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研究生: 陳國儒
Kuo-Ju Chen
論文名稱: 利用組合式化學法發展白光發光二極體
Development of Phosphors for White Light-Emitting Diodes through Combinatorial Chemistry approach
指導教授: 胡淑芬
Hu, Shu-Fen
李敏鴻
Lee, Min-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 光電工程研究所
Graduate Institute of Electro-Optical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 119
中文關鍵詞: 螢光粉
英文關鍵詞: phosphor
論文種類: 學術論文
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  • 1996年,日本日亞化學公司以藍光晶片搭配黃色螢光粉而研發成功白光發光二極體,其優點為體積小、發熱量低、壽命長、節能等,足以取代傳統燈源。發光效率已由2005年60 lm/W至2010年150 lm/W,未來將成為二十一世紀照明新光源。近年來,白光發光二極體發展日新月異,藍光晶片搭配黃色螢光粉為目前較成熟技術,但仍有藍光轉換效率不佳、演色性低、色溫偏高等問題。有鑑於此,紫外光發光二極體(UV-LED)搭配紅色、綠色與藍色三色螢光粉組合之白光將具高發光效率以及高演色性,為未來主要趨勢。
      本研究乃著重於研發UV-LED激發之高純度螢光粉,其具高發光效率與高穩定性。本研究之研究內容為利用組合式化學方法發展
    (Y, Gd)VO4系列之螢光粉,摻雜Bi3+離子與Eu3+離子為發光中心,其目的為初步篩選與快速優化。其後利用固態反應法製備(Y, Gd)VO4系列之螢光粉,目的為驗證組合式化學合成之成果,並進一步進行發光特性與能量轉移機制探討。
      本研究(Y0.956Bi0.04Eu0.004)VO4之螢光粉配方,其與藍色商用螢光粉Sr3MgSi2O8:Eu2+(3128),以UV-LED晶片封裝成白光。其演色指數(Ra)可達90.3,適用於高演色性之暖白光發光二極體。

    In 1996, the first white light-emitting diode (WLED) was developed by Nichia Chemical Company, Japan. The advantages of WLED are small size, lower heat generation, long lifetimes and many more favorable properties. The conventional lamp could be replaced by WLED. The luminous efficiency has been improved by 60 lm/W in 2005 to 150 lm/W in 2010. WLED will become the newest lighting source in twenty-first century. However, the above mentioned strategy of white light generation faces serious problems such as low conversion of blue LED, low color rendering index, high color temperature and so on. For this reason, UV excitable phosphors have attracted much attention to improve the drawbacks. UV-LED fitted with three phosphors emitting blue, red and green, this type offers superior color uniformity with a high color rendering index and excellent quality of light.
    The aim of this study is to focus on UV excitable phosphate which has high luminous efficiency and high stability. The work is to use the combinatorial chemistry to develop (Y,Gd)VO4 phosphor. The host matrixes were doped with different rare earth elements such as Bi3+ ions and Eu3+ ions. The purposes of combinatorial chemistry approach are initial -selected and fast- optimize. In order to verify the results in combinatorial chemistry approach, using the solid-state reaction to synthesis vanadate phosphor. According to the bulk sample, they will be discussed the further luminous properties and energy transfer mechanism.
    Finally, a practical white LED lamp has been prepared from an optimal (Y0.956Bi0.040Eu0.004)VO4 phosphor and a commercially available blue phosphor of Sr3MgSiO8:Eu2+ (3128) which lead to obtain the color rendering index (Ra) up to 90.3.

