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新陶瓷螢光材料於白光發光二極體製作之應用

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台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

陶業學會年會<br />

陶業學會年會<br />

New Ceramic Phosphors for LEDs<br />

Ru-Shi Ru Shi Liu (劉如熹 ( 劉如熹 劉如熹) 劉如熹<br />

劉如熹<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University, Taipei 106, Taiwan<br />

Shu-Fen Shu Fen Hu (胡淑芬 胡淑芬 胡淑芬) 胡淑芬<br />

胡淑芬<br />

Institute of Electro-optical Science and Technology,<br />

National Taiwan Normal University, Taipei 116, Taiwan<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 1


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University Europe, 160KK,<br />

5%<br />

Global Blue LED Chip<br />

100%<br />

90%<br />

80%<br />

70%<br />

60%<br />

50%<br />

40%<br />

30%<br />

20%<br />

10%<br />

0%<br />

USA, 450KK, 13%<br />

China, 360KK,<br />

10%<br />

Korea, 360KK,<br />

10%<br />

2002.12 2003.6 2003.12 2004.6 2004.12 2005.6 2005.12 2006.6 2006.12<br />

Japan, 1005KK,<br />

29%<br />

Taiwan, 1150KK,<br />

33%<br />

Source::::PIDA, 12/2006<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 2<br />

Europe<br />

USA<br />

China<br />

Korea<br />

Japan<br />

Taiwan


Blue<br />

Chip<br />

台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

TAIWAN GaN LED Makers<br />

Industry<br />

Blue<br />

Epiwafer<br />

White<br />

Package<br />

Company<br />

Source::::PIDA, 12/2006<br />

Epistar (consolidated UEC、 Epitech 、 Highlink )、 ForEpi、<br />

Arima (consolidated AET) 、Huga、Unilight、Tekcore、Nan Ya、<br />

Land Mark、SEC、Vtera、Genesis、Super Nova、AOT Epi、<br />

Luxxon<br />

Opto Tech、Tyntek、Highlink、Arima、Huga、ForEpi、Epistar、<br />

Nan Ya、Union Optronics、SEC、Super Nova、Union<br />

Technology、Unilight、Metrodyne 、Touchtek、Vtera、Genesis、<br />

Suntek、IET、AOT Epi、Luxxon<br />

Lite-On、Everlight、Kingbright、Taiwan Oasis、Rodan、Ligitek、<br />

Nan Ya、Para、Grand Halo、Rong-Young、Bright View、O.H.、<br />

Ledyoung、Haw Shuenn、Harvatek、Super Bright、Solidlite、<br />

APS、Bright LED、Unity Opto、Excellence、Ledtech、China<br />

Semiconductor、AOT、UPEC、UBL、Sander、UBLeds<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 3


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Outline<br />

Introduction<br />

White light emitting diode (LED)<br />

The developments of oxynitride and phosphate<br />

phosphors<br />

The goals of the research<br />

Experimental,Results and Discussion<br />

MSi 2N 2O 2 (M: alkaline earth) and KSrPO 4<br />

Future prospect<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 4


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Blue LED + Yellow Phosphor<br />

(460-480 nm)<br />

Garnet-based LEDs : prospects & limitations<br />

Y 3Al 5O 12:Ce 3+<br />

(light)<br />

(YAG:Ce)<br />

GaN<br />

The disadvantages of YAG:<br />

1. Only excitable by blue LED<br />

2. Cool white<br />

3. Lower color rendering index<br />

4. Less thermal stable<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 5


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Oxynitride phosphors<br />

MSi 2N 2O 2 (M: alkaline earth)<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 6


台灣大學化學系<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

(Oxy)Nitride phosphors-converted WLED<br />

MSi 2 N 2 O 2 :Eu<br />

white<br />

M 2Si 5N 8:Eu<br />

The advantages of (Oxy)nitride<br />

( Oxy)nitride :<br />

• Excitable by UV and<br />

blue LEDs<br />

• Warm white<br />

• Higher color rendering<br />

index<br />

• Thermal stable<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 7


台灣大學化學系<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Stability : UV or Blue/(Oxy)nitride > Blue/YAG<br />

