Tw
Ig
Fb

ЅМD-светодиоды белого излучения с коллоидными квантовыми точками типа ядро/оболочка
Проект подготвлен на базе образовательного центра Сириус в рамках научной технологической программы "Большие вызовы".
All Stories
Наша команда
IT-технологии
Ярослав
Ксения
Нанотехнологии
Данис
Химик-технолог
Марат
Веб-дизайнер
Родионов Владимир
Ассистент
Есаулкова Елизавета
Руководитель
Проблема
Часть энергии превращается в потери
Традиционные красные люминофоры излучают широкий спектр света, часть которого выходит в инфракрасную область, невидимую человеческому глазу

На образование этого излучения расходуется энергия, но она не участвует в освещении

Красные квантовые точки имеют значительно более узкий спектр, поэтому позволяют направить большую часть энергии в видимый диапазон и повысить световую эффективность светодиода
Узкий спектр красных квантовых точек снижает потери энергии на инфракрасное излучение
Обеспечение высокой светоотдачи и качественной цветопередачи
(CRI > 90) в широком диапазоне цветовых температур.
Нанонаполнители (SiO₂, TiO₂, hBN) в составе люминофора эффективно рассеивают свет для равномерного свечения и обеспечивают качественный отвод и распределение тепла.

Энергоэффективность

CRI

Теплоотвод

Белые SMD-светодиоды на базе квантовых точек и люминофоров
Решение
Что такое SMD?
Каковы исходные компоненты?
SMD-светодиод
SMD-светодиод — светодиод, который устанавливается непосредственно на печатную плату. Его открытая конструкция позволяет наносить на кристалл гель-люминесцентную смесь (ГЛС) — полимерный состав с различными наполнителями, люминофорами и квантовыми точками

ГЛС поглощает часть синего излучения светодиодного кристалла и переизлучает его на других длинах волн

Смешение синего света кристалла с излучением люминофоров или квантовых точек формирует белый свет и позволяет изменять его спектральные характеристики
Люминофоры
Люминофоры — вещества, способные преобразовывать поглощённую энергию в свет (люминесцировать) с минимальными тепловыми потерями, что делает их эффективной альтернативой традиционным источникам света

Представляет собой мелкодисперсный порошок с размером частиц от 5 до 20 мкм. Его кристаллическая решётка имеет структуру граната, в узлах которой расположены атомы иттрия, гадолиния и алюминия

В светодиодах люминофор поглощает коротковолновое излучение чипа и преобразует его в длинноволновый диапазон
Порошковые наполнители
Оксиды кремния, титана и гексагональный нитрид бора представляют собой оптически прозрачные вещества со светопропусканием в видимом диапазоне от 75.0% до 99.9% и теплопроводностью не хуже люминофоров

Квантовые точки осаждаются на наночастицы наполнителей, поэтому меньше образуют агломераты. Нитрид бора также выступал в качестве дополнительного теплоотвода.

Частицы оксидов кремния, титана и гексагонального нитрида бора имели размеры от 50 до 100 нм
Квантовые точки
Квантовые точки (КТ) – это полупроводниковые нанокристаллы сферической формы, обладающие очень малыми размерами (~ 2–10 нм)

Квантовые точки представляют собой полностью настраиваемые структуры: их свойства можно целенаправленно регулировать путём выбора материалов и контроля размеров конечного продукта

За счет узкой полосы эмиссии квантовых точек получается точно настраивать спектр, не заходя в ИК-область излучения
Этапы получения светодиодов
  • Получение ГЛС
    Смешивание силиконовой основы с люминофорами, квантовыми точками и добавками , , . Равномерное распределение частиц необходимо для оптимального рассеяния света и хорошего теплоотвода.
  • Заливка

    Точное дозирование готовой смеси в корпус SMD-светодиода непосредственно на кристалл. Правильная подача геля обеспечивает полное покрытие чипа без образования пустот и дефектов

  • Термическая обработка
    Нагрев в сушильном шкафу по строго заданному температурному режиму

    Этот этап необходим для полной полимеризации геля, прочной фиксации компонентов и долговечности светодиода
  • Анализ
    Финальный контроль готовых светодиодов на измерительном оборудовании: измерение спектра излучения, цветовой температуры, индекса цветопередачи
    (), освещенности и других ключевых спектральных характеристик.
Оборудование
Сканирующий электронный микроскоп
С помощью СЭМ был определен и подтвержден состав люминофоров, а также их размер
Пневматический дозатор серии 983A
Необходим для нанесения с точной повторяемостью микрообъёмов гель-люминесцентной смеси
Спектроколориметр ТКА-ВД/2
Позволяет определить освещенность светодиода, цветовую температуру, индекс цветопередачи CRI и иные спектральные характеристики светодиода
Дифрактометр малоугловой Xenocs Xeuss 3.0. Помог определить состав люминофоров
Интегральная модель
Выделение чистого излучения каждого люминофора, а также математическая описательная аппроксимация синего пика светодиода функцией Гаусса для точного расчета проходящего и поглощенного света.
Расчет коэффициентов поглощения по закону Бугера — Ламберта — Бера, квантовой эффективности компонентов, а также поволнового перехвата зеленого света красными люминофорами.
Сложение прошедшей синей накачки и переизлученных спектров с учетом весовых коэффициентов для интерактивного подбора пропорций смеси.
Анализ данных
Поглощение света
Итоговый спектр
Для получения оптитмального состава гель-люминесцентной смеси была написана интегральная модель на языке программирования Python, способная на основе концентраций исходных компонентов смоделировать предполагаемый спектр светодиода
Определили для белых светодиодов с квантовыми точками:
Оптимальный состав ГЛС (рецепт)
Квантовую эффективность
Индексы цветопередачи

Разработали демонстрационную модель работы белых светодиодов с квантовыми точками с устройством ШИМ для снижения температурного режима их работы.
~120
>1000
400+
Часов работы над проектом
Светодиодов было изготовлено
Светодиодов с квантовыми точками
Итоги
Т = 1801 К , CRI = 86
T = 2848 К , CRI = 90
Т = 4496 К , CRI = 87
Т = 4337 К , CRI = 87
Т = 5923 К , CRI = 79
Т=5977 К ,CRI = 75
Наша работа
Наши партнеры:
Связаться с нами: