مطالعه ای از چالش های کارایی در لامپ های سبز و سفید نشان داد

در روایت بزرگ فناوری روشنایی مدرن، "انقلاب فوتوالکتریک" LED جهان را خیره کرده است. از صفحه نمایش گوشی های هوشمند پر از رنگ های پر جنب و جوش گرفته تا مناظر شهری که با مناظر شب درخشان می درخشند، LED ها همه کاره به نظر می رسند. با این حال، در زیر این سطح نورانی یک حقیقت ناخوشایند نهفته است: نوارهای طیفی خاص، به ویژه در مناطق سبز و فیروزه ای، یک "کویر کارآمد" را تشکیل می دهند که همچنان مهندسان را به چالش می کشد.

توزیع طول موج LED ها صرفاً توسط محدودیت های فیزیکی تعیین نمی شود - تقاضای بازار نقش تعیین کننده ای دارد. طیف آبی 420-460 نانومتری، پایه ای برای LED های سفید (تراشه های آبی ترکیب شده با فسفرهای زرد)، از تقاضای میلیارد واحدی برخوردار است. این مقیاس عظیم سرمایه گذاری مستمر تحقیق و توسعه در فرآیندهای رشد همپایه را توجیه می کند.

برعکس، طیف‌های فیروزه‌ای 480-520 نانومتری و طیف قرمز عمیق 680-800 نانومتری موقعیت‌های مهمی را در روشنایی عمومی اشغال می‌کنند. در حالی که شرکت هایی مانند Lumileds محصولات سبز سفارشی "نعناع" یا "آهک" را ارائه می دهند، این راه حل ها هرگز به مزیت های هزینه تولید انبوه دست پیدا نمی کنند. نتیجه یک چرخه معیوب است: برنامه‌های محدود حجم تولید را محدود می‌کند، هزینه‌های بالا مانع پذیرش می‌شود، و کاهش تقاضا باعث کاهش بیشتر تحقیق و توسعه می‌شود—یک مورد کلاسیک از نیروهای بازار که «کاهش بعدی» را بر پیشرفت فناوری تحمیل می‌کنند.

در سطح کوانتومی، ساختارهای نواری نیمه هادی موانع اساساً متفاوتی را برای رنگ های مختلف ایجاد می کنند. طول موج LED توسط عرض باند یک ماده تعیین می شود - شکاف های باریک طول موج های بلند (قرمز) تولید می کنند، در حالی که شکاف های گسترده طول موج های کوتاه (آبی/سبز) ایجاد می کنند.

LED های قرمز معمولاً از AlGaAs (آرسنید گالیم آلومینیوم) با باندهای باریک استفاده می کنند که در ولتاژهای پایین (1.5-2.5 ولت) کار می کنند. در مقابل، LEDهای آبی/سبز به InGaN (نیترید گالیوم ایندیوم) با فاصله باند وسیع نیاز دارند که ولتاژهای بالاتر (2.5-3.5 ولت) را می طلبد. این ویژگی ذاتی به این معنی است که LED های سبز از ابتدا با چالش های حرارتی و رانندگی بیشتری روبرو هستند.

یک تصور نادرست مهم در بحث های بهره وری LED شامل تلفیق انرژی فیزیکی با ادراک انسان است. شار رادیومتری انرژی واقعی فوتون را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که شار نورانی که توسط منحنی حساسیت چشم انسان CIE وزن می‌شود، روشنایی ذهنی را منعکس می‌کند.

حساسیت چشم در 555 نانومتر (زرد-سبز) به حداکثر می رسد، که در آن 1 وات برابر با 683 لومن است. انرژی یکسان در طول موج های آبی یا قرمز تیره به طور چشمگیری کم رنگ تر به نظر می رسد. این توضیح می دهد که چرا LED های سفید سرد روشن تر از سفید گرم به نظر می رسند - طیف آنها شامل اجزای سبز حساس تر به چشم است. چنین سوگیری ادراکی محدودیت های فیزیکی واقعی کارایی LED سبز را پنهان می کند.

در حالی که بازده کوانتومی داخلی (IQE) نشان دهنده "قلب" یک تراشه است، بازده استخراج نور (LEE) "استراتژی خروج" آن را تشکیل می دهد. فسفرهای مدرن به بازده کوانتومی 100 درصد نزدیک می‌شوند - گلوگاه واقعی در آزادسازی فوتون‌ها از نیمه‌رساناهای با ضریب شکست بالا است.

فوتون ها به صورت همسانگرد در نیمه هادی ها ساطع می کنند، اما تفاوت ضریب شکست شدید در رابط های هوا باعث بازتاب داخلی کل می شود. مهندسان از طریق ریزساختارهای سطحی (زبری، بلورهای فوتونی) با این امر مبارزه می کنند تا بازتاب را مختل کنند. راندمان استخراج فعلی برای LED های آبی InGaN-GaN به 80٪ می رسد اما برای LED های قرمز فقط 60٪ است. ال ای دی های سبز با چالش های مرکب روبرو هستند - تعادل عدم تطابق شبکه InGaN در ترکیبات ایندیوم بالا با ساختارهای استخراج با طول موج خاص.

"صحرای کارایی" سبز/فیروزه ای از فیزیک مواد در هم تنیده و محدودیت های نورسنجی پدید می آید. پیشرفت‌ها از بهبود فسفر افزایشی حاصل نمی‌شوند، بلکه از نوآوری‌های اساسی در مواد به‌ویژه از طریق طراحی‌های ساختاری در مقیاس نانو در سیستم‌های با شکاف گسترده‌تر حاصل می‌شوند.

از آنجایی که فناوری‌های نمایشگر مانند Micro-LED تقاضا برای بازتولید تمام رنگی را افزایش می‌دهند، قابلیت تجاری برای طول موج‌های سبز/فیروزه‌ای ممکن است به جرم بحرانی برسد. هنگامی که نیروهای بازار با پیشرفت علمی همسو می شوند، بیابان کارآمد امروز می تواند به واحه نورانی فردا تبدیل شود - نقطه عطفی دیگر در تسلط بشر بر نور.