ฟอสฟอรส์ไนตริดใหม่เพิ่มประสิทธิภาพ LED คุณภาพสี

คุณเคยสังเกตไหมว่า "แสงสีขาว" ที่ปล่อยออกมาจากอุปกรณ์ไฟ LED จำนวนมากนั้นดูรุนแรงและเย็นจัด ในขณะที่ประสบปัญหาในการสร้างสีขึ้นมา? นี่ไม่ใช่ข้อจำกัดทางเทคโนโลยี แต่เกิดขึ้นจากพลังงานรังสีสเปกตรัมสีแดงที่ไม่เพียงพอในฟอสเฟอร์ทั่วไป หลายปีที่ผ่านมา อุตสาหกรรมแสงสว่างต้องเผชิญกับข้อเสียเปรียบขั้นพื้นฐาน: วิธีปรับปรุงดัชนีการแสดงผลสี (CRI) ไปพร้อมๆ กัน ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการส่องสว่างและความเสถียรทางความร้อน การศึกษาที่ก้าวล้ำโดยศาสตราจารย์โวล์ฟกัง ชนิค และทีมงานของเขาที่มหาวิทยาลัยมิวนิก ในปัจจุบันได้มอบแนวทางการแก้ปัญหาที่ชัดเจนผ่านเทคโนโลยีไนไตรด์ฟอสเฟอร์ที่เป็นนวัตกรรมใหม่

วิวัฒนาการของฟอสเฟอร์: จาก 258 สู่อะลูมิเนียมไนไตรด์ขั้นสูง

ความท้าทายหลักของระบบไฟ LED อยู่ที่การเลือก "host lattice" ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับฟอสเฟอร์ ในช่วงต้นปี 2000 นักวิจัยยอมรับว่าไอออนยูโรเพียมชนิดไดเวเลนต์ (Eu²⁺) เป็นศูนย์รวมแสงในอุดมคติ อย่างไรก็ตาม การค้นหาวัสดุขัดแตะที่สามารถรองรับได้อย่างเสถียรในขณะที่ให้คุณสมบัติทางแสงและทางกายภาพที่เหนือกว่านั้นพิสูจน์ได้ยากเป็นพิเศษ ทีมงานของศาสตราจารย์ Schnick ประสบความสำเร็จในการพัฒนาผ่านการวิจัยอย่างเป็นระบบเกี่ยวกับโครงสร้างไนไตรด์ โดยพัฒนา Sr₂Si₅N₈:Eu²⁺ (ที่รู้จักกันทั่วไปในอุตสาหกรรมว่า "258 phosphor") การค้นพบนี้ได้ปฏิวัติตลาด LED โดยทำให้ LED สีขาวนวลกลายเป็นมาตรฐานในสมาร์ทโฟน ระบบไฟส่องสว่างในรถยนต์ และอุปกรณ์ติดตั้งภายในอาคาร

แต่สารเรืองแสง 258 ก็ไม่สมบูรณ์แบบ ในขณะที่สร้างแสงสีขาวโทนอุ่น จะผลิตรังสีอินฟราเรด (พลังงานความร้อน) จำนวนมาก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงาน เพื่อเอาชนะข้อจำกัดนี้ อุตสาหกรรมจึงต้องการวัสดุใหม่ที่สามารถบรรลุ "การปล่อยคลื่นสีแดงแถบแคบ" อย่างเร่งด่วน

โครงสร้างกำหนดประสิทธิภาพ: วิทยาศาสตร์เบื้องหลังการปล่อยคลื่นสีแดงแถบแคบ

ทีมงานของ Schnick หันมาสนใจระบบอะลูมิเนียมไนไตรด์ที่ซับซ้อนมากขึ้น การวิจัยของพวกเขาพบว่ากุญแจสำคัญในการปล่อยคลื่นความถี่แคบนั้นอยู่ที่ความสมมาตรและความแข็งแกร่งของตาข่ายโฮสต์ เมื่อโครงสร้างโครงตาข่ายหลวมและมีพันธะเคมีที่อ่อนแอ จะเกิดการสั่นสะเทือนจากความร้อนของอะตอม ส่งผลให้สเปกตรัมการแผ่รังสีกว้างขึ้น และลดความบริสุทธิ์ของสี

