CN113025329A - 一种磷酸铀晶体材料的应用 - Google Patents

Abstract

一种磷酸铀晶体材料的应用，涉及前沿光电材料领域。本发明是要解决现有的白光LED难以实现大于100％NTSC的超广色域的技术问题。本发明将磷酸铀晶体材料作为背光源pc‑WLED中的绿光荧光粉成分。本发明的优点为：1、此磷酸铀晶体材料具有与蓝光芯片相匹配的宽广的激发光谱与较窄的发射光谱，有利于实现宽广的色域；2、此磷酸铀晶体具备较高的内外量子效率；3、此磷酸铀晶体材料具有优异的化学、物理稳定性，具备出色的热稳定性、水稳定性与耐辐照稳定性；4、通过与商用的蓝光InGaN芯片与KSF:Mn⁴⁺红光荧光粉结合制备的pc‑WLED实现了超过107.6％NTSC的宽广色域。

Description

一种磷酸铀晶体材料的应用

技术领域

本发明涉及前沿光电材料领域，涉及一种基于磷酸铀晶体材料的背光源pc-WLED用的高品质绿光荧光粉。

背景技术

现如今，液晶显示(LCDs)已经融入于我们的日常生活中，涵盖了智能手机，平板电脑，电脑屏幕等各种显示设备。白光二极管(WLED)被广泛应用于显示屏幕中的背光源，以实现更大的色域，更高的亮度和更低的能耗。由红色、蓝色和绿色多芯片组成多芯片WLED通常具有较宽的色域。但是，多个芯片组合制备的WLED器件成本较高，且绿色的芯片相比较于红色与蓝色芯片效率较低，存在“绿隙”缺陷。相比之下，pc-WLED(基于无机粉末状的荧光材料组成的白光二极管)结合了单一的LED芯片与荧光粉，因其效率高，成本低而被广泛采用。在pc-WLED中，色域、发光效率和稳定性等关键参数是由荧光粉的特性决定的。理想的pc-WLED应具备以下特性：1、较高的内外量子效率；2、较窄的发射带，合适的峰位；3、较好的化学与热稳定性。目前，主流商用的背光用pc-WLED所实现的形式是蓝光GaN芯片与商用的红光荧光粉K₂SiF₆:Mn⁴⁺(KSF:Mn⁴⁺)和商用的绿光荧光粉β-SiAlON:Eu²⁺结合，能够实现约60％-95％NTSC(National Television Standards Committee)的色域，但受限于β-SiAlON:Eu²⁺其本身的半峰宽值与峰位，难以实现大于100％NTSC的超广色域。近年来，兴起的量子点与钙钛矿材料尽管具备较好的光学特性，然而繁琐的制备过程和较差的化学与物理稳定性使其难以商业化应用。此外，由于人眼对绿光更加敏感，具有窄带发射带的绿光荧光材料的开发显得尤为重要。因此寻找一种具备优异的光学性能、化学与物理稳定性良好的绿光荧光材料仍是一项挑战工作。

