El nuevo fósforo aumenta la eficiencia del LED con alta estabilidad térmica

Los LED convertidos en fósforo (pcLED) sintetizan la luz visible combinando chips azules o casi ultravioleta (nUV) basados ​​en GaN con fósforos de conversión descendente. Estos fósforos absorben una parte de la luz de excitación del chip y la convierten en longitudes de onda más largas, que luego se mezclan con la luz azul residual para producir luz blanca. Desde la llegada de los LED GaN de alto brillo en la década de 1990, los pcLED se han vuelto omnipresentes en la retroiluminación de pantallas de cristal líquido (BLU), la iluminación general y las aplicaciones de iluminación especializadas. Dado que el rendimiento del fósforo determina directamente la calidad del color y la eficiencia energética, el desarrollo de materiales se ha convertido en el factor fundamental para la penetración en el mercado de los LED.

El desarrollo inicial de pcLED se basó en fósforos diseñados originalmente para pantallas CRT y lámparas fluorescentes. El granate de itrio y aluminio dopado con cerio (YAG:Ce) se convirtió en la piedra angular de la industria debido a su alta eficiencia de conversión y síntesis superior de luz blanca. Posteriormente, se introdujeron ortosilicatos alcalinotérreos dopados con europio (BOSE) como fósforo amarillo complementario para aplicaciones de baja potencia.

Sin embargo, los pcLED se enfrentan a una limitación fundamental: los fósforos mantienen contacto físico directo con los chips LED y soportan temperaturas operativas de entre 100 °C y 150 °C. Los fósforos tradicionales exhiben una degradación significativa de la eficiencia luminosa (apagado térmico) en estas condiciones, lo que limita gravemente el rendimiento de los LED de alta potencia. En consecuencia, desarrollar fósforos que mantengan >90 % de mantenimiento del lumen a 150 °C se ha convertido en la principal prioridad de investigación de la industria.

A principios de la década de 2000, los investigadores se centraron en materiales refractarios con altos puntos de fusión, en particular nitruros y oxinitruros. Los fósforos de nitruro (p. ej., CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-sialon:Ce) presentan estructuras cristalinas basadas en redes tetraédricas de [SiN4] o [AlN4]. A diferencia de los óxidos o haluros convencionales, estos materiales colocan los activadores Eu2+ o Ce3+ en coordinación directa con los átomos de nitrógeno. El enlace covalente más fuerte y la mayor polarización de los átomos de nitrógeno inducen un pronunciado "efecto de desplazamiento al rojo espectral" (efecto nefelauxético), que permite una absorción eficiente de la luz azul y una emisión de verde a rojo junto con una estabilidad térmica excepcional.

El enfriamiento térmico surge principalmente de transiciones no radiativas entre los estados excitado y fundamental. El análisis cristalográfico revela una correlación positiva entre la dureza del material y la estabilidad térmica. Mientras que los silicatos demuestran una dureza modesta (9–13 GPa), materiales como Si3N4 (16–20 GPa) y SiC (24,5–28,2 GPa) exhiben una rigidez excepcional. Este conocimiento condujo al desarrollo de clases avanzadas de fósforo:

• Serie de carbidonitruro: La incorporación de átomos de carbono en matrices de Sr2Si5N8 mejora la rigidez de la red, mejorando drásticamente el mantenimiento del lumen a temperaturas elevadas.
• Serie de oxicarbidonitruro: La modificación química de Sr7Al12O25 mediante sustitución cruzada de Si-N/Al-O produce fósforos verdes de alto rendimiento. Los datos experimentales confirman que la incorporación controlada de carbono aumenta la rigidez de la red, aumentando así la estabilidad térmica.

Si bien los fósforos actuales han elevado el rendimiento de los pcLED a los estándares de las lámparas fluorescentes, la industria continúa persiguiendo el punto de referencia de eficiencia de 200 lm/W. Las fronteras clave de la investigación incluyen:

• Emisión de banda estrecha: Optimización del ancho de banda de emisión roja para minimizar la pérdida de energía y alinear mejor los espectros con las curvas de sensibilidad fotópica humana.
• Ingeniería de Materiales: Desarrollo de nuevos cristales anfitriones basados ​​en unidades estructurales de Si3N4 y SiC para suprimir aún más el enfriamiento térmico mediante el control de la rigidez de la red.
• Personalización específica de la aplicación: Ajuste preciso de las proporciones de iones metálicos para crear fósforos personalizados para requisitos de iluminación especializados (por ejemplo, CRI alto, valores CCT específicos).