發(fā)光(熒光)是物質(zhì)將其內(nèi)部以某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為物體熱輻射之外的一種非平衡輻射的過(guò)程，又稱為“冷光”，這種輻射的持續(xù)時(shí)間要超過(guò)光的振動(dòng)周期。在一定的激發(fā)條件下能發(fā)光的材料稱為發(fā)光材料。無(wú)論是基質(zhì)，還是激活劑或敏化劑中，只要含有稀土元素，這些發(fā)光材料都統(tǒng)稱為稀土發(fā)光材料。
自從1964年高效稀土紅色熒光粉問(wèn)世以來(lái)，稀土發(fā)光材料經(jīng)過(guò)近40年的快速發(fā)展，己成為信息顯示、照明光源、光電器件等領(lǐng)域的支撐材料之一，為社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮著日益重要的作用。
現(xiàn)在我國(guó)的電視機(jī)、顯示器和照明光源的年生產(chǎn)量均列世界第一，這些產(chǎn)業(yè)均成為拉動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康成長(zhǎng)的重要產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)家外貿(mào)出口的重要產(chǎn)業(yè)。而這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)稀土發(fā)光材料在其中發(fā)揮的重要作用。2001年12月11日，我國(guó)正式加入世界貿(mào)易組織(WTO)，成為其第143個(gè)成員。加入世界貿(mào)易組織，對(duì)我國(guó)的信息和照明產(chǎn)業(yè)，以及稀土發(fā)光材料的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，既帶來(lái)機(jī)遇，也使我們面臨挑戰(zhàn)。
1、顯示用稀土發(fā)光材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
20世紀(jì)60年代，由于稀土分離技術(shù)的突破，高純單一稀土氧化物被制備出來(lái)，稀土元素在發(fā)光上的優(yōu)異特性逐漸得到了開(kāi)發(fā)利用。1964年，YVO4:Eu和Y2O3:Eu紅色熒光粉被研制出來(lái)，使彩電的質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，彩色電視機(jī)從而進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。1968年又發(fā)明了Y2O2S:Eu紅色熒光粉。直到今天，陰極射線管(CRT)彩電和顯示器上的紅色熒光粉主要還是Y2O2S:Eu或Y2O3:Eu。
我國(guó)比較集中的稀土發(fā)光材料的研究和開(kāi)發(fā)起始于70年代。北京有色金屬研究總院等單位從1970年就開(kāi)始了彩電熒光粉的研制。1973年國(guó)家開(kāi)始組織全國(guó)的彩電大會(huì)戰(zhàn)，參加單位包括中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春物理研究所，北京大學(xué)，北京有色金屬研究總院，華東電子管廠等國(guó)內(nèi)主要的研究院所、高校和工廠。
1980年我國(guó)從日本日立公司引進(jìn)彩電顯像管生產(chǎn)線，并配套從日本化成公司引進(jìn)彩電熒光粉生產(chǎn)線，在咸陽(yáng)成立了我國(guó)第一家彩電顯像管總廠和彩電熒光粉分廠。90年代初，北京化工廠和上海躍龍有色金屬有限公司也分別建成了彩電熒光粉廠。三大彩電熒光粉廠的產(chǎn)量正在逐年遞增，2001年產(chǎn)量約1000t，2002年產(chǎn)量約1200t。除了配套滿足咸陽(yáng)彩虹集團(tuán)、北京松下顯像管廠及上海水新顯像管廠外，還逐漸應(yīng)用到其他外資、合資企業(yè)中。
2002年我國(guó)共生產(chǎn)彩電5000多萬(wàn)臺(tái)，需用熒光粉約1500t。因此，國(guó)內(nèi)的熒光粉還是不能滿足國(guó)內(nèi)彩電的生產(chǎn)，需要從國(guó)外進(jìn)口彩電熒光粉。2002年我國(guó)還生產(chǎn)顯示器4000多萬(wàn)臺(tái)，這些顯示器所用的顯像管約一半是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的。顯示器所用熒光粉基本上依靠進(jìn)口。2002年我國(guó)生產(chǎn)CRT背投彩電70多萬(wàn)臺(tái)，這些背投彩電所用的投影管及其熒光粉主要依靠進(jìn)口。
高清晰度、數(shù)字化、平板化是彩色電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器的發(fā)展方向。顯示用稀土發(fā)光材料的發(fā)展必須隨著彩電和顯示器的發(fā)展而發(fā)展。最近幾年，高端彩電及顯示器可以說(shuō)正處于百花齊放的時(shí)期，各式各樣的顯示技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)，這些新型的顯示技術(shù)都得到了很大發(fā)展，很難判斷哪種顯示方式一定替代另一種顯示方式成為下一代彩電和顯示器的惟一或最主要的顯示方式。
