معظم معيار الإضاءة اليوم “أبيض” LED مصابيح حوض السمك تستخدم أشباه الموصلات INGAN لإبعاد الضوء في الجزء الأزرق من الطيف, جنبا إلى جنب مع عقيق الألومنيوم الإيتريوم (ياج) الفوسفور (مخدر بالسيريوم). يمتص الفوسفور الفوتونات الزرقاء لمعظم مصابيح LED، ثم يُعاد بثها في الجزء الأصفر من الطيف. يوفر مزيج الفوتونات الزرقاء المتبقية والإضاءة الصفراء تقريبًا جيدًا للضوء الأبيض للعين.
يعد هذا المزيج من LED والفوسفور تقنية مجربة ذات أداء جيد ولكنها ليست مثالية. العيب الواضح لهذا المصباح هو عدم وجود مكونات الضوء الملون ذات الصلة باللون الأحمر. درجة حرارة اللون (CCT) الضوء المنبعث من هذا الصمام ضعيف نسبيًا ومؤشر تجسيد اللون (CRI) منخفضة نسبيا. سيؤدي دمج فوسفور YAG مع مواد أخرى إلى زيادة التلألؤ الأحمر, مما يؤدي إلى توافر “دافيء” ضوء النبات الأبيض بقيادة, ولكن على حساب الفعالية التي تم الحصول عليها بشق الأنفس.
تتناول هذه المقالة كيفية جعل الفوسفور يعمل في إضاءة أحواض السمك بمصابيح LED لمواجهة التحديات, ثم يدرس كيفية تأثير أبحاث الفوسفور على كفاءة إضاءة الحالة الصلبة, CCT وCRI.
ما هو ياغ الفوسفور
YAG هي مادة كيميائية احترافية تحتوي على نسبة عالية من الفوسفور ويمكن أن تزيد من سطوع LED. تحتوي المادة على عنصر السيريوم الأرضي النادر (المسمى علمياً Y3Al5O12: سي 3 +). تم تصنيعه لأول مرة في 1967. تم الحصول على طريقة التوليف من خلال تحسين عملية مادة الفوسفور CRT.
مبدأ عمل الفوسفور YAG
المبدأ المحدد هو أن الفوتونات الزرقاء المنبعثة من LED الأزرق يتم امتصاصها بواسطة الإلكترونات الخارجية للجزيئات أو الذرات المكونة في فوسفور YAG. تحتوي الإلكترونات التي تمتص طاقة الفوتون على طاقة أعلى وأسرع, وسوف تنتقل إلى منطقة الطاقة العليا. هذه العملية تسمى انتقال الإلكترون. سيتم إطلاق الطاقة في عملية انتقال الإلكترون إلى حالة مستقرة جديدة, الفوتونات ذات الأطوال الموجية الأطول من الفوتونات الممتصة (أحمر قليلا, بعضها أخضر وعدد كبير من الأصفر), سيتم تشعيع أجزاء أخرى من الطاقة كطاقة حرارية, وسوف تتغير الإلكترونات من الحالة النشطة إلى الحالة المستقرة.
مبدأ توليد الضوء الأبيض لضوء حوض السمك LED للنباتات
يتم الجمع بين التوهج الأصفر الرئيسي لفوسفور YAG والإشعاع الأزرق مباشرة من ضوء النبات LED من خلال YAG:طلاء سي “تسرب”, والذي يمكن أن يكون تقريبًا جيدًا للضوء الأبيض, الذي يحول الضوء الأزرق إلى “الضوء الأبيض” من خلال امتصاص وإعادة انبعاث الفوسفور. وتسمى هذه الظاهرة تحول ستوكس, سميت على اسم الفيزيائي الأيرلندي جورج ج. ستوكس, الذي وصف هذا التأثير في ورقة في 1852. يوضح الشكل أعلاه كيف يحدث تحول ستوكس من خلال منحنيات الامتصاص والانبعاث لفوسفور YAG.
مميزات الفوسفور YAG
يوضح الشكل أعلاه منحنى الانبعاث الطيفي النسبي لضوء النبات الأبيض الحديث باستخدام فوسفور YAG (في هذه الحالة, أوسرام أوسلون SSL 150 تنتج الصمام 136 م (الحالي إلى الأمام 350 م, الجهد إلى الأمام 3.1 الخامس), بكفاءة 125 م /ث. الخط المتقطع هو دالة على حساسية العين, مما يشير إلى كيفية استجابة العين للضوء ذو الأطوال الموجية المختلفة. على الرغم من الذروة الأولى (الموافق للفوتون الأزرق مباشرة من LED) هو أكبر, وهو أقل وضوحا لأن العين حساسة للضوء. غير حساس في المقابل, تتمركز الفوتونات المنبعثة من الفوسفور في 560 نانومتر-النقطة التي تشعر فيها العين بالضوء بشكل أفضل.