E<br />

5d<br />

free ion<br />

Eu 2+<br />

4f<br />

Δ NE<br />

Δ NE (O) < Δ NE (N)<br />

(higher covalency)<br />

Nephelauxetic<br />

Effect<br />

Strong crystal field<br />

formal charge:O 2-


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Developments of MSi 2 N 2 O 2<br />

Osram, Sep 24, 2002<br />

MSi 2 N 2 O 2 :Eu 2+<br />

(M = Ca, Sr, Ba)<br />

Chem. Mater. 17, 3242 (2005)<br />

J. Mater. Chem. 21, 396 (2006).<br />

EuSi 2 N 2 O 2 (Yellow)<br />

Submission: 1/25/2005<br />

Submission: 5/18/2005<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 9


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Developments of MSi 2 N 2 O 2<br />

J. Mater. Chem. 15, 4492 (2005).<br />

Submission: 6/1/2005<br />

MSi 2 N 2 O 2 :Ce 3+<br />

J. Luminescence. 121, 441 (2006).<br />

SrSi 2 N 2 O 2 :Yb 3+<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 10


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台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

The Goals of the Research on MSi 2N2O2 Chem. Mater. 17, 3242 (2005)<br />

MSi 2N2O2:Ce :Ce<br />

J. Mater. Chem. 15, 4492 (2005).<br />

MSi 2N2O2:Eu :Eu<br />

Yb<br />

MSi 2N2O2 Eu<br />

Dy<br />

Eu<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 11<br />

Ce<br />

Eu<br />

Mn<br />

High QE


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Experimental for MSi 2N 2O 2<br />

SrCO 3<br />

SrCO<br />

Si Si3N4 Ln Ln-O<br />

(Ln = Eu, Eu,<br />

Ce, Ce,<br />

Dy, Dy,<br />

Yb..) Yb..)<br />

SrSi 2N<br />

2N2O 2O2:Ln :Ln<br />

2 :Ln<br />

phosphor<br />

grinding<br />

Sintering at 1400 ~ 1600°C<br />

in 5~25%H 2 /N 2<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 12


Abosrbance<br />

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SrSi 2N2O2:Eu :Eu & SrSi 2N2O2:Ce :Ce<br />

Diffuse Reflectance Spectra<br />

Ce<br />

Eu<br />

300 400 500 600 700<br />

Wavelength (nm)<br />

Results and Discussion<br />

Sr 0.96 Si 2 N 2 O 2 :Eu 0.04<br />

Sr 0.96 Si 2 N 2 O 2 :Ce 0.04<br />

4.0x10 4<br />

4f 6 5d 1<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 13<br />

Energy [cm -1 ]<br />

3.5x10 4<br />

3.0x10 4<br />

2.5x10 4<br />

2.0x10 4<br />

1.5x10 4<br />

1.0x10 4<br />

0.5x10 4<br />

0.0<br />

[Xe]<br />

5d 1<br />

Ce 3+<br />

4f 1<br />

H H: Host (MSi (MSi2N 2N2O 2O2) 2)<br />

A: Activator (Eu2+ A: A Activator (Eu ) 2+ A<br />

)<br />

S Sensitizer (Ce 3+ )<br />

Engrgy<br />

transfer<br />

2 F7/2<br />

2 F5/2<br />

H<br />

H<br />

H<br />

H<br />

Engrgy transfer<br />

S<br />

H<br />

A<br />

H<br />

Eu 2+<br />

4f 7<br />

A<br />

A<br />

H<br />

A<br />

8 S7/2<br />

H<br />

H<br />

H<br />

H


Relative intensity<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Sr 1-x-ySi<br />