普通CRT彩電和顯示器(包括所謂的“純平”和“高亮”)普遍被認(rèn)為無(wú)法滿足高清晰度、數(shù)字化、平板化的要求，最終將要退出主流市場(chǎng)。但由于技術(shù)的成熟、市場(chǎng)的認(rèn)同以及價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，CRT還將在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)存在，并取得一定的發(fā)展，例如，在我國(guó)2002年CRT彩電的產(chǎn)銷量比2001年增加了30%多�？梢哉f(shuō)在未來(lái)幾年內(nèi)，稀土發(fā)光材料在顯示領(lǐng)域中的主要市場(chǎng)還是在CRT，有關(guān)廠家和研發(fā)單位不應(yīng)放棄CRT用發(fā)光材料的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)。有條件的單位還應(yīng)組織力量開(kāi)發(fā)CRT顯示器的彩色熒光粉。2002年全世界共生產(chǎn)彩電用CRT約1.5億支，顯示器用CRT約8000萬(wàn)支，共消耗熒光粉約5500t，其中稀土紅色熒光粉約1800t。目前顯示器生產(chǎn)的重心正在向液晶顯示器(LCD)轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)2005年LCD產(chǎn)量與CRT產(chǎn)量基本持平(各約6000萬(wàn)臺(tái))，2005年顯示器用熒光粉比2002年將要減少。但隨著25英寸以上CRT電視機(jī)生產(chǎn)的增長(zhǎng)，2005年電視用熒光粉將比2002年要有所增長(zhǎng)�？傮w來(lái)說(shuō)，2005年CRT用熒光粉與2002年基本持平。
普通CRT的兩大弱點(diǎn)是：1、屏幕做不大；2、無(wú)法做薄。相對(duì)普通CRT而言，CRT背投具有屏幕大、機(jī)體薄的優(yōu)點(diǎn)，最近幾年得到了較大的發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，2003年我國(guó)CRT背投的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)120萬(wàn)臺(tái)－150萬(wàn)臺(tái)。因此，熒光粉的用量也將有較大增長(zhǎng)。背投彩電所用的投影管中，紅色熒光粉為Y2O3:Eu，綠色熒光粉為Y3(Al,Ga)5O12:Tb或Y2SiO5:Tb。這三種熒光粉均為稀土熒光粉。國(guó)內(nèi)多家單位正在組織力量開(kāi)發(fā)投影管用熒光粉。相信投影管用熒光粉一定會(huì)隨著我國(guó)投影管技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。我國(guó)CRT背投彩電上用的投影管和熒光粉都將會(huì)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
等離子平板顯示(PDP)具有屏幕大、視角寬、響應(yīng)快、機(jī)體薄、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為在大屏幕平板數(shù)字電視中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。等離子電視是2002年我國(guó)彩電市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)，價(jià)格急劇下降，銷量迅速上升。2002年全球消耗PDP熒光粉45t，即生產(chǎn)等離子電視約90萬(wàn)臺(tái)。據(jù)預(yù)測(cè)，2005年全球等離子電視的產(chǎn)量將達(dá)400萬(wàn)臺(tái)，熒光粉用量達(dá)200t。目前商用的PDP紅粉和藍(lán)粉均采用稀土熒光粉，其中紅色熒光粉為(Y,Gd)BO3:Eu或Y2O3:Eu，藍(lán)色熒光粉為BaMgAl10O17:Eu2+。但商用的PDP熒光粉還存在許多缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。日本在PDP熒光粉的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)也有多家單位在從事PDP用熒光材料的研究開(kāi)發(fā)。在原國(guó)家計(jì)委新材料專項(xiàng)的支持下，北京有色金屬研究總院稀土材料國(guó)家工程研究中心等單位于1999年開(kāi)始進(jìn)行PDP熒光粉產(chǎn)業(yè)化前期的研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)小批量工程化研究和大量涂屏試驗(yàn)，現(xiàn)在有關(guān)熒光粉的性能已與日本商用粉的水平非常接近。
液晶顯示器(LCD)具有分辨率高、機(jī)體薄、質(zhì)量輕、功率小等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為平板顯示領(lǐng)域的佼佼者，近年來(lái)，發(fā)展速度非�？臁８鶕�(jù)DisPlay Search公司調(diào)查，2002年世界LCD計(jì)算機(jī)顯示器銷售量為3000萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)2005年將達(dá)到6000萬(wàn)臺(tái)。2002年世界LCD電視機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約131萬(wàn)臺(tái)，2003年將大幅增長(zhǎng)到369萬(wàn)臺(tái)，因此在大屏幕高清晰度彩電方面，LCD有可能成為PDP的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。LCD本身不用熒光粉，但由于不能主動(dòng)發(fā)光，LCD需要用到背光源。其背光源需要用到大量的稀土熒光粉。
場(chǎng)發(fā)射顯示(FED)是與CRT最為接近的一種平板顯示方式，同屬陰極射線發(fā)光，因此，有專家認(rèn)為FED是一種非常有潛力的顯示技術(shù)。與CRT相比，F(xiàn)ED是在低電壓大電流下工作，傳統(tǒng)的CRT熒光粉用在FED上會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題。目前在FED器件上，除了紅粉繼續(xù)使用Y2O3:Eu或Y2O2S:Eu等稀土熒光粉外，綠粉和藍(lán)粉也傾向于使用稀土熒光粉。