لأنها تقنية مجربة وتنتج نتائج مقبولة, تمثل خصائص YAG المعيار لفوسفورات LED الأخرى. لا يستطيع فوسفور YAG امتصاص الفوتونات الزرقاء بكفاءة فحسب, ولكن أيضًا يطلق الطاقة بسرعة. بعد أن تمتص الإلكترونات الذرية للفوسفور YAG طاقة الفوتونات الزرقاء, سوف يطلقون الفوتونات والطاقة الصفراء بسرعة, مما يقلل بشكل فعال من ظاهرة التبريد التشبع. هذه هي العملية التي عادة ما تكون الفوتونات المنبعثة “مغمورة” ومنع تدفق الفوتون العالي في مصفوفة الفوسفور من الهروب.
تتمتع فوسفورات YAG بالعديد من المزايا لتطبيقات LED الأخرى. أولاً وقبل كل شيء, يحتوي فوسفور YAG على معدل تحويل فوتون عالي. تحت إشعاع الضوء الأزرق, يمكن تحويل الفوسفور YAG 80% من الطاقة الزرقاء الممتصة إلى ضوء ذو طول موجي أطول. ثانيًا, يتمتع فوسفور YAG بثبات جيد, حتى لو كان متحمسًا بمصباح LED الأزرق لفترة طويلة أو تعرض للهواء لفترة طويلة, ونادرا ما تتحلل. أخيراً, إن تصنيع فوسفور YAG بسيط نسبيًا والتكلفة منخفضة نسبيًا. معظم المواد المستخدمة هي مواد تستخدم في تصنيع الفوسفور التقليدي CRT, بما في ذلك المواد الخام الكيميائية عالية النقاء Y2O3, Al2O3, CeO2, إلخ.
عيوب الفوسفور YAG
على الرغم من الأداء المثبت لمصابيح LED, فوسفورات YAG ليست مثالية. هناك مشكلتان عمليتان “تبريد درجة الحرارة” والاستقرار الكيميائي المنخفض نسبيا. من الصعب فهم سبب تبريد درجة الحرارة, ولكن بشروط الشخص العادي, ستتسبب زيادة درجة الحرارة في قيام الإلكترونات عادة بامتصاص الفوتونات الزرقاء (ثم ينبعث منها اللون الأصفر) “مفتقد” (بعبارة أخرى, تتأين الذرات). سوف يتأثر فوسفور YAG بتبريد درجة الحرارة عند حوالي 200 درجة مئوية, ولن يتعرض مؤشر LED لدرجة حرارة عالية بشكل غير طبيعي أثناء التشغيل العادي. فضلاً عن ذلك, يحد الاستقرار الكيميائي المنخفض للمادة من عمر LED (يتم تعريفها على أنها النقطة التي ينخفض عندها لمعان الجهاز), مما يقلل من العائد بنسبة 70% عندما يكون جديدا. تدحض الشركة المصنعة هذه الحجة من خلال الإشارة إلى أن ضوء المصنع الأبيض الحديث يمكن أن يعمل من أجله 30,000 ساعات أو أكثر, لكن الباحثين يقولون أن هذا يقاس تحت “مثالي” ظروف التشغيل, وعدم الاستقرار الكيميائي قد يؤثر على البيئات القاسية على أداء المعدات المستخدمة.
لكن, ولعل التحدي الأكبر الذي يواجه فوسفورات YAG هو التحدي الجمالي. يحرص مصنعو الإضاءة ذات الحالة الصلبة على إقناع المستهلكين بقبول هذه التكنولوجيا, ولكن الشكوى الشائعة هي أن “المبهر” الضوء الذي ينتجه ضوء النبات الأبيض LED لا يحتوي تقريبًا على أي شيء “الدفء” جلبتها الإضاءة المتوهجة التقليدية. ويرجع هذا الشعور إلى حقيقة أن الفوسفور ينتج YAG “أزرق” الضوء الأبيض مع محتوى الضوء الأحمر القليل. والنتيجة خفيفة مع CCT عالية (5000 إلى 8300 ألف). يمثل عدم وجود طول موجي أحمر كبير مشكلة أخرى لأجهزة الفوسفور YAG: الفقراء CRI. CRI هو مقياس للدرجة التي يعيد بها مصدر الضوء المضيء إنتاج لون الجسم مقارنة بأشعة الشمس (CRI هو 100). رغم النواقص الواضحة, CRI للمصباح المتوهج على وشك 95. في المقابل, عادةً ما يحتوي ضوء النبات LED الأبيض البارد على CRI 70 ل 80.