Sr<br />

Emission Emission<br />

Si2N2O2:Eu :EuxCe 350 400 450 500 550 600 650 700 750<br />

Wavelength (nm)<br />

Sr 1-x-y Si 2 N 2 O 2 :Eu x Ce y<br />

x = 0.04, y = 0<br />

x = 0, y = 0.04<br />

Ce y<br />

Relative intensity<br />

44%<br />

400 450 500 550 600 650 700<br />

Wavelength (nm)<br />

Sr 1-x-y Si 2 N 2 O 2 :Eu x Ce y<br />

x = 0.04, y = 0<br />

x = 0.04, y = 0.01<br />

x = 0.04, y = 0.04<br />

x = 0.04, y = 0.08<br />

x = 0, y = 0.04<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 14


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Department of Chemistry<br />

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Sr 0.96-ySi 0.96<br />

Emission Emission<br />

Si 2 N 2 O 2:Eu<br />

Relative intensity<br />

400000<br />

300000<br />

200000<br />

100000<br />

0<br />

:Eu0.04Dy 0.04Dyy<br />

y = 0<br />

y = 0.04<br />

y = 0.08<br />

y = 0.16<br />

y = 0.20<br />

48%<br />

450 500 550 600 650 700<br />

Wavelength (nm)<br />

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 15<br />

Relative intensuty<br />

440000<br />

420000<br />

400000<br />

380000<br />

360000<br />

340000<br />

320000<br />

300000<br />

280000<br />

Dy Concentration<br />

Eu Dy


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Sr 0.96-xSi 0.96<br />

Si2N2O2:Eu :Eux (Mn<br />

Intensity<br />

5.5x10 5<br />

5.0x10 5<br />

4.5x10 5<br />

4.0x10 5<br />

3.5x10 5<br />

3.0x10 5<br />

2.5x10 5<br />

2.0x10 5<br />

1.5x10 5<br />

1.0x10 5<br />

5.0x10 4<br />

Mn0.04 0.04 )<br />

68%<br />

0.035 0.040 0.045 0.050<br />

Eu Concentration<br />

Mn<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 16<br />

Eu<br />

Doped without Mn<br />

Doped with Mn


台灣大學化學系<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Relative Intensity<br />