有機(jī)電致發(fā)光顯示屏(OLED)是一種新興的平板顯示技術(shù)。與LCD相比，具有視角大、響應(yīng)快、亮度高、厚度薄、抗震性好、工作溫度范圍寬、成本低、安全性好、可做成柔性軟屏等許多優(yōu)點(diǎn)。2000年全球OLED市場(chǎng)在2000萬(wàn)美元左右，2001年已達(dá)到8000萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)OLED的年均增長(zhǎng)率超過(guò)200%。我國(guó)有多所大學(xué)、研究單位及公司正在涉足OLED的研究和開(kāi)發(fā)。我國(guó)從事OLED研發(fā)的人員大多數(shù)原來(lái)是從事材料或化學(xué)方面研究的，在器件方面我國(guó)尤為薄弱。稀土已在OLED方面顯示出一些優(yōu)異的性能，因此，OLED有可能成為稀土的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
由以上分析可知，稀土發(fā)光材料在顯示器方面的主要應(yīng)用領(lǐng)域在未來(lái)5年—10年內(nèi)將主要集中在普通CRT彩電和顯示器、背投彩電、PDP、FED及OLED等方面。我國(guó)在顯示用稀土發(fā)光材料方面發(fā)展方向?yàn)椋?1)要提高普通CRT彩電熒光粉的質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)量，爭(zhēng)取完全滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并有較大出口；(2)要努力開(kāi)發(fā)CRT顯示器用的熒光粉，此類熒光粉近幾年仍將保持1500t左右的規(guī)模，我國(guó)在此類熒光粉的市場(chǎng)份額極小；(3)要迅速開(kāi)發(fā)投影管用熒光粉，此類熒光粉近幾年會(huì)有很大的增長(zhǎng)；(4)要積極研發(fā)PDP、FED和OLED等新型彩電和顯示器用的發(fā)光材料，爭(zhēng)取在這些發(fā)光材料的市場(chǎng)中占有較大份額。
2、照明用稀土發(fā)光材科的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
1973年荷蘭科學(xué)家首先發(fā)明了燈用稀土三基色熒光粉。用稀土三基色熒光粉制造的熒光燈不僅在發(fā)光效率上較以前的普通照明光源有極大的提高，而且克服了以前的電光源在發(fā)光效率和顯色性上不能統(tǒng)一的缺點(diǎn)。普通白熾燈和鹵鎢燈的顯色指數(shù)最高(100)，但其發(fā)光效率太低，就目前水平而言，普通白熾燈的發(fā)光效率可達(dá)20 lm/W，鹵鎢燈可達(dá)25 lm/W，與目前大功率緊湊型稀土三基色熒光燈的100 1m/W相差甚遠(yuǎn)；普通鹵粉熒光燈的光效已達(dá)75 1m/W－80 1m/W，較普通白熾燈有較大提高，但其顯色指數(shù)不到60，顯色性太差，稀土熒光燈的顯色指數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到95以上，常用的稀土熒光燈的顯色指數(shù)都達(dá)到80以上。
經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，稀土發(fā)光材料在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)從普通的室內(nèi)照明發(fā)展到道路照明、廣場(chǎng)照明、景觀照明及各種特殊照明等照明領(lǐng)域的眾多方面。我國(guó)從70年代中期就開(kāi)始了照明用稀土發(fā)光材料的研究和開(kāi)發(fā)。北京有色金屬研究總院等單位從1976年就開(kāi)始研究燈用稀土三基色熒光粉，80年代就開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中�，F(xiàn)在我國(guó)已有不同規(guī)模的燈用稀土熒光粉廠約20家，但除少數(shù)廠家外，大多數(shù)都存在規(guī)模太小、質(zhì)量不高等缺點(diǎn)，難以參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。2002年全球生產(chǎn)普通照明熒光燈用稀土熒光粉約2000t，其中我國(guó)生產(chǎn)約800t，占40%。利用我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)和勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，努力提高產(chǎn)品質(zhì)量，我國(guó)應(yīng)該占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。隨著節(jié)能燈質(zhì)量和壽命的不斷提高，以及人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，稀土熒光燈還將會(huì)有較大幅度的增長(zhǎng)。
近十多年來(lái)，在道路和廣場(chǎng)照明上應(yīng)用廣泛的高壓汞燈、金屬鹵化物燈等都需要用到稀土，以提高顯色性和發(fā)光效率。另外，重氮復(fù)印、絲網(wǎng)印刷、保健、誘蚊、促進(jìn)動(dòng)植物生長(zhǎng)人工光源等各種特殊用途的光源中都需要用到較多的稀土發(fā)光材料。如前所述的LCD顯示器和彩電中用到的冷陰極熒光燈背景光源中也需要用到稀土三基色熒光粉。這些特種光源所用的稀土發(fā)光材料全球每年都有數(shù)百噸的應(yīng)用規(guī)模。有些光源的用量還有顯著增加的趨勢(shì)，如金屬鹵化物燈和LCD背光源。北京有色金屬研究總院從事金屬鹵化物燈用復(fù)合稀土鹵化物的研究開(kāi)發(fā)已有近30年的歷史，現(xiàn)己能制備多種用途、多種規(guī)格的鹵化物塊材和丸粒，產(chǎn)品的性能達(dá)到或接近國(guó)外水平，批量供應(yīng)給國(guó)內(nèi)80%以上的金屬鹵化物燈制造企業(yè)。
