Для разработки систем с использованием LED и OLED нужны новые материалы

LED и OLED

В последние годы системы освещения на основе светодиодов (LED) получили признание на рынке осветительных приборов, а системы на основе органические светодиодов (OLED) только начинают завоевывать популярность среди покупателей. 

Чтобы коммерческое развитие этих технологий продолжалось, должны разрабатываться материалы, которые позволят повысить эффективность работы твердотельных (светодиодных) осветительных систем. Оптические характеристики существующих систем на основе LED и OLED далеки от теоретического максимума. В первую очередь причиной небольшой эффективности является неподходящий показатель преломления, из-за которого увеличиваются потери энергии, избыточное выделение теплоты и сбои в работе приборов. Такие материалы, как нанокомпозиты с высоким показателем преломления, могут значительно увеличить светосилу. Такие материалы уже разрабатываются и проходят тестирования.

Светодиодные материалы должны иметь высокий показатель преломления, высокую оптическую прозрачность и стабильность при условиях работы устройства. Материалы также должны быть долговечными и подходить для внедрения в современные производственные процессы. Кремнийорганические материалы (силиконы) уже давно используются для создания капсул для ярких светодиодов – они обладают высокой прозрачностью и стабильностью при рабочих температурах. Однако кремнийорганические материалы обычно имеют показатель преломления не выше 1,5, что недостаточно для эффективной работы приборов. Также кремнийорганические материалы используются как матрица для фосфоров, которые меняют голубой цвет LED-элемента на белый. Поскольку фосфоры обладают более высоким показателем преломления (обычно ~1,8), чем кремнийорганические соединения, они могут быть причиной нежелательного рассеяния и потери светового потока.

Прозрачные материалы с высоким показателем преломления, такие как диоксид циркония, являются перспективными материалами для разработки решений на основе светодиодных технологий. Эти материалы в течение долгого времени не могли использоваться в электронике, поскольку требовали использования сложных методов осаждения при высоких температурах и с использованием дорогостоящего оборудования. Однако нанокристаллы диоксида циркония могут объединяться с кремнийорганическими веществами с образованием нанокомпозитов, которые значительно облегчают внедрение материалов в производство электроники. 

Технический специалист работает над созданием нанокристаллов диоксида циркония в лаборатории

Нанокомпозитные вещества сочетают полезные свойства неорганических соединений и полимеров. Для капсулирования светодиодов подходящий нанокомпозит будет состоять из нанокристаллов диоксида циркония в кремнийорганическом веществе. Такая технология изготовления капсул позволит повысить показатель преломления на 0,1-0,2, что приведет к увеличению светового потока на 5-10%. Такое же повышение обусловливает использование в качестве основного материала метилфенилсиликона (показатель преломления > 1,5) вместо диметилсиликона (показатель преломления составляет 1,41): индекс преломления материала капсулы увеличивается приблизительно на 0,1. Это приводит к увеличению светового потока белого светодиода на 11%. Дополнительное увеличение показателя преломления метилфенилсиликона может обеспечить добавление нанокристаллов диоксида циркония (показатель преломления 2,2) к силиконовой матрице. Благодаря высокой прозрачности нанокристаллов диоксида циркония в видимом спектре прозрачность и стабильность соединения поддерживаются на высоком уровне.

Чтобы подобрать оптимальный показатель преломления для прибора на основе LED, в полимерную матрицу должно быть внесено значительное количество нанокристаллов. До недавнего времени не удавалось достичь высоких показателей преломления, которые бы приводили к значительному увеличению светового потока. Причиной этого была агломерация из-за низкого уровня. Новые разработки, позволяющие контролировать распределение размеров частиц и количество функциональных групп на поверхности нанокристаллов позволяют получить нанокомпозитные материалы высокого качества.

Для осветительных систем на основе органических светодиодов возможность создания слоев с высоким показателем преломления позволит намного увеличить световой поток осветительного прибора. Помимо высокого показателя преломления эти материалы должны обладать высокой прозрачностью, хорошей химической и температурной стабильностью, быть совместимыми с производственными требованиями, а также соответствовать уровню надежности приборов. При модификации с внутренним извлечением света (Internal Light Extraction) рассеивание искусственных нанокомпозитов может увеличить световой поток лампы на основе OLED более чем в два раза по сравнению с материалом без модификации.

Сегодня нанокомпозиты диоксида циркония могут быть достаточно просто внесены в широкий спектр полимеров, использующихся в промышленности, включая акрилы и силиконы. Легкость внесения обусловлена простотой изменения количества функциональных групп на поверхности материала. Для светодиодов показатель преломления может быть увеличен на 1,65 при массовой доле нанокристаллов, составляющей 80%, и без потерь прозрачности. Кроме того, материалы стабильны при обработке и рабочих температурах ярких светодиодов. Такое повышение показателя преломления позволит значительно снизить потери светового потока. При одинаковом уровне энергоснабжения LED-приборы на основе новых материалов позволят получить световой поток на 5-10% больше, чем при использовании традиционных материалов. Для приборов на основе OLED повышение эффективности будет еще более значительным. Поскольку новые материалы уже проходят испытания, новое поколение светодиодных осветительных приборов уже скоро позволит повысить эффективность и снизить стоимость освещения. 

Возврат к списку

Хотите подписаться на статьи электронного журнала "Электрорешения"?