नई फास्फोर उच्च थर्मल स्थिरता के साथ एलईडी दक्षता को बढ़ाता है

फॉस्फोर-परिवर्तित एलईडी (पीसीएलईडी) डाउन-कनवर्टेड फॉस्फोर के साथ GaN-आधारित नीले या निकट-पराबैंगनी (एनयूवी) चिप्स के संयोजन से दृश्य प्रकाश को संश्लेषित करते हैं। ये फॉस्फोरस चिप के उत्तेजना प्रकाश के एक हिस्से को अवशोषित करते हैं और इसे लंबी तरंग दैर्ध्य में परिवर्तित करते हैं, जो फिर शेष नीली रोशनी के साथ मिलकर सफेद रोशनी पैदा करते हैं। 1990 के दशक में उच्च चमक वाले GaN LED के आगमन के बाद से, PCLED लिक्विड क्रिस्टल डिस्प्ले बैकलाइटिंग (BLU), सामान्य रोशनी और विशेष प्रकाश अनुप्रयोगों में सर्वव्यापी हो गए हैं। चूंकि फॉस्फोर प्रदर्शन सीधे रंग की गुणवत्ता और ऊर्जा दक्षता को निर्धारित करता है, इसलिए सामग्री विकास एलईडी बाजार में प्रवेश के लिए महत्वपूर्ण चालक के रूप में उभरा है।

प्रारंभिक पीसीएलईडी विकास फॉस्फोरस पर निर्भर था जो मूल रूप से सीआरटी डिस्प्ले और फ्लोरोसेंट लैंप के लिए डिज़ाइन किया गया था। सेरियम-डोप्ड येट्रियम एल्यूमीनियम गार्नेट (YAG:Ce) अपनी उच्च रूपांतरण दक्षता और बेहतर सफेद प्रकाश संश्लेषण के कारण उद्योग की आधारशिला बन गया। बाद में, यूरोपियम-डोप्ड क्षारीय पृथ्वी ऑर्थोसिलिकेट्स (बीओएसई) को कम-शक्ति अनुप्रयोगों के लिए पूरक पीले फॉस्फोर के रूप में पेश किया गया था।

हालाँकि, पीसीएलईडी को एक मूलभूत सीमा का सामना करना पड़ता है: फॉस्फोरस एलईडी चिप्स के साथ सीधा भौतिक संपर्क बनाए रखता है, 100 डिग्री सेल्सियस और 150 डिग्री सेल्सियस के बीच परिचालन तापमान को सहन करता है। पारंपरिक फॉस्फोरस इन परिस्थितियों में महत्वपूर्ण चमकदार दक्षता गिरावट (थर्मल शमन) प्रदर्शित करते हैं, जिससे उच्च-शक्ति एलईडी प्रदर्शन गंभीर रूप से बाधित होता है। नतीजतन, 150 डिग्री सेल्सियस पर 90% से अधिक लुमेन रखरखाव बनाए रखने वाले फॉस्फोरस का विकास उद्योग की सर्वोपरि अनुसंधान प्राथमिकता बन गया है।

2000 के दशक की शुरुआत में शोधकर्ताओं ने उच्च गलनांक वाली दुर्दम्य सामग्रियों, विशेष रूप से नाइट्राइड और ऑक्सीनिट्राइड की ओर रुख किया। नाइट्राइड फॉस्फोरस (उदाहरण के लिए, CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-sialon:Ce) में [SiN4] या [AlN4] टेट्राहेड्रल नेटवर्क पर आधारित क्रिस्टल संरचनाएं होती हैं। पारंपरिक ऑक्साइड या हैलाइड के विपरीत, ये सामग्रियां Eu2+ या Ce3+ सक्रियकर्ताओं को नाइट्रोजन परमाणुओं के साथ सीधे समन्वय में रखती हैं। मजबूत सहसंयोजक बंधन और नाइट्रोजन परमाणुओं की उच्च ध्रुवीकरण क्षमता एक स्पष्ट "वर्णक्रमीय रेडशिफ्ट प्रभाव" (नेफेलॉक्सेटिक प्रभाव) उत्पन्न करती है, जो असाधारण थर्मल स्थिरता के साथ-साथ कुशल नीली रोशनी अवशोषण और हरे-से-लाल उत्सर्जन को सक्षम करती है।

थर्मल शमन मुख्य रूप से उत्तेजित और जमीनी अवस्थाओं के बीच गैर-विकिरणकारी संक्रमणों से उत्पन्न होता है। क्रिस्टलोग्राफिक विश्लेषण से सामग्री की कठोरता और थर्मल स्थिरता के बीच एक सकारात्मक संबंध का पता चलता है। जबकि सिलिकेट्स मामूली कठोरता (9-13 जीपीए) प्रदर्शित करते हैं, सी3एन4 (16-20 जीपीए) और सीआईसी (24.5-28.2 जीपीए) जैसी सामग्रियां असाधारण कठोरता प्रदर्शित करती हैं। इस समझ के कारण उन्नत फॉस्फोर वर्गों का विकास हुआ:

• कार्बिडोनिट्राइड श्रृंखला: Sr2Si5N8 मैट्रिक्स में कार्बन परमाणुओं को शामिल करने से जाली की कठोरता बढ़ जाती है, जिससे ऊंचे तापमान पर लुमेन रखरखाव में नाटकीय रूप से सुधार होता है।
• ऑक्सीकार्बिडोनिट्राइड श्रृंखला: Si-N/Al-O क्रॉस-प्रतिस्थापन के माध्यम से Sr7Al12O25 का रासायनिक संशोधन उच्च प्रदर्शन वाले हरे फॉस्फोर का उत्पादन करता है। प्रायोगिक डेटा पुष्टि करते हैं कि नियंत्रित कार्बन समावेशन से जाली की कठोरता बढ़ जाती है, जिससे थर्मल स्थिरता बढ़ जाती है।

जबकि वर्तमान फॉस्फोरस ने पीसीएलईडी प्रदर्शन को फ्लोरोसेंट लैंप मानकों तक बढ़ा दिया है, उद्योग 200 एलएम/डब्ल्यू दक्षता बेंचमार्क का पीछा करना जारी रखता है। प्रमुख अनुसंधान सीमाओं में शामिल हैं:

• नैरोबैंड उत्सर्जन: ऊर्जा हानि को कम करने और मानव फोटोपिक संवेदनशीलता वक्रों के साथ स्पेक्ट्रा को बेहतर ढंग से संरेखित करने के लिए लाल उत्सर्जन बैंडविड्थ को अनुकूलित करना।
• सामग्री अभियांत्रिकी: जाली कठोरता नियंत्रण के माध्यम से थर्मल शमन को और अधिक दबाने के लिए Si3N4 और SiC संरचनात्मक इकाइयों पर आधारित नए होस्ट क्रिस्टल का विकास करना।
• अनुप्रयोग-विशिष्ट अनुकूलन: विशेष प्रकाश आवश्यकताओं (उदाहरण के लिए, उच्च सीआरआई, विशिष्ट सीसीटी मान) के लिए अनुकूलित फॉस्फोर बनाने के लिए धातु आयन अनुपात की सटीक ट्यूनिंग।