近年來(lái)，在照明領(lǐng)域最引人關(guān)注的事件是半導(dǎo)體照明的興起。90年代中期日本日亞化學(xué)公司的Nakamura等人經(jīng)過(guò)不懈努力，突破了制造藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)的關(guān)鍵技術(shù)，并由此開(kāi)發(fā)出以熒光材料覆蓋藍(lán)光LED產(chǎn)生白光光源的設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體照明之所以引人注目，關(guān)鍵在于其10大優(yōu)點(diǎn)：(1)完全無(wú)汞，真正的綠色照明；(2)壽命超長(zhǎng)，可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)；(3)高效節(jié)能，其發(fā)展趨勢(shì)是突破100 lm/W；(4)全固態(tài)照明，抗惡劣環(huán)境；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；(6)體積�。�(7)質(zhì)量輕；(8)響應(yīng)快；(9)工作電壓低；(10)抗震性及安全性好。
日亞化學(xué)最早的白光LED的專利都是藍(lán)光LED激發(fā)黃色YAG熒光粉發(fā)出白光的。后來(lái)，人們又開(kāi)發(fā)出以藍(lán)光LED激發(fā)綠色和紅色熒光粉，紅、綠、藍(lán)混合形成白光的設(shè)計(jì)。隨著紫光或紫外LED技術(shù)的成熟，用紫光尤其是紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉而發(fā)白光的設(shè)計(jì)將會(huì)更加引人注目。本文作者在2001年6月分別在韓國(guó)慶州的第五屆中韓雙邊新材料學(xué)術(shù)研討會(huì)和北京的第四屆國(guó)際稀土研究與應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)上首先報(bào)告了可能應(yīng)用于紫光及紫外光激發(fā)的白光LED的稀土三基色熒光粉的組成。
我國(guó)在1980年就研制出了用于飛點(diǎn)掃描儀的YAG熒光粉。最近4年又對(duì)該熒光粉進(jìn)行了改進(jìn)，并成功地應(yīng)用于藍(lán)光激發(fā)的白光LED中�，F(xiàn)在己形成了小批量的系列白光LED用YAG熒光粉產(chǎn)品，供應(yīng)全國(guó)多家白光LED器件生產(chǎn)廠家，并遠(yuǎn)銷美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等地，產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1999年和2000年進(jìn)行藍(lán)光激發(fā)的白光LED用熒光材料的研究過(guò)程中，我們注意到將來(lái)紫光及紫外光激發(fā)的白光LED會(huì)有很大的發(fā)展空間，這是因?yàn)樽瞎夂妥贤夤獾哪芰勘人{(lán)光的能量高，有望使白光LED的發(fā)光效率得到更大的提高，同時(shí)三基色熒光粉相對(duì)于單一的黃色熒光粉光譜更豐富，可望獲得更高顯色指數(shù)的、且色溫可以在更大范圍內(nèi)變化的白光LED產(chǎn)品。基于這些考慮，我們很快就開(kāi)始了紫光及紫外光激發(fā)的白光LED用熒光材料的研究，并于2001年6月報(bào)道了研究結(jié)果。最近通過(guò)初步的陽(yáng)離子摻雜和陰離子替位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些熒光粉在370nm－410nm范圍內(nèi)的吸收能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。
目前世界各國(guó)和大公司都在進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)。日本2010年的目標(biāo)是120 1m/W，美國(guó)2012年的目標(biāo)是150 1m/W。我國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)也在制訂國(guó)家和地方的半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，在2008年的北京奧運(yùn)會(huì)上真正廣泛的半導(dǎo)體照明有可能變成現(xiàn)實(shí)。在大公司中，日亞化學(xué)和美國(guó)通用電氣(GE)公司在半導(dǎo)體照明方面已經(jīng)申請(qǐng)了大量的專利。由世界光源界巨頭飛利浦公司與美國(guó)的半導(dǎo)體公司合資成立的Lumileds是專門從事半導(dǎo)體照明研究開(kāi)發(fā)的新公司，在半導(dǎo)體照明方面已顯示了極強(qiáng)的實(shí)力。韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)香港及中國(guó)大陸的許多光源、半導(dǎo)體、化工等領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司都在進(jìn)行半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。相信半導(dǎo)體照明的將來(lái)一定非常光明，也將成為稀土發(fā)光材料的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
3、結(jié)語(yǔ)