ในเดือนธันวาคม พ.ศ. 2555 ทีมงานประสบความสำเร็จในการสังเคราะห์สารเรืองแสงชนิดใหม่ชื่อ Sr[LiAl₃N₄]:Eu²⁺ วัสดุนี้แสดงให้เห็นถึงข้อดีที่สำคัญสามประการ:

1. โครงสร้างที่แข็งแกร่งแบบเชื่อมโยงข้ามสูง:วัสดุนี้มีโครงสร้างแบบ cross-linked ที่ครอบคลุมซึ่งช่วยลดการสั่นสะเทือนจากความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพการปล่อยก๊าซสีแดงในย่านความถี่แคบที่ยอดเยี่ยม

2. การประสานงานแบบสมมาตรสูง:เมื่อไอออนยูโรเพียมฝังอยู่ในโครงตาข่าย ไอออนเหล่านี้จะครอบครองสภาพแวดล้อมการประสานงานแบบลูกบาศก์ที่สมมาตรสูง ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกายภาพขั้นพื้นฐานเพื่อให้ได้เอาต์พุตสีแดงในย่านความถี่แคบ

3. เสถียรภาพที่โดดเด่น:ด้วยการใช้ประโยชน์จากความเสถียรทางเคมีและทางกายภาพโดยธรรมชาติของไนไตรด์ วัสดุนี้จึงตรงตามข้อกำหนดการใช้งานทางอุตสาหกรรมที่เข้มงวด

ศักยภาพในการผลิตระดับอุตสาหกรรม

สำหรับอุตสาหกรรมแสงสว่าง คุณค่าของเทคโนโลยีขยายไปไกลกว่าประสิทธิภาพของห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงความเป็นไปได้ในการผลิตจำนวนมาก สารเรืองแสงชนิดใหม่นี้แสดงให้เห็นถึงข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับอุตสาหกรรม:

ห่วงโซ่อุปทานที่ครบกำหนด:ยูโรเพียม ซึ่งแต่เดิมใช้ในฟอสเฟอร์สีแดงของหลอดแคโทด-เรย์ ได้รับประโยชน์จากช่องทางการจัดหาที่กำหนดไว้ เนื่องจาก LED แต่ละตัวต้องการปริมาณเพียงไมโครกรัม การควบคุมต้นทุนยังคงมีการแข่งขันสูง

ความอดทนต่อกระบวนการสูง:การวิจัยแสดงให้เห็นว่าความผันผวนเล็กน้อยของความเข้มข้นของยูโรเพียมไม่ได้เปลี่ยนแปลงความยาวคลื่นสูงสุดที่ปล่อยออกมาอย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งหมายความว่าการผลิตในระดับอุตสาหกรรมสามารถรักษาโทนสีที่สม่ำเสมอโดยไม่ต้องมีกระบวนการผสมที่แม่นยำอย่างยิ่ง ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับผู้ผลิตระบบแสงสว่างที่ให้ความสำคัญกับ "ความสม่ำเสมอของหลอดไฟเดี่ยว"

ปัจจุบัน ศูนย์ R&D ของ Lumileds ได้เริ่มเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสังเคราะห์แล้ว เมื่อพิจารณาจากกรอบเวลาการพัฒนาสู่เชิงพาณิชย์โดยทั่วไป สารเรืองแสงสีแดงใหม่นี้สามารถลดการสร้างความร้อนอินฟราเรดได้อย่างมากในขณะที่ปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่าง ในไม่ช้าอาจบรรลุการยอมรับในตลาดขนาดใหญ่ในไม่ช้า โดยผลักดันให้เกิดความก้าวหน้าในการเปลี่ยนแปลงในเทคโนโลยีไฟส่องสว่าง LED รุ่นต่อไป