La majeure partie d'aujourd'hui’norme d'éclairage « blanc » Les lumières LED d'aquarium pour plantes utilisent des semi-conducteurs InGaN pour émettre de la lumière dans la partie bleue du spectre., combiné avec du grenat d'yttrium et d'aluminium (YAG) phosphores (dopé au cérium). Les photons bleus de la plupart des LED sont absorbés par le phosphore et réémis dans la partie jaune du spectre.. Le mélange des photons bleus restants et de l'éclairage jaune fournit une bonne approximation de la lumière blanche à l'œil.
Cette combinaison de LED et de phosphore est une technologie éprouvée avec de bonnes performances mais pas parfaite. Un inconvénient évident de cette LED est le manque de composants de lumière de couleur liés au rouge.. La température de couleur (TDC) de la lumière émise par cette led est relativement faible et l'indice de rendu des couleurs (IRC) est relativement faible. La combinaison de phosphores YAG avec d'autres matériaux augmentera la luminescence rouge, conduisant à la disponibilité de « chaud » lumière végétale à LED blanche, mais au prix d'une efficacité durement gagnée.
Cet article explique comment faire fonctionner le phosphore pour l'éclairage LED des aquariums de plantes afin de relever les défis., puis examine l'impact de la recherche sur le phosphore sur l'efficacité de l'éclairage à semi-conducteurs, CCT et CRI.
Qu'est-ce que le phosphore YAG
YAG est un matériau chimique professionnel à haute teneur en phosphore et peut augmenter la luminosité des LED. Le matériau contient du cérium, élément de terre rare. (scientifiquement étiqueté Y3Al5O12: Ce3 +). Il a été synthétisé pour la première fois en 1967. La méthode de synthèse a été obtenue en améliorant le processus du matériau phosphore CRT.
Principe de fonctionnement du phosphore YAG
Le principe spécifique est que les photons bleus émis par la LED bleue sont absorbés par les électrons externes des molécules ou atomes constitutifs du phosphore YAG.. Les électrons qui absorbent l'énergie des photons contiennent une énergie plus élevée et plus rapide, et passera à la région d'énergie supérieure. Ce processus est appelé transition électronique. L'énergie sera libérée lors du processus de transition électronique vers un nouvel état stable., Photons avec des longueurs d'onde plus longues que les photons absorbés (légèrement rouge, un peu de vert et un grand nombre de jaune), d'autres parties de l'énergie seront rayonnées sous forme d'énergie thermique, et les électrons passeront d'un état actif à un état stable.
Principe de génération de lumière blanche de la lumière LED d'aquarium pour plantes
La luminescence jaune principale du phosphore YAG et le rayonnement bleu directement de la lumière LED de la plante sont combinés via le YAG:Revêtement CE « fuite », ce qui peut être une bonne approximation de la lumière blanche, qui convertit la lumière bleue en « lumière blanche » par l'absorption et la réémission du phosphore. Le phénomène s'appelle le changement de Stokes, nommé d'après le physicien irlandais George G.. Stokes, qui a décrit cet effet dans un article 1852. La figure ci-dessus montre comment le décalage de Stokes se produit à travers les courbes d'absorption et d'émission des luminophores YAG..
Avantages du phosphore YAG
La figure ci-dessus montre la courbe d'émission spectrale relative de la lumière végétale à LED blanche moderne utilisant des phosphores YAG. (dans ce cas, OSRAM OSLON SSL 150 LED produit 136 lm (courant direct 350 mA, tension directe 3.1 V), avec une efficacité de 125 lm /W. La ligne pointillée est fonction de la sensibilité de l'œil, indiquant comment l'œil réagit à la lumière de différentes longueurs d'onde. Bien que le premier pic (correspondant au photon bleu directement issu de la LED) est plus grand, c'est moins évident car l'œil est sensible à la lumière. Insensible En revanche, les photons émis par le phosphore sont centrés en 560 nm - le point où l'œil perçoit le mieux la lumière.
Puisqu'il s'agit d'une technologie éprouvée qui produit des résultats acceptables, les caractéristiques de YAG représentent la référence pour les autres luminophores LED. Le phosphore YAG peut non seulement absorber efficacement les photons bleus, mais aussi libérer rapidement de l'énergie. Après que les électrons atomiques du phosphore YAG absorbent l'énergie des photons bleus, ils libéreront rapidement des photons jaunes et de l'énergie, ce qui réduit efficacement le phénomène de trempe par saturation. Il s'agit d'un processus dans lequel les photons émis sont généralement « submergé » et empêche le flux de photons élevé dans la matrice de phosphore de s'échapper.