顯示和照明是稀土發(fā)光材料的兩個(gè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，稀土發(fā)光材料在這兩個(gè)領(lǐng)域也一直發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)，顯示和照明領(lǐng)域都出現(xiàn)了新的變化趨勢(shì)。顯示領(lǐng)域，多種平板顯示技術(shù)正在迅速發(fā)展；照明領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明技術(shù)異軍突起。所有這些變化都應(yīng)該引起稀土發(fā)光材料研究和開(kāi)發(fā)單位和工作者的高度重視。我們要積極關(guān)注顯示和照明器件的發(fā)展變化，及時(shí)開(kāi)發(fā)出與器件配套的新型高效稀土發(fā)光材料，促進(jìn)新型顯示和照明技術(shù)的發(fā)展，努力將我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)在新一輪世界經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)取有利地位作出貢獻(xiàn)。
自從1964年高效稀土紅色熒光粉問(wèn)世以來(lái)，稀土發(fā)光材料經(jīng)過(guò)近40年的快速發(fā)展，己成為信息顯示、照明光源、光電器件等領(lǐng)域的支撐材料之一，為社會(huì)發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮著日益重要的作用。
現(xiàn)在我國(guó)的電視機(jī)、顯示器和照明光源的年生產(chǎn)量均列世界第一，這些產(chǎn)業(yè)均成為拉動(dòng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康成長(zhǎng)的重要產(chǎn)業(yè)，也是國(guó)家外貿(mào)出口的重要產(chǎn)業(yè)。而這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都離不開(kāi)稀土發(fā)光材料在其中發(fā)揮的重要作用。2001年12月11日，我國(guó)正式加入世界貿(mào)易組織(WTO)，成為其第143個(gè)成員。加入世界貿(mào)易組織，對(duì)我國(guó)的信息和照明產(chǎn)業(yè)，以及稀土發(fā)光材料的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，既帶來(lái)機(jī)遇，也使我們面臨挑戰(zhàn)。
1、顯示用稀土發(fā)光材料的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
20世紀(jì)60年代，由于稀土分離技術(shù)的突破，高純單一稀土氧化物被制備出來(lái)，稀土元素在發(fā)光上的優(yōu)異特性逐漸得到了開(kāi)發(fā)利用。1964年，YVO4:Eu和Y2O3:Eu紅色熒光粉被研制出來(lái)，使彩電的質(zhì)量發(fā)生了質(zhì)的飛躍，彩色電視機(jī)從而進(jìn)入了千家萬(wàn)戶。1968年又發(fā)明了Y2O2S:Eu紅色熒光粉。直到今天，陰極射線管(CRT)彩電和顯示器上的紅色熒光粉主要還是Y2O2S:Eu或Y2O3:Eu。
我國(guó)比較集中的稀土發(fā)光材料的研究和開(kāi)發(fā)起始于70年代。北京有色金屬研究總院等單位從1970年就開(kāi)始了彩電熒光粉的研制。1973年國(guó)家開(kāi)始組織全國(guó)的彩電大會(huì)戰(zhàn)，參加單位包括中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春物理研究所，北京大學(xué)，北京有色金屬研究總院，華東電子管廠等國(guó)內(nèi)主要的研究院所、高校和工廠。
1980年我國(guó)從日本日立公司引進(jìn)彩電顯像管生產(chǎn)線，并配套從日本化成公司引進(jìn)彩電熒光粉生產(chǎn)線，在咸陽(yáng)成立了我國(guó)第一家彩電顯像管總廠和彩電熒光粉分廠。90年代初，北京化工廠和上海躍龍有色金屬有限公司也分別建成了彩電熒光粉廠。三大彩電熒光粉廠的產(chǎn)量正在逐年遞增，2001年產(chǎn)量約1000t，2002年產(chǎn)量約1200t。除了配套滿足咸陽(yáng)彩虹集團(tuán)、北京松下顯像管廠及上海水新顯像管廠外，還逐漸應(yīng)用到其他外資、合資企業(yè)中。
2002年我國(guó)共生產(chǎn)彩電5000多萬(wàn)臺(tái)，需用熒光粉約1500t。因此，國(guó)內(nèi)的熒光粉還是不能滿足國(guó)內(nèi)彩電的生產(chǎn)，需要從國(guó)外進(jìn)口彩電熒光粉。2002年我國(guó)還生產(chǎn)顯示器4000多萬(wàn)臺(tái)，這些顯示器所用的顯像管約一半是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的。顯示器所用熒光粉基本上依靠進(jìn)口。2002年我國(guó)生產(chǎn)CRT背投彩電70多萬(wàn)臺(tái)，這些背投彩電所用的投影管及其熒光粉主要依靠進(jìn)口。
高清晰度、數(shù)字化、平板化是彩色電視機(jī)和計(jì)算機(jī)顯示器的發(fā)展方向。顯示用稀土發(fā)光材料的發(fā)展必須隨著彩電和顯示器的發(fā)展而發(fā)展。最近幾年，高端彩電及顯示器可以說(shuō)正處于百花齊放的時(shí)期，各式各樣的顯示技術(shù)涌現(xiàn)出來(lái)，這些新型的顯示技術(shù)都得到了很大發(fā)展，很難判斷哪種顯示方式一定替代另一種顯示方式成為下一代彩電和顯示器的惟一或最主要的顯示方式。