Eu Ce<br />

Eu Dy<br />

Eu<br />

Mn<br />

SrSi 2N2O2:Eu :Eu<br />

SrSi 2N2O2:Eu, :Eu,Ce Ce<br />

SrSi 2N2O2:Eu, :Eu,Dy Dy<br />

SrSi 2N2O2:Eu, :Eu,Mn Mn<br />

100%<br />

144%<br />

148%<br />

168%<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 17


Relative intensity<br />

台灣大學化學系<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

SrSi 2N2O2 :Yb Yb<br />

5d(t 2 )4f 13 ( 2 F 5/2 )<br />

5d(e)4f 13 ( 2 F 5/2 )<br />

5d(t 2 )4f 13 ( 2 F 5/2 )<br />

5d(e)4f 13 ( 2 F 7/2 )<br />

5d(t 2 )4f 13 ( 2 F 7/2 )<br />

Sr 0.96 Si 2 N 2 O 2 :Yb 0.04<br />

250 300 350 400 450 500<br />

Wavelength (nm)<br />

5d(t 2 )4f 13 ( 2 F 7/2 )<br />

Yb 2+ : 4f 14 →4f 13 5d 1<br />

Energy [cm -1 ]<br />

40x10 4<br />

35x10 4<br />

30x10 4<br />

25x10 4<br />

20x10 4<br />

15x10 4<br />

10x10 4<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 18<br />

0.0<br />

Yb 3+<br />

5d<br />

2 F7/2<br />

5x10 4 10,000cm -1<br />

[Xe] 4f13<br />

Relative intensity<br />

2 F5/2<br />

Sr 0.96 Si 2 N 2 O 2 :Yb 0.04<br />

450 500 550 600 650 700 750<br />

Wavelength (nm)<br />

5d→4f


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

SrSi 2 N 2 O 2 :Eu,Mn<br />

Summary on (Oxy)nitrides<br />

( Oxy)nitrides<br />

SrSi 2 N 2 O 2 :Yb<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 19


y<br />

0.9<br />

0.8<br />

0.7<br />

0.6<br />

0.5<br />

0.4<br />

0.3<br />

0.2<br />

0.1<br />

0.0<br />

台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

510nm<br />

500nm<br />

490 nm<br />

520nm<br />

475 nm<br />

470 nm<br />

460 nm<br />

450 nm<br />

(a)<br />

Item<br />

CIE 1931 Chromaticity Diagram<br />

Green:<br />

SrGa<br />

540 nm<br />

2S4 :Eu<br />

Red:<br />

550 nm<br />

(CaSr)S:Eu<br />

530 nm<br />

60 mA<br />

5 mA<br />

60 mA<br />

(b)<br />

5 mA<br />

560 nm<br />

(d)<br />

570 nm<br />

60 mA<br />

5 mA<br />

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8<br />

x<br />

(c)<br />

580 nm<br />

590 nm<br />

Green:<br />

SrSi 2 O 2 N 2 :Eu<br />

Red:<br />

CaSiN 2 :Ce<br />

600 nm<br />

Chromaticity coordinate<br />

x-diff.<br />

0.0625<br />

0.0022<br />

y-diff.<br />

0.0299<br />

0.0011<br />

Tc (K) diff.<br />

Highly stable threeband<br />

white light from an<br />

InGaN-based blue LED<br />

chip precoated with<br />

(oxy)nitride green/red<br />

Phosphors<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 20<br />

4144<br />

91<br />

Ra diff.<br />

Yang et al., Appl. Phys. Lett. 90, 123503 (2007)<br />

4.6<br />

1.9


台灣大學化學系<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Phosphate Phosphors<br />

KSrPO 4<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 21


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Nephelauxetic effect<br />

Charge density on the surrounding anions (type of network former)<br />

oxides > aluminates > silicates > borates > phosphates<br />

O 2- AlO 6 9- SiO 4 4- BO 3 3- PO 4 3-<br />

E<br />

5d<br />

free ion<br />

Eu 2+<br />

4f<br />

Δ NE<br />

Δ NE (PO 4 3- ) < ΔNE (AlO 6 9- )<br />

(higher covalency)<br />

Nephelauxetic<br />

Effect<br />

PO 3- unstable?<br />

4<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 22


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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

KSrPO 4: Eu 2+<br />

Orthorhombic<br />

Pnma (space group)<br />

a = 7.35 Å<br />

b = 5.56 Å<br />

c = 9.642 Å<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 23


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台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

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Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

Experimental for K(Sr 1-x Eu x )PO 4<br />

KH KH2PO SrCO SrCO3 Eu Eu2O3 PO 4<br />

K(Sr 1-xEu Eu<br />

1-xEux)PO )PO<br />

x )PO4 4<br />

phosphors<br />

grinding<br />

Sintering at:<br />

1. 500 ~ 600°C; 3 h; in air<br />

2. 1200 ~ 1400°C; 3h;<br />

in 5~25%H 2 /N 2<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 24


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

K(Sr 1-xEu x)PO 4<br />

Normalized intensity (arb. unit)<br />

x = 0.010<br />

x = 0.007<br />

x = 0.005<br />

x = 0.003<br />

x = 0.001<br />

33-1045 KSrPO 4<br />

20 30 40 50 60<br />

2θ (degree)<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 25<br />

x = 0<br />

XRD


台灣大學化學系<br />

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台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