توليد الضوء الأحمر في ضوء حوض السمك LED للنباتات
LED المصنّعين لقد حلت تحديات CCT وCRI إلى حد ما, خلط فوسفور YAG مع فوسفور آخر ذو طول موجي أحمر مضاف لتمديد CCT إلى المناطق الأكثر دفئًا وتحسين CRI. يمكن أن يؤدي استبدال مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية بمصابيح LED الزرقاء إلى تحسين CCT وCRI. توفر الشركات المصنعة LED التجارية منتجات الأشعة فوق البنفسجية لهذا الغرض. على سبيل المثال, تقدم شركة Philips Lumileds نسخة للأشعة فوق البنفسجية من Luxeon LED. يصدر الجهاز طولًا موجيًا بين 395 و 400 نانومتر, والحد الأدنى لكثافة الإشعاع عند 500 أماه هو 525 ميغاواط / ريال. (بسبب عدم قدرة العين على رؤية الأشعة فوق البنفسجية, شدة الإشعاع (واط/ستيراديان) يتم تقييم مصابيح LED للأشعة فوق البنفسجية بدلاً من الكفاءة الأكثر شيوعًا (م/ث) البيانات التي استشهد بها المصابيح البيضاء.)
العيب الرئيسي للإضافة “أحمر” الفوسفور هو انخفاض كفاءة LED. لجعل الأمور أسوأ, عتبة التبريد لدرجة حرارة الفوسفور الأحمر أقل من عتبة الفوسفور YAG, مزيد من تقليل كفاءة درجة حرارة التشغيل LED النموذجية.
مصباح حوض السمك MOKOLight الأبيض LED للنباتات لديه جهد تشغيل يبلغ 350 أماه و 2.85 الخامس, ولكن الأبيض البارد (5000 ك) الإصدار لديه لمعان 135 م وفعالية 135 م/ث, بينما سطوع الأبيض الدافئ (2700 ك) هو على التوالي 97 م و 97 م/ث. بالمقارنة مع الأجهزة البيضاء الرائعة, تظهر المنتجات البيضاء الدافئة من الشركات المصنعة الأخرى كفاءة منخفضة مماثلة. يوضح الشكل أعلاه الفرق بين CCT وCRI لمصباح LED الأزرق وفوسفور YAG, وخليط من الأشعة فوق البنفسجية LED والفوسفور YAG والفوسفور الأحمر.
الجهود المبذولة لتحسين كفاءة الفوسفور
في الخمس عشرة سنة الماضية, لقد كان السعي لتحقيق كفاءة LED عاملاً رئيسياً في تطوير مكونات الإضاءة ذات الحالة الصلبة لكبرى الشركات المصنعة. تم إحراز تقدم كبير في الجيل الأولي من الفوتونات واستخراج الفوتونات من القالب. آخر شيء يريده المصنعون هو كفاءة التحويل المنخفضة نسبيًا للفوسفور الأحمر, مما يؤثر على لمعان مصابيح LED البيضاء الدافئة.
يستثمر المصنعون المزيد من الوقت والخبرة في البحث عن مواد فوسفورية جديدة, على أمل الحصول على الفوسفور مع معدل تحويل بصري أعلى, ويمكن للفوسفور أن ينبعث المزيد من الضوء الملون وأن يكون له عرض أفضل للألوان. المنتجات المرشحة الواعدة هي مواد النتريدات والأوكسينيتريد, والتي تستخدم عنصرًا نادرًا آخر من معدن اليوروبيوم (الاتحاد الأوروبي) ليحل محل خصائص التألق الكهربائي للسيريوم. يمكن إثارة العديد من هذه الفوسفورات الجديدة باستخدام مصابيح LED أرجوانية أو زرقاء ومطابقة الغرفة بالكفاءة الكمومية ذات درجة الحرارة العالية لـ YAG: الفوسفور سي. فضلاً عن ذلك, لن يتحلل فوسفور النتريد في ظل ظروف درجات الحرارة المرتفعة/الرطوبة العالية, لذلك فهو مناسب لإضاءة LED في البيئات القاسية.