发明内容

本发明是要解决现有的pc-WLED难以实现大于100％NTSC的超广色域的技术问题，而提供一种磷酸铀晶体材料的应用。

本发明将磷酸铀晶体作为背光源pc-WLED的绿光荧光粉。

磷酸铀晶体的化学式为(H₃O)UO₂PO₄·(H₂O)₃，是一种已知材料。

本发明的优点为：

1、磷酸铀晶体材料具有与蓝光芯片相匹配的宽的激发光谱和吸收谱，同时其具有较窄的发射光谱，有利于实现宽广的色域；

2、磷酸铀晶体具备接近100％的内外量子效率；

3、磷酸铀晶体具有优异的化学、物理稳定性，具备出色的热稳定性、水稳定性与耐辐照稳定性；

4、与商用的蓝光InGaN芯片与红光荧光粉KSF:Mn⁴⁺(K₂SiF₆:Mn⁴⁺)组合制备的pc-WLED，实现了107.6％NTSC的宽色域。

附图说明

图1为试验一制备的磷酸铀晶体的显微照片；

图2为粉末衍射图谱；

图3为试验二激发与发射光谱图；

图4为试验二中不同的激发光下的试验一制备的磷酸铀晶体的发射光谱；

图5为试验三中不同激发光下磷酸铀晶体的内量子效率柱状图；

图6为试验三中不同激发光下磷酸铀晶体的外量子效率柱状图；

图7为试验四中测试试验一制备的磷酸铀晶体的荧光寿命图；

图8为试验五中荧光粉的发光稳定性与结构稳定性测试图；

图9为试验六中去离子水处理不同时间磷酸铀晶体在365纳米紫外光照射下的实物照片；

图10为试验六中去离子水处理不同时间磷酸铀晶体的荧光光谱图；

图11为试验六中去离子水处理不同时间磷酸铀晶体的粉末衍射图；

图12为试验七中氙灯照射不同时间后磷酸铀晶体的荧光光谱图；

图13为试验八中组装的pc-WLED未通电时的照片；

图14为试验八中组装的pc-WLED通电时的照片；

图15为试验八制备的pc-WLED的电致发光光谱图；

图16为试验八制备的pc-WLED的色域空间与NTSC标准的色域空间对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式为一种磷酸铀晶体的应用，将磷酸铀晶体作为背光源用pc-WLED的绿光荧光粉。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的磷酸铀晶体的制备方法如下：将0.0082g的硝酸铀酰，0.101g的硝酸钾，0.2g的亚磷酸和2mL的去离子水加入到容积为23mL的四氟乙烯内衬的高压反应釜中，升温到180℃并保温72h，之后降温到室温，得到的产物以乙醇冲洗，得到黄绿色片状晶体即为磷酸铀晶体，然后进行研磨，得到粉末。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：以3℃/min升温到180℃并保温72h。其他与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：以3℃/min升温到180℃并保温72h，之后以4℃/min降温到室温。其他与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：将制备的磷酸铀晶体、商用的红光荧光粉KSF:Mn⁴⁺和环氧树脂以1:0.5:0.5的质量比充分混合均匀，之后均匀的涂敷在蓝光InGaN芯片上组成pc-WLED，该pc-WLED显示出了107.6％NTSC宽广的色域。其他与具体实施方式一相同。

用以下试验对本发明进行验证：

试验一：本试验为一种磷酸铀晶体的应用，磷酸铀晶体作为背光源pc-WLED的绿光荧光粉；

所述的磷酸铀晶体的制备方法如下：将0.0082g的硝酸铀酰(UO₂(NO₃)₃·6H₂O)，0.101g的硝酸钾(KNO₃)，0.2g的亚磷酸(H₃PO₃)和2mL的去离子水加入到容积为23mL的聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，以3℃/min升温到180℃并保温72h，之后以4℃/min降温到室温，产物以乙醇和去离子水冲洗，得到产率为52％的黄绿色片状晶体即为磷酸铀晶体，然后进行研磨(化学式为(H₃O)UO₂PO₄·(H₂O)₃)，得到粉末材料。

图1为试验一制备的磷酸铀晶体的显微镜照片，可以看出产物均为片状晶体，具备较高的相纯度。

图2为粉末衍射图，曲线1为试验一制备的磷酸铀晶体的粉末衍射图，曲线2为模拟标准的磷酸铀晶体粉末衍射图，可以看出试验一制备的产物为纯相。

试验二：采用FLS980测定激发与发射光谱，如图3所示，曲线1为试验一制备的磷酸铀晶体，曲线2为购买的β-SiAlON:Eu²⁺，虚线为对曲线1进行模拟后的曲线，可以看出所制备的磷酸铀晶体具备宽泛的激发带与较窄的发射带，激发带范围为200nm～500nm，证明了制备的磷酸铀晶体可被从UV到可见光激发的能力，这与目前商用的GaN(λ_Em＝430-520nm)芯片与InGaN(λ_Em＝450-460nm)芯片相匹配。磷酸铀晶体的发射峰具备鲜明的铀酰特征的五指峰，发射带的范围为470nm～600nm。

图4为不同的激发光下的试验一制备的磷酸铀晶体的发射光谱，10条曲线从上至下对应的激发光的波长为280nm、320nm、300nm、340nm、360nm、400nm、380nm、420nm、260nm和440nm，可以看出经过不同的激发光收集的发射光谱，具备相同的发射峰形状无明显的发射峰位移。相较于商用的背光源用绿光荧光粉β-SiAlON:Eu²⁺的半高峰宽值FWHM＝54nm，磷酸铀晶体的半高峰宽值43.15nm，这证明试验一制备的磷酸铀晶体具备更高的色纯度，有利于实现更加宽广的色域。

试验三：采用FLS980的积分球测试试验一制备的磷酸铀晶体的量子效率，图5为不同激发光下磷酸铀晶体的内量子效率柱状图，图6为不同激发光下磷酸铀晶体的外量子效率柱状图，其中在282nm的UV激发下，磷酸铀晶体的内外量子效率分别为93.66％与82.05％，归因于此种磷酸铀晶体具有较低的自吸收，刚性与对称的结构，在不同的激发光下展示出了极高的量子效率，传统的商用绿光荧光粉中是比较罕见的。

试验四：采用英国爱丁堡公司生产的FLS980稳态/瞬态荧光光谱仪测试试验一制备的磷酸铀晶体的荧光寿命，如图7所示，磷酸铀晶体显示出了单指数的荧光寿命，证明了所制备的磷酸铀晶体是以铀酰离子为单一的发光中心，在400nm激发光的激发下，在室温下测量了磷酸铀晶体的荧光寿命，拟合之后的荧光寿命τ为0.37ms，相较于Mn²⁺掺杂的绿光荧光粉具有较短的荧光寿命。

试验五：荧光粉的发光稳定性与结构稳定性对荧光粉来说是至关重要的。将试验一制备的磷酸铀晶体暴露在在湿度约为40％RH的环境中不同的天数，测试其荧光强度，如图8所示，曲线1为原始样品，曲线2为暴露5天，曲线3为暴露10天，曲线4为暴露20天，曲线5为暴露40天后的荧光光谱，从图中可以看出磷酸铀晶体的发光强度没有明显降低，在潮湿的空气氛围内置放40天，发光强度依旧能够保持92.56％以上。

试验六：将试验一制备的磷酸铀晶体分别在水中浸泡0、3h、6h、12h和24h，图9为在365nm紫外光照射下的相应照片，可以看出在24h内，在365nm的紫外灯照射下磷酸铀晶体依旧能够显示出明亮的绿色荧光；图10为磷酸铀晶体浸泡在去离子水中不同时间后的荧光光谱图，5条曲线从上至下对应的浸泡时间依次为0、3h、6h、12h和24h，可以看出磷酸铀晶体的荧光光谱的形状与峰位基本保持一致，其荧光强度依旧能够保持在初始值的72.7％。图11为浸泡不同时间后样品的粉末衍射图，曲线1为模拟标准的磷酸铀晶体，曲线2为浸泡时间为0，曲线3为浸泡时间为3h，曲线4为浸泡时间为6h，曲线5为浸泡时间为12h，曲线6为浸泡时间为24h后的粉末衍射图，可以看出浸泡水中24h内，磷酸铀晶体的晶体结构保持良好，没有发生变化。

试验七：在LED器件中，荧光粉可能受到长时间的紫外或者可见光照射，因此，耐辐照对于荧光粉来说是一个重要的参数。为保证磷酸铀晶体受到从近紫外到红光的全光谱照射，将试验一制备的磷酸铀晶体置于无滤光片的氙灯(300w)的照射下。如图12所示，5条曲线对应的照射时间依次为0、1h、3h、5h和7h，可以看出在经过氙灯的全光谱照射，磷酸铀晶体发射光谱形状基本一致，对半峰宽与发光强度的影响几乎可以忽略不记。

试验八：pc-WLED的制备与性能测试：将试验一制备的磷酸铀晶体、商用的红光荧光粉KSF:Mn⁴⁺(K₂SiF₆:Mn⁴⁺)和环氧树脂E-44以1:0.5:0.5的质量比充分混合均匀，之后均匀的涂敷在蓝光InGaN(λ_em＝450nm)芯片上组成pc-WLED，照片见图13。在20mA的电流下，所制备的pc-WLED显示出了明亮的白光，照片见图14。

图15为试验八制备的pc-WLED的EL光谱图，可以看出pc-WLED的发射光谱范围为425nm～680nm，几乎涵盖了从可见光到紫外光，并具备稳定的光学性能。

图16为试验八制备的pc-WLED的色域范围与NTSC标准的色域范围对比图以及CIE1931色度坐标，可以看出pc-WLED的CIE的坐标为(0.3293，0.3661)，证明了其具备较高的色纯度，并且基于磷酸铀晶体制备的pc-WLED显示出了107.6％NTSC宽广的色域。

如表1所示，试验一制备的磷酸铀晶体相较于基于主流商用的绿光荧光粉β-SiAlON:Eu²⁺所制备背光源用LED(96％NTSC)，以及与现有的绝大多数绿光无机材料所制备的背光源用pc-WLED的色域范围有了显著的提高，证明了试验一制备的磷酸铀晶体比商用的绿光荧光粉β-SiAlON:Eu²⁺更加适于制备宽色域背光源LED。

表1用于背光源绿光材料的性能参数对比

Claims (5)

1.一种磷酸铀晶体的应用，其特征在于磷酸铀晶体材料作为背光源用pc-WLED的绿光荧光粉。

2.根据权利要求1所述的一种磷酸铀晶体的应用，其特征在于所述的磷酸铀晶体的制备方法如下：将0.0082g的硝酸铀酰，0.101g的硝酸钾，0.2g的亚磷酸和2mL的去离子水加入到容积为23mL的四氟乙烯内衬的高压反应釜中，升温到180℃并保温72h，之后降温到室温，得到的产物以乙醇冲洗，得到的黄绿色片状晶体即为磷酸铀晶体，然后进行研磨，得到粉末材料。

3.根据权利要求2所述的一种磷酸铀晶体的应用，其特征在于以3℃/min升温到180℃并保温72h。

4.根据权利要求2所述的一种磷酸铀晶体的应用，其特征在于以3℃/min升温到180℃并保温72h，之后以4℃/min降温到室温。

5.根据权利要求1所述的一种磷酸铀晶体的应用，其特征在于将磷酸铀晶体、红光荧光粉KSF:Mn⁴⁺和环氧树脂以1:0.5:0.5的质量比充分混合均匀，之后均匀的涂敷在蓝光InGaN芯片上组成pc-WLED，所制备的pc-WLED显示出了107.6％NTSC宽广的色域。

Images