普通CRT彩電和顯示器(包括所謂的“純平”和“高亮”)普遍被認(rèn)為無(wú)法滿足高清晰度、數(shù)字化、平板化的要求，最終將要退出主流市場(chǎng)。但由于技術(shù)的成熟、市場(chǎng)的認(rèn)同以及價(jià)格的優(yōu)勢(shì)，CRT還將在較長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)存在，并取得一定的發(fā)展，例如，在我國(guó)2002年CRT彩電的產(chǎn)銷量比2001年增加了30%多�？梢哉f(shuō)在未來(lái)幾年內(nèi)，稀土發(fā)光材料在顯示領(lǐng)域中的主要市場(chǎng)還是在CRT，有關(guān)廠家和研發(fā)單位不應(yīng)放棄CRT用發(fā)光材料的生產(chǎn)和開(kāi)發(fā)。有條件的單位還應(yīng)組織力量開(kāi)發(fā)CRT顯示器的彩色熒光粉。2002年全世界共生產(chǎn)彩電用CRT約1.5億支，顯示器用CRT約8000萬(wàn)支，共消耗熒光粉約5500t，其中稀土紅色熒光粉約1800t。目前顯示器生產(chǎn)的重心正在向液晶顯示器(LCD)轉(zhuǎn)移，預(yù)計(jì)2005年LCD產(chǎn)量與CRT產(chǎn)量基本持平(各約6000萬(wàn)臺(tái))，2005年顯示器用熒光粉比2002年將要減少。但隨著25英寸以上CRT電視機(jī)生產(chǎn)的增長(zhǎng)，2005年電視用熒光粉將比2002年要有所增長(zhǎng)�？傮w來(lái)說(shuō)，2005年CRT用熒光粉與2002年基本持平。
普通CRT的兩大弱點(diǎn)是：1、屏幕做不大；2、無(wú)法做薄。相對(duì)普通CRT而言，CRT背投具有屏幕大、機(jī)體薄的優(yōu)點(diǎn)，最近幾年得到了較大的發(fā)展。據(jù)預(yù)測(cè)，2003年我國(guó)CRT背投的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)120萬(wàn)臺(tái)－150萬(wàn)臺(tái)。因此，熒光粉的用量也將有較大增長(zhǎng)。背投彩電所用的投影管中，紅色熒光粉為Y2O3:Eu，綠色熒光粉為Y3(Al,Ga)5O12:Tb或Y2SiO5:Tb。這三種熒光粉均為稀土熒光粉。國(guó)內(nèi)多家單位正在組織力量開(kāi)發(fā)投影管用熒光粉。相信投影管用熒光粉一定會(huì)隨著我國(guó)投影管技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展。我國(guó)CRT背投彩電上用的投影管和熒光粉都將會(huì)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。
等離子平板顯示(PDP)具有屏幕大、視角寬、響應(yīng)快、機(jī)體薄、質(zhì)量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)，被普遍認(rèn)為在大屏幕平板數(shù)字電視中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。等離子電視是2002年我國(guó)彩電市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)，價(jià)格急劇下降，銷量迅速上升。2002年全球消耗PDP熒光粉45t，即生產(chǎn)等離子電視約90萬(wàn)臺(tái)。據(jù)預(yù)測(cè)，2005年全球等離子電視的產(chǎn)量將達(dá)400萬(wàn)臺(tái)，熒光粉用量達(dá)200t。目前商用的PDP紅粉和藍(lán)粉均采用稀土熒光粉，其中紅色熒光粉為(Y,Gd)BO3:Eu或Y2O3:Eu，藍(lán)色熒光粉為BaMgAl10O17:Eu2+。但商用的PDP熒光粉還存在許多缺點(diǎn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)。日本在PDP熒光粉的研究開(kāi)發(fā)和應(yīng)用中處于世界領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)也有多家單位在從事PDP用熒光材料的研究開(kāi)發(fā)。在原國(guó)家計(jì)委新材料專項(xiàng)的支持下，北京有色金屬研究總院稀土材料國(guó)家工程研究中心等單位于1999年開(kāi)始進(jìn)行PDP熒光粉產(chǎn)業(yè)化前期的研究開(kāi)發(fā)，經(jīng)過(guò)小批量工程化研究和大量涂屏試驗(yàn)，現(xiàn)在有關(guān)熒光粉的性能已與日本商用粉的水平非常接近。
液晶顯示器(LCD)具有分辨率高、機(jī)體薄、質(zhì)量輕、功率小等突出優(yōu)點(diǎn)，已成為平板顯示領(lǐng)域的佼佼者，近年來(lái)，發(fā)展速度非�？臁８鶕�(jù)DisPlay Search公司調(diào)查，2002年世界LCD計(jì)算機(jī)顯示器銷售量為3000萬(wàn)臺(tái)，預(yù)計(jì)2005年將達(dá)到6000萬(wàn)臺(tái)。2002年世界LCD電視機(jī)市場(chǎng)規(guī)模約131萬(wàn)臺(tái)，2003年將大幅增長(zhǎng)到369萬(wàn)臺(tái)，因此在大屏幕高清晰度彩電方面，LCD有可能成為PDP的強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。LCD本身不用熒光粉，但由于不能主動(dòng)發(fā)光，LCD需要用到背光源。其背光源需要用到大量的稀土熒光粉。
場(chǎng)發(fā)射顯示(FED)是與CRT最為接近的一種平板顯示方式，同屬陰極射線發(fā)光，因此，有專家認(rèn)為FED是一種非常有潛力的顯示技術(shù)。與CRT相比，F(xiàn)ED是在低電壓大電流下工作，傳統(tǒng)的CRT熒光粉用在FED上會(huì)出現(xiàn)許多問(wèn)題。目前在FED器件上，除了紅粉繼續(xù)使用Y2O3:Eu或Y2O2S:Eu等稀土熒光粉外，綠粉和藍(lán)粉也傾向于使用稀土熒光粉。
有機(jī)電致發(fā)光顯示屏(OLED)是一種新興的平板顯示技術(shù)。與LCD相比，具有視角大、響應(yīng)快、亮度高、厚度薄、抗震性好、工作溫度范圍寬、成本低、安全性好、可做成柔性軟屏等許多優(yōu)點(diǎn)。2000年全球OLED市場(chǎng)在2000萬(wàn)美元左右，2001年已達(dá)到8000萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)OLED的年均增長(zhǎng)率超過(guò)200%。我國(guó)有多所大學(xué)、研究單位及公司正在涉足OLED的研究和開(kāi)發(fā)。我國(guó)從事OLED研發(fā)的人員大多數(shù)原來(lái)是從事材料或化學(xué)方面研究的，在器件方面我國(guó)尤為薄弱。稀土已在OLED方面顯示出一些優(yōu)異的性能，因此，OLED有可能成為稀土的一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
