射光譜等方法,揭示了其電子能級結構,解釋了其反常之發光強度-溫度依賴關係,此發現為進一步研究和開發此類非稀土紅光發光材料提供了可靠之理論依據。上述研究成果在2014年7月8日以全文形式線上發表於《自然¾通訊》(Nature. Commun. 2014,DOI: 10.1038/ncomms5312)。

近年來,劉如熹教授所領導之研究小組於無機發光材料之研究兼顧基礎與實際應用,除於國際上重要期刊如Angew. Chem. It. Edit.、J. Am. Chem. Soc.、Chem. Mater.等發表多篇重要著作( 其中有4篇論文被ESI公佈為高引用論文) 外,並已獲60件以上之專利。

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