Les phosphores YAG présentent de nombreux avantages pour d’autres applications LED. Tout d’abord, Le phosphore YAG a un taux de conversion de photons élevé. Sous l'irradiation de la lumière bleue, Le phosphore YAG peut convertir 80% de l'énergie bleue absorbée en lumière de longueur d'onde plus longue. Deuxièmement, Le phosphore YAG a une bonne stabilité, même s'il est excité par une LED bleue pendant une longue période ou s'il est exposé à l'air pendant une longue période, il se dégradera rarement. Enfin, la synthèse des luminophores YAG est relativement simple et le coût est relativement faible. La plupart des matériaux utilisés sont des matériaux utilisés pour synthétiser le CRT au phosphore traditionnel, y compris les matières premières chimiques de haute pureté Y2O3, Al2O3, CeO2, etc..
Inconvénients du phosphore YAG
Malgré les performances éprouvées des LED, Les phosphores YAG ne sont pas parfaits. Deux problèmes pratiques sont « trempe à la température » et stabilité chimique relativement faible. La raison de la trempe thermique est difficile à comprendre, mais en profane’conditions, l'augmentation de la température amènera les électrons à absorber généralement les photons bleus (puis émet du jaune) « manquant » (autrement dit, les atomes sont ionisés). Le phosphore YAG sera affecté par une trempe thermique à environ 200°C, et la LED ne connaîtra pas de température anormalement élevée pendant le fonctionnement normal. En outre, la faible stabilité chimique du matériau limite la durée de vie de la LED (défini comme le point auquel la luminosité de l'appareil diminue), ce qui réduit le rendement de 70% quand c'est neuf. Le fabricant réfute cet argument en soulignant que l'éclairage moderne à LED blanches peut fonctionner pendant 30,000 heures ou plus, mais les chercheurs disent que cela est mesuré sous « idéal » conditions de fonctionnement, et l'instabilité chimique peut affecter les environnements difficiles. Les performances de l'équipement utilisé.
Cependant, le plus grand défi auquel sont confrontés les phosphores YAG est peut-être le défi esthétique. Les fabricants d’éclairage à semi-conducteurs souhaitent faire accepter cette technologie aux consommateurs, mais une plainte courante est que le « éblouissant » la lumière produite par la lumière végétale à LED blanche n'a presque pas « chaleur » apporté par l'éclairage à incandescence traditionnel. Cette sensation est due au fait que le phosphore YAG produit « bleu » lumière blanche avec peu de lumière rouge. Le résultat est léger avec un CCT élevé (5000 à 8300K). L'absence d'une longueur d'onde rouge significative introduit un autre problème pour les dispositifs à phosphore YAG: mauvais IRC. L'IRC est une mesure du degré auquel une source de lumière éclairante reproduit la couleur d'un objet par rapport à la lumière du soleil. (L'IRC est 100). Malgré les lacunes évidentes, le CRI d'une ampoule à incandescence est d'environ 95. En revanche, La lumière des plantes à LED blanc froid a généralement un CRI de 70 à 80.
Génération de lumière rouge dans la lumière LED d'aquarium pour plantes
Fabricants LED ont résolu dans une certaine mesure les défis du CCT et du CRI, mélanger le phosphore YAG avec un autre phosphore avec une longueur d'onde rouge ajoutée pour étendre le CCT aux zones plus chaudes et améliorer l'IRC. Le remplacement des LED UV par des LED bleues peut encore améliorer le CCT et le CRI.. Les fabricants de LED fournissent des produits commerciaux Produits UV à cet effet. Par exemple, Philips Lumileds propose une version ultraviolette de sa Luxeon LED. L'appareil émet une longueur d'onde comprise entre 395 et 400 nm, et l'intensité minimale du rayonnement à 500 mA est 525 mW/sr. (En raison de l’incapacité de l’œil à voir la lumière ultraviolette, l'intensité rayonnante (watts/stéradian) des LED UV est évaluée au lieu de l'efficacité plus familière (lm/W) données citées par des LED blanches.)
Le principal inconvénient de l’ajout « rouge » les phosphores sont l'efficacité réduite des LED. Pour aggraver les choses, le seuil de trempe thermique du phosphore rouge est encore inférieur à celui du phosphore YAG, réduisant encore davantage l'efficacité de la température de fonctionnement typique des LED.
La lumière d'aquarium à LED blanche MOKOLight a une tension de fonctionnement de 350 mA et 2.85 V, mais le blanc froid (5000 K) la version a une luminosité de 135 lm et une efficacité de 135 lm/W, tandis que la luminosité du blanc chaud (2700 K) est respectivement C'est 97 lm et 97 lm/W. Par rapport aux appareils blanc froid, les produits blanc chaud d'autres fabricants présentent une faible efficacité similaire. La figure ci-dessus montre la différence entre le CCT et le CRI de la LED bleue et du phosphore YAG, et le mélange de LED UV et de phosphore YAG et de phosphore rouge.
