EuroRood: Warm wit LED licht voor de toekomst

Witte LED lampen veroveren de verlichtingsmarkt. De meest gebruikte combinatie is een blauwe LED met de fosfor YAG:Ce3+ die een deel van het blauwe licht omzet in geel licht. Dit geeft efficiënt, maar onaangenaam ‘koel’ wit licht. Toevoeging van een oranje/rode fosfor verbetert de lichtkwaliteit. Helaas gaat dit samen met een drastische verlaging van de efficiëntie doordat de huidige rode fosforen veel rood licht uitzenden in het dieprode golflengtegebied waar de ooggevoeligheid sterk afneemt. Het doel van dit project is om nieuwe materialen te ontwikkelen die blauw licht absorberen en efficiënt omzetten in smalbandig rood licht. Hiermee kan een LED gemaakt worden met een hoge kwaliteit warme kleur wit zonder veel te hoeven inleveren op de efficiëntie. Het europium ion Eu3+ is de ideale kandidaat voor het uitzenden van smalbandig rood licht waar de ooggevoeligheid hoog is. Helaas absorbeert Eu3+ het blauwe LED licht slecht.
In dit project wordt onderzocht of het Ce3+ ion gebruikt kan worden als sensibilisator voor rode Eu3+ emissie: efficiënte absorptie van blauw licht door Ce3+ gevolgd door energie-overdracht naar Eu3+ dat vervolgens smalbandig rood licht uitzendt. Dit is een veelbelovend concept dat maar beperkt onderzocht is omdat bekend is dat luminescentie in paren van Eu3+ en Ce3+ gedoofd kan worden via een charge transfer toestand. Er is echter weinig onderzoek gedaan naar de afstandsafhankelijk voor deze doving en de invloed van de chemische samenstelling van het gastrooster. In dit project wordt een intensieve haalbaarheidsstudie uitgevoerd naar de sensibilisatie van Eu3+ emissie door Ce3+. Hiertoe wordt de afstand tussen naaste Ce-Eu buren en de covalentie van het gastroosters gevarieerd door beide ionen in te bouwen in diverse anorganische verbindingen. Het verkregen inzicht wordt gebruikt voor het realiseren van efficiëntere warm witte LED lampen en een reductie van het elektriciteitsverbruik voor verlichting en beeldschermen.

Eindrapportage

Witte LED lampen veroveren de verlichtingsmarkt. De meest gebruikte combinatie is een blauwe
LED met de fosfor YAG:Ce3+ die een deel van het blauw licht omzet in geel/groen licht. Dit geeft
efficiënt, maar onaangenaam ‘koel’ wit licht. Toevoeging van een oranje/rode fosfor verbetert de
lichtkwaliteit. Helaas gaat dit samen met een drastische verlaging van de efficiëntie doordat de
huidige rode fosforen een deel van het rode licht uitzenden in het dieprode golflengtegebied waar
de ooggevoeligheid sterk afneemt. Het doel van dit project is om nieuwe materialen te ontwikkelen
die blauw licht kunnen absorberen en efficiënt omzetten in smalbandig rood licht. Hiermee kan een
LED gemaakt worden met een hoge kwaliteit warme kleur wit en hoge efficiëntie. Het Eu3+ ion is de
ideale kandidaat voor het uitzenden van smalbandig rode emissie waar de ooggevoeligheid hoog
is. Helaas absorbeert Eu3+ het blauwe LED licht slecht.
In dit project is onderzocht of het Ce3+ ion gebruikt kan worden sensibilisator voor de rode Eu3+
emissie. Ce3+ kan afhankelijk van het gastrooster goed blauw licht absorberen. Echter, behalve
energie-overdracht naar Eu3+ om de gewenste rode emissie te krijgen, kan er ook doving van de
luminescentie plaatsvinden. Via een Ce4+-Eu2+ metal-to-metal charge transfer toestand kan het
koppel Ce-Eu ook zonder licht uit te zenden terugkeren naar de grondtoestand. Dit is ongewenst.
De interactie die tot deze doving leidt is een korte-afstand interactie maar de precieze rol van
afstand en covalentie van het gastrooster zijn onbekend. Onderzoek naar charge transfer doving
in een groot aantal gastroosters (fluorides en fosfaten) heeft aangetoond dat Ce3+-Eu3+ energieoverdracht mogelijk is over afstanden groter dan ca. 0.5 nm. Op kortere afstand domineert charge
transfer quenching. De nieuwe inzichten zijn belangrijk bij de keuze van geschikte gastroosters voor
Ce-Eu fosforen en helpen ook energieoverdracht tussen Ce3+ en Eu3+ in verschillende nanodeeltjes
te optimaliseren.