페릴렌 염료로 LED 스펙트럼 출력 향상

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 10841(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

LED는 높은 효율로 광범위한 스펙트럼 출력을 제공합니다. 그러나 녹색 및 노란색 파장을 갖는 고체 LED의 효율은 적합한 직접 밴드갭 재료가 부족하기 때문에 다소 낮습니다. 여기에서는 고체 녹색 LED의 38%에 비해 48%의 더 높은 벽면 플러그 효율을 생성하는 페릴렌 강화 녹색 LED를 소개하고 개발합니다. 페릴렌 강화 적색 LED의 벽면 플러그 효율은 고체 적색 LED의 효율보다 여전히 낮지만 원격 인광체 색상 변환기가 원예 조명의 가시 스펙트럼에 걸쳐 목표 스펙트럼 조정을 위한 효과적인 솔루션임을 입증합니다. 이 연구에서는 기존 백색 LED를 개조하고 스펙트럼 출력 조정을 통해 광합성을 강화하여 더 높은 빨간색-청색 비율을 달성합니다. 우리의 결과는 4개월의 성장 주기 후에 식물 성장이 최대 39%까지 크게 개선되었음을 보여줍니다. 400mA 전류의 연속 조명에서도 색상 변환기의 눈에 띄는 저하가 관찰되지 않습니다. 이는 높은 밝기로 조정 가능한 조명을 위해 페릴렌 기반 색상 변환기를 사용할 수 있는 새로운 기회를 열어줍니다.

인공조명은 백열전구에서 형광등, 발광다이오드(LED)로 발전했다. 인류는 에너지 효율성 향상뿐 아니라 모바일 장치 및 노트북, 프로젝터, 광통신, 심지어 농업용 조명 재배 등 응용 범위의 급증이라는 측면에서도 이러한 기술 발전의 혜택을 누렸습니다. 몇 가지. 그러나 LED의 가장 인상적인 특징 중 하나는 다양한 색상을 제공한다는 것입니다. 이는 서로 다른 밴드 갭을 갖는 서로 다른 반도체 재료를 활성 방출 재료로 사용하여 서로 다른 방출 색상을 생성함으로써 달성됩니다. 이는 원하는 색상을 얻기 위해 형광등과 같은 광대역 광원에 필터를 적용해 에너지 손실을 초래하는 개념과 다르다.

그럼에도 불구하고 LED에는 "그린 갭"3,4이라는 문제가 있는데, 이는 발광층에 적합한 직접 밴드갭 재료가 부족하기 때문입니다. 일반적으로 530~580nm(즉, 녹색에서 노란색) 범위의 고체 LED는 파란색 및 빨간색 LED에 비해 복사 효율 측면에서 성능이 떨어집니다. 파란색과 빨간색 LED는 효율이 50% 이상인 반면, 녹색과 노란색 LED는 효율이 40%4 미만으로 다소 낮습니다. 녹색 고체 LED의 낮은 효율을 극복하는 한 가지 방법은 온칩 또는 원격 색상 변환기인 형광체를 적용하는 것입니다. 이러한 기술은 이미 많은 LED 제품에 활용되고 있습니다. 백색 LED는 온칩 형광체(예: 노란색 Ce:YAG5,6)가 내장된 파란색 LED를 사용하여 생산할 수 있습니다. 인광변환 백색 LED는 높은 연색지수(CRI)와 100lm/W7의 고효율로 자연스러운 색상을 구현하는 것으로 나타났습니다. Nanoco는 백색 LED에 적색 양자점을 도입하여 높은 CRI8의 따뜻한 백색 LED를 생산했습니다. 또 다른 예는 최신 디스플레이 기술인 QD-OLED9,10에서 청색 유기 LED(OLED)의 색상 변환기로 녹색 및 적색 양자점(QD)을 사용하는 것입니다. 여기에서는 특정 종류의 유기 염료(페릴렌 기반 염료11,12,13)를 사용하여 녹색 LED에 대해 더 나은 벽면 플러그 효율성을 달성할 수 있음을 보여줍니다. 우리는 UV-가시광선 스펙트럼에서 강한 광 흡수, 높은 광발광 양자 수율(PLQY), 높은 광화학적 및 열적 안정성을 나타내는 것으로 밝혀진 페릴렌 기반 염료를 선택합니다14,15,16,17. 페릴렌 기반 염료는 폴리머 매트릭스 호스트에 도입되어 원격 형광체를 형성하고 LED 칩에서 4mm 떨어진 곳에 배치됩니다. 원격 형광체가 LED 가까이에 장착된 이 구성에서 LED는 형광 강화 LED 또는 줄여서 F-LED라고 하며, 원격 형광체는 FCC(형광 색 변환기)라고 합니다.

1 mm. This region can be regarded as the saturation region. For thicknesses < 0.75 mm, where a significant percentage of blue light is not fully absorbed, the increasing thickness will contribute to the increasing conversion efficiency of the green FCC (green curves). However, when most of the blue light has been absorbed and down-converted, the conversion efficiency starts to drop linearly with the increasing thickness. This can be mainly attributed to the occurrence of re-absorption, due to the overlap of the absorption spectrum and the emission spectrum at 450–500 nm (Fig. 1a,b). When the thickness increases, the chance of re-absorption increases, and due to quantum losses, the conversion efficiency decreases./p> 2 mm. The occurrence of saturation at a larger thickness is expected as the red FCC has a lower extinction coefficient and lower molar concentration than the green FCC. When the thickness is increased in the non-saturated region, the conversion efficiency increases from 21% at 0.25 mm to 46% at 2 mm. When we further increase the thickness to 3 mm, the conversion efficiency decreases, but at a slower decay rate than for the green FCC. While the red FCC also experiences re-absorption due to overlap between the absorption and emission spectra from 580 to 620 nm, the effect is less significant due to the higher quantum efficiency (PLQY) of 95% for the red FCC compared to 85% for the green./p>

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