فوسفورهای نیترید جدید باعث افزایش کارایی LED و کیفیت رنگ می شوند

آیا تا به حال توجه کرده اید که چگونه "نور سفید" ساطع شده توسط بسیاری از دستگاه های روشنایی LED خشن و سرد به نظر می رسد، در حالی که با بازتولید رنگ مبارزه می کند؟ این یک محدودیت تکنولوژیکی نیست، بلکه از قدرت تابش ناکافی طیف قرمز در فسفرهای معمولی ناشی می شود. برای سال‌ها، صنعت روشنایی با یک مبادله اساسی روبرو بوده است: چگونه می‌توان همزمان شاخص رندر رنگ (CRI) را با حفظ راندمان نوری و پایداری حرارتی بهبود بخشید. یک مطالعه پیشگامانه توسط پروفسور ولفگانگ اشنیک و تیمش در دانشگاه مونیخ اکنون یک راه حل قطعی را از طریق فناوری نوآورانه نیترید فسفر ارائه می دهد.

تکامل فسفرها: از 258 تا نیتریدهای آلومینیوم پیشرفته

چالش اصلی نورپردازی LED در انتخاب بهینه "شبکه میزبان" برای فسفر نهفته است. در اوایل سال 2000، محققان یون های دو ظرفیتی یوروپیوم (Eu2+) را به عنوان مراکز شب تاب ایده آل تشخیص دادند. با این حال، یافتن مواد شبکه‌ای که بتوانند به طور پایدار آنها را در خود جای دهند در حالی که خواص نوری و فیزیکی برتر را ارائه می‌دهند، بسیار دشوار بود. تیم پروفسور اشنیک از طریق تحقیقات سیستماتیک بر روی ساختارهای نیترید، به پیشرفتی دست یافتند و Sr2Si5N₈:Eu2+ (که معمولاً در صنعت به عنوان "فسفر 258" شناخته می شود) توسعه یافتند. این کشف بازار LED را متحول کرد و LED‌های سفید گرم را قادر ساخت تا در گوشی‌های هوشمند، روشنایی خودرو و وسایل داخلی استاندارد شوند.

با این حال فسفر 258 کامل نبود. در حالی که نور سفید گرم تولید می کرد، تابش مادون قرمز قابل توجهی (انرژی گرمایی) تولید می کرد که منجر به اتلاف انرژی می شد. برای غلبه بر این محدودیت، صنعت نیاز فوری به مواد جدیدی داشت که قادر به دستیابی به "انتشار قرمز باند باریک" باشد.

ساختار عملکرد را تعیین می کند: علم پشت انتشار قرمز باند باریک

تیم Schnick توجه خود را به سیستم های پیچیده تر نیترید آلومینیوم معطوف کرد. تحقیقات آنها نشان داد که کلید انتشار باند باریک در تقارن و استحکام شبکه میزبان نهفته است. هنگامی که ساختارهای شبکه با پیوندهای شیمیایی ضعیف شل می شوند، ارتعاشات حرارتی اتمی رخ می دهد که طیف انتشار را گسترش می دهد و خلوص رنگ را کاهش می دهد.

در دسامبر 2012، این تیم با موفقیت یک فسفر جدید-Sr[LiAl3N4]:Eu2+ را سنتز کرد. این ماده سه مزیت مهم را نشان می دهد:

1. ساختار صلب بسیار متقابل:این ماده دارای یک چارچوب بسیار متقابل است که به طور موثر ارتعاشات حرارتی را سرکوب می کند و عملکرد استثنایی انتشار قرمز باند باریک را تضمین می کند.

2. هماهنگی با تقارن بالا:هنگامی که یون‌های یوروپیوم در شبکه جاسازی می‌شوند، یک محیط هماهنگی مکعبی بسیار متقارن را اشغال می‌کنند - مبنای فیزیکی اساسی برای دستیابی به خروجی قرمز باند باریک.

3. ثبات برجسته:این ماده با استفاده از پایداری شیمیایی و فیزیکی ذاتی نیتریدها، الزامات سختگیرانه کاربرد صنعتی را برآورده می کند.

پتانسیل برای تولید در مقیاس صنعتی

برای صنعت روشنایی، ارزش یک فناوری فراتر از عملکرد آزمایشگاهی و امکان‌سنجی تولید انبوه آن است. فسفر جدید مزایای قابل توجهی را برای صنعتی شدن نشان می دهد:

زنجیره تامین بالغ:یوروپیوم، که به طور سنتی در فسفرهای قرمز لوله اشعه کاتدی استفاده می‌شود، از کانال‌های عرضه مستقر بهره می‌برد. با توجه به اینکه هر LED فقط به مقادیر میکروگرم نیاز دارد، کنترل هزینه همچنان رقابتی است.

تحمل فرآیند بالا:تحقیقات نشان می دهد که نوسانات جزئی در غلظت یوروپیوم به طور قابل توجهی طول موج اوج انتشار را تغییر نمی دهد. این بدان معناست که تولید در مقیاس صنعتی می‌تواند تن رنگ‌های ثابت را بدون نیاز به فرآیندهای اختلاط بسیار دقیق حفظ کند - یک عامل حیاتی برای تولیدکنندگان روشنایی که «ثبات تک لامپ» را در اولویت قرار می‌دهند.

در حال حاضر، مرکز تحقیق و توسعه Lumileds بهینه سازی فرآیندهای سنتز را آغاز کرده است. با توجه به زمان‌بندی‌های معمولی توسعه تا تجاری‌سازی، این فسفر قرمز جدید – که قادر به کاهش چشمگیر تولید گرمای مادون قرمز و در عین حال بهبود بازده نوری است – ممکن است به زودی به پذیرش بازار در مقیاس بزرگ دست پیدا کند و پیشرفت‌های متحول کننده در فناوری نورپردازی LED نسل بعدی را ایجاد کند.