    總目錄 總目錄........................................................................................................I 圖目錄......................................................................................................VI 表目錄.......................................................................................................X 第一章緒論 1 1.1 發光之定義與分類 2 1.1.1 發光之定義 2 1.1.2 發光之現象 2 1.1.3 發光之類型 3 1.2 色彩簡介 6 1.2.1 色溫(Color temperature) 7 1.2.2 CIE色度座標圖(CIE chromaticity diagram) 8 1.2.3 演色性(Color rendering index) 10 1.3 白光發光二極體簡介 12 1.3.1 發光二極體之原理 12 1.3.2 白光發光二極體之製作方法 14 1.3.3 白光發光二極體之應用 16 1.3.3.1 白光LED與看板照明 16 1.3.3.2 白光LED與建築照明 17 1.3.3.3 白光LED與家庭照明 18 1.3.3.4 白光LED與路燈照明 19 1.4 白光發光二極體用之螢光粉 20 1.4.1 螢光粉之設計 24 1.4.2 主體晶格(Host) 24 1.4.3 活化劑(Activator) 26 1.4.4 增感劑(Sensitizer) 27 1.4.5 抑制劑(Quencher or killer) 27 1.4.6 稀土離子 28 1.5 發光機制與影響發光效率之因素與定則 30 1.5.1 螢光粉之發光原理 31 1.5.2 法蘭克-康頓原理(Franck-Condon principle) 32 1.5.3 斯托克位移(Stokes shift)與卡薩定則(Kasha rule) 34 1.5.4 濃度淬滅(Concentration quenching) 36 1.5.5 熱淬滅(Thermal quenching) 37 1.6 組合式化學 38 1.6.1 組合式化學歷史 38 1.6.2 組合式化學原理 39 1.6.3 組合式化學技術 40 1.6.3.1 薄膜沉積法 40 1.6.3.2 溶液合成法 41 1.6.4 組合式化學於螢光粉之應用 42 1.7 研究動機與目的 44 第二章 樣品合成與儀器分析 45 2.1 化學藥品 45 2.2 樣品之製備 46 2.2.1 組合式化學法 46 2.2.2 固態反應法 47 2.2.3 實驗流程 48 2.3 樣品鑑定 51 2.3.1 粉末X光繞射儀 (X-ray diffraction; XRD) 52 2.3.1.1 X光基本原理 53 2.3.1.2 晶體結構分析 55 2.3.1.3 結構精算 56 2.3.1.4 XRD實驗儀器 59 2.3.2 光激發光譜儀(Photoluminescence; PL) 60 2.3.2.1 PL實驗儀器 62 2.3.3 熱淬滅(Thermal quenching) 64 第三章 結果與討論 65 3.1 組合式化學分析 66 3.1.1 YVO4:Bi,Eu特性分析 66 3.1.1.1 YVO4:Bi,Eu組合材料庫 66 3.1.1.2 YVO4:Bi,Eu組合材料庫光激發光譜分析 68 3.1.2 GdVO4:Bi,Eu特性分析 75 3.1.2.1 GdVO4:Bi,Eu組合材料庫 75 3.1.2.2 GdVO4:Bi,Eu組合材料庫光激發光譜分析 77 3.1.3 (Y,Gd)VO4:Bi,Eu特性分析 80 3.1.3.1 (Y,Gd)VO4組合材料庫 80 3.1.3.2 (Y,Gd)VO4:Bi,Eu組合材料庫光激發光譜分析 82 3.1.4 (Gd,Y)VO4:Bi,Eu特性分析 85 3.1.4.1 (Gd,Y)VO4:Bi,Eu組合材料庫 85 3.1.4.2 (Gd,Y)VO4:Bi,Eu組合材料庫光激發光譜分析 87 3.1.4.3 (Gd0.96-r-tYrBi0.04Eut)VO4之發射光譜圖 90 3.2 固態反應法分析 94 3.2.1 YVO4:Bi,Eu結構分析 94 3.2.2 YVO4:Bi,Eu之光激發光譜分析 98 3.2.3 YVO4:Bi,Eu之能量轉移機制與臨界距離 101 3.2.4 (Y,Gd)VO4:Bi,Eu結構分析 106 3.2.5 (Y,Gd)VO4:Bi,Eu之光激發光譜分析與能量轉移機制 108 3.3 白光LED之特性分析 113 第四章 結論 114

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