Novo fósforo aumenta a eficiência dos LEDs com alta estabilidade térmica

LEDs convertidos em fósforo (pcLEDs) sintetizam luz visível combinando chips azuis ou quase ultravioleta (nUV) baseados em GaN com fósforos de conversão descendente. Esses fósforos absorvem uma parte da luz de excitação do chip e a convertem em comprimentos de onda mais longos, que então se misturam com a luz azul residual para produzir luz branca. Desde o advento dos LEDs GaN de alto brilho na década de 1990, os pcLEDs se tornaram onipresentes na retroiluminação de telas de cristal líquido (BLU), iluminação geral e aplicações de iluminação especializadas. Como o desempenho do fósforo determina diretamente a qualidade da cor e a eficiência energética, o desenvolvimento de materiais emergiu como o fator crítico para a penetração do LED no mercado.

O desenvolvimento inicial do pcLED baseou-se em fósforos originalmente projetados para monitores CRT e lâmpadas fluorescentes. A granada de ítrio-alumínio dopada com cério (YAG:Ce) tornou-se a pedra angular da indústria devido à sua alta eficiência de conversão e síntese superior de luz branca. Mais tarde, os ortossilicatos alcalino-terrosos dopados com európio (BOSE) foram introduzidos como fósforos amarelos suplementares para aplicações de baixa potência.

No entanto, os pcLEDs enfrentam uma limitação fundamental: os fósforos mantêm contato físico direto com os chips de LED, suportando temperaturas operacionais entre 100°C e 150°C. Os fósforos tradicionais apresentam degradação significativa da eficiência luminosa (extinção térmica) sob essas condições, restringindo severamente o desempenho do LED de alta potência. Consequentemente, o desenvolvimento de fósforos que mantenham >90% de manutenção do lúmen a 150°C tornou-se a principal prioridade de pesquisa da indústria.

No início dos anos 2000, os pesquisadores se voltaram para materiais refratários com altos pontos de fusão, principalmente nitretos e oxinitretos. Os fósforos de nitreto (por exemplo, CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-sialon:Ce) apresentam estruturas cristalinas baseadas em redes tetraédricas [SiN4] ou [AlN4]. Ao contrário dos óxidos ou halogenetos convencionais, estes materiais posicionam os ativadores Eu2+ ou Ce3+ em coordenação direta com os átomos de nitrogênio. A ligação covalente mais forte e a maior polarizabilidade dos átomos de nitrogênio induzem um pronunciado "efeito de desvio para o vermelho espectral" (efeito Nephelauxetic), permitindo uma absorção eficiente da luz azul e uma emissão de verde para vermelho, juntamente com uma estabilidade térmica excepcional.

A têmpera térmica decorre principalmente de transições não radiativas entre os estados excitado e fundamental. A análise cristalográfica revela uma correlação positiva entre a dureza do material e a estabilidade térmica. Embora os silicatos demonstrem dureza modesta (9–13 GPa), materiais como Si3N4 (16–20 GPa) e SiC (24,5–28,2 GPa) exibem rigidez excepcional. Esse entendimento levou ao desenvolvimento de classes avançadas de fósforo:

• Série Carbidonitrito: A incorporação de átomos de carbono nas matrizes Sr2Si5N8 aumenta a rigidez da rede, melhorando drasticamente a manutenção do lúmen em temperaturas elevadas.
• Série Oxicarbidonitrito: A modificação química de Sr7Al12O25 por meio da substituição cruzada Si-N/Al-O produz fósforos verdes de alto desempenho. Dados experimentais confirmam que a incorporação controlada de carbono aumenta a rigidez da rede, aumentando assim a estabilidade térmica.

Embora os fósforos atuais tenham elevado o desempenho do pcLED aos padrões de lâmpadas fluorescentes, a indústria continua buscando a referência de eficiência de 200 lm/W. As principais fronteiras de pesquisa incluem:

• Emissão de banda estreita: Otimização da largura de banda de emissão vermelha para minimizar a perda de energia e alinhar melhor os espectros com as curvas de sensibilidade fotópica humana.
• Engenharia de Materiais: Desenvolvimento de novos cristais hospedeiros baseados em unidades estruturais de Si3N4 e SiC para suprimir ainda mais a têmpera térmica por meio do controle de rigidez da rede.
• Personalização específica do aplicativo: Ajuste preciso das proporções de íons metálicos para criar fósforos personalizados para requisitos de iluminação especializados (por exemplo, CRI alto, valores CCT específicos).