Phốt pho mới tăng cường hiệu suất đèn LED với độ ổn định nhiệt cao

Đèn LED chuyển đổi phốt pho (pcLED) tổng hợp ánh sáng khả kiến ​​bằng cách kết hợp các chip màu xanh lam hoặc tia cực tím gần (nUV) dựa trên GaN với phốt pho chuyển đổi xuống. Những photpho này hấp thụ một phần ánh sáng kích thích của chip và chuyển nó thành bước sóng dài hơn, sau đó trộn với ánh sáng xanh còn sót lại để tạo ra ánh sáng trắng. Kể từ khi đèn LED GaN độ sáng cao ra đời vào những năm 1990, pcLED đã trở nên phổ biến trong các ứng dụng đèn nền màn hình tinh thể lỏng (BLU), chiếu sáng chung và các ứng dụng chiếu sáng chuyên dụng. Do hiệu suất của phốt pho quyết định trực tiếp đến chất lượng màu sắc và hiệu quả sử dụng năng lượng nên việc phát triển vật liệu đã trở thành động lực quan trọng cho sự thâm nhập thị trường đèn LED.

Sự phát triển ban đầu của pcLED dựa vào phốt pho được thiết kế ban đầu cho màn hình CRT và đèn huỳnh quang. Garnet nhôm yttrium pha tạp cerium (YAG:Ce) đã trở thành nền tảng của ngành nhờ hiệu suất chuyển đổi cao và khả năng tổng hợp ánh sáng trắng vượt trội. Sau đó, orthosilicate kiềm thổ pha tạp europium (BOSE) được giới thiệu như là chất lân quang màu vàng bổ sung cho các ứng dụng năng lượng thấp.

Tuy nhiên, pcLED phải đối mặt với một hạn chế cơ bản: phốt pho duy trì tiếp xúc vật lý trực tiếp với chip LED, chịu được nhiệt độ hoạt động trong khoảng từ 100°C đến 150°C. Phốt pho truyền thống thể hiện sự suy giảm hiệu suất phát sáng đáng kể (làm nguội bằng nhiệt) trong những điều kiện này, hạn chế nghiêm trọng hiệu suất của đèn LED công suất cao. Do đó, việc phát triển các loại phốt pho có khả năng duy trì hệ số duy trì quang thông >90% ở 150°C đã trở thành ưu tiên nghiên cứu hàng đầu của ngành.

Đầu những năm 2000 chứng kiến ​​các nhà nghiên cứu chuyển hướng sang vật liệu chịu lửa có điểm nóng chảy cao, đặc biệt là nitrua và oxynitrit. Phốt pho nitrit (ví dụ: CaAlSiN3:Eu, Sr2Si5N8:Eu, β-sialon:Ce) có cấu trúc tinh thể dựa trên mạng tứ diện [SiN4] hoặc [AlN4]. Không giống như các oxit hoặc halogenua thông thường, các vật liệu này đặt các chất kích hoạt Eu2+ hoặc Ce3+ phối hợp trực tiếp với các nguyên tử nitơ. Liên kết cộng hóa trị mạnh hơn và độ phân cực cao hơn của các nguyên tử nitơ tạo ra "hiệu ứng dịch chuyển đỏ quang phổ" rõ rệt (hiệu ứng Nephelauxetic), cho phép hấp thụ ánh sáng xanh hiệu quả và phát xạ từ xanh sang đỏ cùng với độ ổn định nhiệt đặc biệt.

Quá trình làm nguội bằng nhiệt chủ yếu bắt nguồn từ sự chuyển tiếp không bức xạ giữa trạng thái kích thích và trạng thái cơ bản. Phân tích tinh thể học cho thấy mối tương quan tích cực giữa độ cứng vật liệu và độ ổn định nhiệt. Trong khi silicat có độ cứng khiêm tốn (9–13 GPa), các vật liệu như Si3N4 (16–20 GPa) và SiC (24,5–28,2 GPa) lại thể hiện độ cứng đặc biệt. Sự hiểu biết này đã dẫn đến sự phát triển của các loại phốt pho tiên tiến:

• Dòng cacbidonitride: Việc kết hợp các nguyên tử carbon vào ma trận Sr2Si5N8 giúp tăng cường độ cứng của mạng, cải thiện đáng kể khả năng duy trì quang thông ở nhiệt độ cao.
• Dòng oxycarbidonitride: Biến đổi hóa học Sr7Al12O25 thông qua thay thế chéo Si-N/Al-O tạo ra photpho xanh hiệu suất cao. Dữ liệu thực nghiệm xác nhận rằng việc kết hợp cacbon có kiểm soát làm tăng độ cứng của mạng, do đó tăng cường độ ổn định nhiệt.

Trong khi phốt pho hiện tại đã nâng hiệu suất pcLED lên ngang với tiêu chuẩn đèn huỳnh quang, ngành công nghiệp vẫn tiếp tục theo đuổi tiêu chuẩn hiệu suất 200 lm/W. Các lĩnh vực nghiên cứu chính bao gồm:

• Phát xạ băng hẹp: Tối ưu hóa băng thông phát xạ màu đỏ để giảm thiểu tổn thất năng lượng và căn chỉnh quang phổ tốt hơn với các đường cong nhạy sáng của con người.
• Kỹ thuật vật liệu: Phát triển các tinh thể chủ mới dựa trên các đơn vị cấu trúc Si3N4 và SiC để ngăn chặn quá trình làm nguội nhiệt hơn nữa thông qua kiểm soát độ cứng của mạng tinh thể.
• Tùy chỉnh dành riêng cho ứng dụng: Điều chỉnh chính xác tỷ lệ ion kim loại để tạo ra phốt pho phù hợp cho các yêu cầu chiếu sáng chuyên dụng (ví dụ: CRI cao, giá trị CCT cụ thể).