K(Sr 1-xEu x)PO 4<br />

Intensity (cps)<br />

4x10 8<br />

5x10 8 4f - 5d transition of Eu<br />

x = 0.001<br />

x = 0.003<br />

x = 0.005<br />

x = 0.007<br />

x = 0.010<br />

2+ ions<br />

3x10 8<br />

2x10 8<br />

1x10 8<br />

λ em = 424 nm<br />

0<br />

300 320 340 360 380 400<br />

Wavelength (nm)<br />

PL<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 26


台灣大學化學系<br />

台灣大學化學系.材料化學實驗室<br />

台灣大學化學系 材料化學實驗室<br />

Materials Chemistry Laboratory<br />

Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

K(Sr 1-xEu x)PO 4<br />

Intensity (cps)<br />

1.0x10 6<br />

8.0x10 5<br />

6.0x10 5<br />

4.0x10 5<br />

2.0x10 5<br />

0.0<br />

5d - 4f emission of Eu 2+ ions<br />

x = 0.001<br />

x = 0.003<br />

x = 0.005<br />

x = 0.007<br />

x = 0.010<br />

λ ex = 360 nm<br />

0.6<br />

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010<br />

Eu 2+ Content (x)<br />

400 425 450 475 500 525 550<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 27<br />

Relative intensity<br />

0.9<br />

0.6<br />

0.3<br />

(0.161, 0.0238)<br />

y<br />

0.0<br />

Wavelength (nm)<br />

1.0<br />

0.9<br />

0.8<br />

0.7<br />

White<br />

(0.31, 0.32)<br />

KSr 0.995 PO 4 :Eu 0.005<br />

0.0 0.3 0.6<br />

x<br />

PL


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Department of Chemistry<br />

National Taiwan University<br />

K(Sr 1-xEu x)PO 4<br />

Intensity of 424nm emission (a.u)<br />

3000<br />

2500<br />

2000<br />

1500<br />

1000<br />

500<br />

0<br />

x = 0.005<br />

494 ns<br />

Relative decay time<br />

1.00<br />

0.96<br />

0.92<br />

0.88<br />

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.010<br />

Eu 2+ Content (x)<br />

0 1000 2000 3000 4000 5000<br />

Time (ns)<br />

I = I exp −<br />

( t / τ )<br />

Decay time<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 28<br />

0


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K(Sr 0.95Eu 0.05)PO 4<br />

Relative PL intensity<br />

100%<br />

80%<br />

60%<br />

40%<br />

20%<br />

0%<br />

KSr 0.95 PO 4 :Eu 0.005<br />

YAG:Ce<br />

0.5% Eu<br />

Intensity (cps)<br />

400 420 440 460 480 500<br />

Wavelength (nm)<br />

50 100 150 200 250 300<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 29<br />

1.0x10 7<br />

8.0x10 6<br />

6.0x10 6<br />

4.0x10 6<br />

2.0x10 6<br />

0.0<br />

Temperature ( o C)<br />

Thermal stability<br />

30 o C<br />

50 o C<br />

100 o C<br />

150 o C<br />

200 o C<br />

250 o C<br />

300 o C


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Summary on KSrPO4: Eu2+ 50 100 150 200 250 300<br />

5/22/2007 New Ceramic Phosphors for LEDs 30<br />

Relative PL intensity<br />

100%<br />

80%<br />

60%<br />

40%<br />

20%<br />

0%<br />

KSr 0.95 PO 4 :Eu 0.005<br />

YAG:Ce<br />

0.5% Eu<br />

Intensity (cps)<br />

1.0x10 7<br />

8.0x10 6<br />

6.0x10 6<br />

4.0x10 6<br />

2.0x10 6<br />

30 o C<br />

50 o C<br />

100 o C<br />

150 o C<br />

200 o C<br />

250 o C<br />

300 o C<br />

0.0<br />

400 420 440 460 480 500<br />

Wavelength (nm)<br />

Temperature ( o C)<br />

Tang et al., Appl. Phys. Lett. 90, 151108 (2007).


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