由以上分析可知，稀土發(fā)光材料在顯示器方面的主要應(yīng)用領(lǐng)域在未來(lái)5年—10年內(nèi)將主要集中在普通CRT彩電和顯示器、背投彩電、PDP、FED及OLED等方面。我國(guó)在顯示用稀土發(fā)光材料方面發(fā)展方向?yàn)椋?1)要提高普通CRT彩電熒光粉的質(zhì)量，擴(kuò)大產(chǎn)量，爭(zhēng)取完全滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并有較大出口；(2)要努力開(kāi)發(fā)CRT顯示器用的熒光粉，此類熒光粉近幾年仍將保持1500t左右的規(guī)模，我國(guó)在此類熒光粉的市場(chǎng)份額極小；(3)要迅速開(kāi)發(fā)投影管用熒光粉，此類熒光粉近幾年會(huì)有很大的增長(zhǎng)；(4)要積極研發(fā)PDP、FED和OLED等新型彩電和顯示器用的發(fā)光材料，爭(zhēng)取在這些發(fā)光材料的市場(chǎng)中占有較大份額。
2、照明用稀土發(fā)光材科的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)
1973年荷蘭科學(xué)家首先發(fā)明了燈用稀土三基色熒光粉。用稀土三基色熒光粉制造的熒光燈不僅在發(fā)光效率上較以前的普通照明光源有極大的提高，而且克服了以前的電光源在發(fā)光效率和顯色性上不能統(tǒng)一的缺點(diǎn)。普通白熾燈和鹵鎢燈的顯色指數(shù)最高(100)，但其發(fā)光效率太低，就目前水平而言，普通白熾燈的發(fā)光效率可達(dá)20 lm/W，鹵鎢燈可達(dá)25 lm/W，與目前大功率緊湊型稀土三基色熒光燈的100 1m/W相差甚遠(yuǎn)；普通鹵粉熒光燈的光效已達(dá)75 1m/W－80 1m/W，較普通白熾燈有較大提高，但其顯色指數(shù)不到60，顯色性太差，稀土熒光燈的顯色指數(shù)已經(jīng)可以達(dá)到95以上，常用的稀土熒光燈的顯色指數(shù)都達(dá)到80以上。
經(jīng)過(guò)30年的發(fā)展，稀土發(fā)光材料在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，已經(jīng)從普通的室內(nèi)照明發(fā)展到道路照明、廣場(chǎng)照明、景觀照明及各種特殊照明等照明領(lǐng)域的眾多方面。我國(guó)從70年代中期就開(kāi)始了照明用稀土發(fā)光材料的研究和開(kāi)發(fā)。北京有色金屬研究總院等單位從1976年就開(kāi)始研究燈用稀土三基色熒光粉，80年代就開(kāi)始應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中�，F(xiàn)在我國(guó)已有不同規(guī)模的燈用稀土熒光粉廠約20家，但除少數(shù)廠家外，大多數(shù)都存在規(guī)模太小、質(zhì)量不高等缺點(diǎn)，難以參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。2002年全球生產(chǎn)普通照明熒光燈用稀土熒光粉約2000t，其中我國(guó)生產(chǎn)約800t，占40%。利用我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)和勞動(dòng)力優(yōu)勢(shì)，努力提高產(chǎn)品質(zhì)量，我國(guó)應(yīng)該占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。隨著節(jié)能燈質(zhì)量和壽命的不斷提高，以及人們節(jié)能和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，稀土熒光燈還將會(huì)有較大幅度的增長(zhǎng)。
近十多年來(lái)，在道路和廣場(chǎng)照明上應(yīng)用廣泛的高壓汞燈、金屬鹵化物燈等都需要用到稀土，以提高顯色性和發(fā)光效率。另外，重氮復(fù)印、絲網(wǎng)印刷、保健、誘蚊、促進(jìn)動(dòng)植物生長(zhǎng)人工光源等各種特殊用途的光源中都需要用到較多的稀土發(fā)光材料。如前所述的LCD顯示器和彩電中用到的冷陰極熒光燈背景光源中也需要用到稀土三基色熒光粉。這些特種光源所用的稀土發(fā)光材料全球每年都有數(shù)百噸的應(yīng)用規(guī)模。有些光源的用量還有顯著增加的趨勢(shì)，如金屬鹵化物燈和LCD背光源。北京有色金屬研究總院從事金屬鹵化物燈用復(fù)合稀土鹵化物的研究開(kāi)發(fā)已有近30年的歷史，現(xiàn)己能制備多種用途、多種規(guī)格的鹵化物塊材和丸粒，產(chǎn)品的性能達(dá)到或接近國(guó)外水平，批量供應(yīng)給國(guó)內(nèi)80%以上的金屬鹵化物燈制造企業(yè)。
近年來(lái)，在照明領(lǐng)域最引人關(guān)注的事件是半導(dǎo)體照明的興起。90年代中期日本日亞化學(xué)公司的Nakamura等人經(jīng)過(guò)不懈努力，突破了制造藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)的關(guān)鍵技術(shù)，并由此開(kāi)發(fā)出以熒光材料覆蓋藍(lán)光LED產(chǎn)生白光光源的設(shè)計(jì)。半導(dǎo)體照明之所以引人注目，關(guān)鍵在于其10大優(yōu)點(diǎn)：(1)完全無(wú)汞，真正的綠色照明；(2)壽命超長(zhǎng)，可達(dá)10萬(wàn)小時(shí)；(3)高效節(jié)能，其發(fā)展趨勢(shì)是突破100 lm/W；(4)全固態(tài)照明，抗惡劣環(huán)境；(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；(6)體積�。�(7)質(zhì)量輕；(8)響應(yīng)快；(9)工作電壓低；(10)抗震性及安全性好。