سلسلة من فوسفورات أكسيد النيتروجين عالية الكفاءة هي MSi2O2N2: الاتحاد الأوروبي 2 + (حيث م = كاليفورنيا 2 +, الأب 2 +, با 2 +) تعبير, مع نطاق الانبعاثات 575 ل 675 نانومتر, عند درجات حرارة تتجاوز 200 درجة مئوية , الكفاءة الكمية أكبر من 85% (الشكل أعلاه). الأصفر, الاتحاد الأوروبي البرتقالي والأحمر 2 + يتم دمج الضوء الملون المتحول بواسطة فوسفور النتريد مع الضوء الأخضر الناتج عن YAG. يتمتع الضوء الأبيض المركب بدرجة حرارة لون أفضل وتجسيد لون أعلى من الضوء الأبيض المركب مسبقًا. في الوقت الحالي, الضوء الأبيض الدافئ الموجود في السوق مصنوع بشكل أساسي من خليط فسفوري من كالسين 3: الاتحاد الأوروبي 2 + و ياج: CE جنبا إلى جنب مع LED الأزرق.
أحد العيوب هو أنه على الرغم من أن هذه المواد الجديدة لديها إمكانات كبيرة, إن تصنيعها أصعب بكثير من الفوسفورات التقليدية. لكن, هذا لم يمنع بعض الشركات المصنعة المغامرة من تسويق فوسفور النتريد. أضافت شركة Intematix مواد نيتريد حمراء إلى خط إنتاج الفوسفور الخاص بها 2011. يتم استخدام فوسفورات الشركة في مصابيح LED البيضاء الدافئة عالية الكفاءة للإضاءة العامة, تزويد العملاء بحوافز إضافية لحمايتهم من بعض مشكلات ترخيص براءات الاختراع.
تدعي الشركة أن الفوسفور الجديد سيمكن سوق الإضاءة من إنشاء تطبيقات بيضاء دافئة بكفاءة أعلى ونسبة CRI أعلى (ما يصل الى 98) من حلول الفوسفور YAG التقليدية. ويقال أن استخدام هذا النوع الجديد من الفوسفور يسمح للعملاء بذلك (قانونيا) التحايل على بعض براءات الاختراع المتعلقة باستخدام فوسفور YAG, وإلا فإنه سوف يتحمل رسوم الترخيص.
آفاق تطوير ضوء الفلورسنت LED لحوض السمك النباتي
ضوء نبات LED أبيض دافئ عالي الكفاءة على وشك أن يتم إطلاقها. بينما يحاول المصنعون إقناع المستهلكين بأن إضاءة الحالة الصلبة تعد بديلاً عمليًا للإضاءة التقليدية, تم تحسين فعالية مصابيح LED بشكل كبير. لكن, من الصعب العثور على مزيد من النمو في إنتاج الفوتون واستخراج الضوء, لذا فإن مصنعي مصابيح LED يحولون انتباههم بشكل متزايد إلى جوانب أخرى من خصائص الشريحة للحصول على أداء أفضل.
جانب واحد هو الفوسفور, خاصة تلك المستخدمة لإضافة أطوال موجية حمراء إلى مخرجات ضوء النبات الأبيض لجعل الجهاز يبدو أكثر دفئًا. لقد قامت الحلول التقليدية بتوسيع CCT وCRI للمنتج لتلبية احتياجات المستهلكين’ الاحتياجات لخيارات درجات الحرارة المختلفة واستنساخ الألوان الدقيق, ولكنه ينفي بعض الآثار التي تم تحقيقها بشق الأنفس نتيجة إدخال تقنيات أخرى. من المتوقع أن تنتج الفوسفورات المعتمدة على نيتريدات وأوكسينيتريدات المشبعة باليوروبيوم مواد جديدة ذات CCT وCRI جيدة, ولكن مع كفاءة الكم قابلة للمقارنة (أو أفضل) إلى فوسفور YAG النقي المستخدم في مصابيح LED البيضاء الباردة الحديثة عالية الكفاءة. يتم الآن طرح بعض المواد في السوق, وينبغي للمهندسين أن يتوقعوا إطلاق جيل جديد من مصابيح LED البيضاء الدافئة الأكثر كفاءة قريبًا.