Efforts visant à améliorer l’efficacité du phosphore
Au cours des quinze dernières années, la recherche de l'efficacité des LED a été un facteur clé dans le développement de composants d'éclairage à semi-conducteurs pour les grands fabricants. Des progrès significatifs ont été réalisés dans la génération initiale de photons et l'extraction des photons du moule. La dernière chose que veulent les fabricants, c'est le rendement de conversion relativement faible des luminophores rouges., ce qui affecte la luminosité de leurs LED blanc chaud.
Les fabricants investissent plus de temps et d'expérience dans la recherche de nouveaux matériaux phosphoreux, dans l'espoir d'obtenir des luminophores avec un taux de conversion optique plus élevé, et les phosphores peuvent émettre plus de lumière colorée et avoir un meilleur rendu des couleurs. Les produits candidats les plus prometteurs sont les matériaux nitrures et oxynitrures., qui utilisent un autre métal d'élément rare, l'europium (UE) pour remplacer les propriétés électroluminescentes du cérium. Beaucoup de ces nouveaux luminophores peuvent être excités par des LED violettes ou bleues et correspondre à la pièce avec l'efficacité quantique à haute température du YAG.: Phosphores Ce. En outre, le phosphore du nitrure ne se dégradera pas dans des conditions de température/humidité élevée, il convient donc à l'éclairage LED dans des environnements difficiles.
Une série de phosphores d'oxyde d'azote à haute efficacité sont MSi2O2N2: UE 2 + (où M = Ca 2 +, Sr 2 +, Ba 2 +) composition, avec une plage d'émission de 575 à 675 nm, à des températures supérieures à 200°C , L'efficacité quantique est supérieure à 85% (Figure ci-dessus). Le jaune, orange et rouge UE 2 + la lumière colorée transformée par ces nitrures de phosphore est combinée avec la lumière verte générée par YAG. La lumière blanche synthétisée a une meilleure température de couleur et un rendu des couleurs plus élevé que la lumière blanche synthétisée précédemment.. À l'heure actuelle, la lumière blanche et chaude du marché est essentiellement constituée du mélange phosphorescent de caalsin3: UE 2 + et YAG: CE combiné avec LED bleue.
Un inconvénient est que, bien que ces nouveaux matériaux aient un grand potentiel, leur synthèse est beaucoup plus difficile que les luminophores traditionnels. Cependant, cela n'a pas empêché certains fabricants entreprenants de commercialiser des phosphores nitrurés. Intematix a ajouté des matériaux de nitrure rouge à sa gamme de produits au phosphore en 2011. La société’Les phosphores de S sont utilisés dans les LED blanc chaud à haut rendement pour l'éclairage général, offrir aux clients des incitations supplémentaires pour les protéger de certains problèmes de licence de brevet.
La société affirme que le nouveau phosphore permettra au marché de l'éclairage de créer des applications blanc chaud avec une efficacité plus élevée et un IRC plus élevé. (jusqu'à 98) que les solutions de phosphore YAG traditionnelles. On dit que l'utilisation de ce nouveau type de phosphore permet aux clients de (légalement) contourner certains brevets liés à l’application des luminophores YAG, sinon cela entraînera des frais de licence.
Perspectives de développement de la lumière fluorescente d'aquarium de plantes à LED
Lumière pour plantes à LED blanc chaud à haute efficacité sont sur le point d'être lancés. Alors que les fabricants tentent de convaincre les consommateurs que l'éclairage à semi-conducteurs est une alternative pratique à l'éclairage traditionnel, l'efficacité des LED a été grandement améliorée. Cependant, une croissance supplémentaire dans la production de photons et l’extraction de lumière est difficile à trouver, les fabricants de LED tournent donc de plus en plus leur attention vers d'autres aspects des caractéristiques des puces pour de meilleures performances..
Un aspect concerne les phosphores, en particulier ceux utilisés pour ajouter des longueurs d'onde rouges à la sortie de la lumière blanche des plantes pour rendre l'appareil plus chaud. Les solutions traditionnelles ont élargi le CCT et le CRI du produit pour répondre aux consommateurs’ besoins en différentes options de température et en reproduction fidèle des couleurs, mais annulent certains des effets durement acquis obtenus grâce à l'introduction d'autres technologies. Les phosphores à base de nitrures et d'oxynitrures dopés à l'europium devraient produire de nouveaux matériaux avec de bons CCT et CRI., mais avec une efficacité quantique comparable (ou mieux) aux phosphores YAG purs utilisés dans la lumière LED blanche froide moderne à haut rendement pour plantes. Certains matériaux sont désormais introduits sur le marché, et les ingénieurs devraient s'attendre à ce qu'une nouvelle génération de lampes à LED blanc chaud plus efficaces soit bientôt lancée..