日亞化學(xué)最早的白光LED的專利都是藍(lán)光LED激發(fā)黃色YAG熒光粉發(fā)出白光的。后來(lái)，人們又開(kāi)發(fā)出以藍(lán)光LED激發(fā)綠色和紅色熒光粉，紅、綠、藍(lán)混合形成白光的設(shè)計(jì)。隨著紫光或紫外LED技術(shù)的成熟，用紫光尤其是紫外光LED激發(fā)三基色熒光粉而發(fā)白光的設(shè)計(jì)將會(huì)更加引人注目。本文作者在2001年6月分別在韓國(guó)慶州的第五屆中韓雙邊新材料學(xué)術(shù)研討會(huì)和北京的第四屆國(guó)際稀土研究與應(yīng)用學(xué)術(shù)研討會(huì)上首先報(bào)告了可能應(yīng)用于紫光及紫外光激發(fā)的白光LED的稀土三基色熒光粉的組成。
我國(guó)在1980年就研制出了用于飛點(diǎn)掃描儀的YAG熒光粉。最近4年又對(duì)該熒光粉進(jìn)行了改進(jìn)，并成功地應(yīng)用于藍(lán)光激發(fā)的白光LED中�，F(xiàn)在己形成了小批量的系列白光LED用YAG熒光粉產(chǎn)品，供應(yīng)全國(guó)多家白光LED器件生產(chǎn)廠家，并遠(yuǎn)銷美國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣等地，產(chǎn)生了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。1999年和2000年進(jìn)行藍(lán)光激發(fā)的白光LED用熒光材料的研究過(guò)程中，我們注意到將來(lái)紫光及紫外光激發(fā)的白光LED會(huì)有很大的發(fā)展空間，這是因?yàn)樽瞎夂妥贤夤獾哪芰勘人{(lán)光的能量高，有望使白光LED的發(fā)光效率得到更大的提高，同時(shí)三基色熒光粉相對(duì)于單一的黃色熒光粉光譜更豐富，可望獲得更高顯色指數(shù)的、且色溫可以在更大范圍內(nèi)變化的白光LED產(chǎn)品。基于這些考慮，我們很快就開(kāi)始了紫光及紫外光激發(fā)的白光LED用熒光材料的研究，并于2001年6月報(bào)道了研究結(jié)果。最近通過(guò)初步的陽(yáng)離子摻雜和陰離子替位試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這些熒光粉在370nm－410nm范圍內(nèi)的吸收能夠得到進(jìn)一步的增強(qiáng)。
目前世界各國(guó)和大公司都在進(jìn)行長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，開(kāi)發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)。日本2010年的目標(biāo)是120 1m/W，美國(guó)2012年的目標(biāo)是150 1m/W。我國(guó)有關(guān)機(jī)構(gòu)也在制訂國(guó)家和地方的半導(dǎo)體照明技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，在2008年的北京奧運(yùn)會(huì)上真正廣泛的半導(dǎo)體照明有可能變成現(xiàn)實(shí)。在大公司中，日亞化學(xué)和美國(guó)通用電氣(GE)公司在半導(dǎo)體照明方面已經(jīng)申請(qǐng)了大量的專利。由世界光源界巨頭飛利浦公司與美國(guó)的半導(dǎo)體公司合資成立的Lumileds是專門從事半導(dǎo)體照明研究開(kāi)發(fā)的新公司，在半導(dǎo)體照明方面已顯示了極強(qiáng)的實(shí)力。韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)香港及中國(guó)大陸的許多光源、半導(dǎo)體、化工等領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司都在進(jìn)行半導(dǎo)體照明技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。相信半導(dǎo)體照明的將來(lái)一定非常光明，也將成為稀土發(fā)光材料的一個(gè)非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域。
3、結(jié)語(yǔ)
顯示和照明是稀土發(fā)光材料的兩個(gè)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，稀土發(fā)光材料在這兩個(gè)領(lǐng)域也一直發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)，顯示和照明領(lǐng)域都出現(xiàn)了新的變化趨勢(shì)。顯示領(lǐng)域，多種平板顯示技術(shù)正在迅速發(fā)展；照明領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明技術(shù)異軍突起。所有這些變化都應(yīng)該引起稀土發(fā)光材料研究和開(kāi)發(fā)單位和工作者的高度重視。我們要積極關(guān)注顯示和照明器件的發(fā)展變化，及時(shí)開(kāi)發(fā)出與器件配套的新型高效稀土發(fā)光材料，促進(jìn)新型顯示和照明技術(shù)的發(fā)展，努力將我國(guó)的稀土資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，為我國(guó)在新一輪世界經(jīng)濟(jì)的競(jìng)爭(zhēng)中爭(zhēng)取有利地位作出貢獻(xiàn)。
