ペリレン色素による LED スペクトル出力の強化

Scientific Reports volume 13、記事番号: 10841 (2023) この記事を引用

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LED は、高効率で幅広いスペクトル出力を提供します。 ただし、緑色および黄色の波長を備えた固体 LED の効率は、適切な直接バンドギャップ材料が不足しているため、かなり低くなります。 ここでは、ソリッドステート緑色 LED の 38% と比較して、48% という高い壁プラグ効率を生み出す、ペリレン強化緑色 LED を紹介および開発します。 ペリレン強化赤色 LED の壁面プラグ効率は固体赤色 LED の効率よりもまだ低いですが、リモート蛍光体カラーコンバーターが園芸照明の可視スペクトル全体にわたってターゲットを絞ったスペクトル調整に効果的なソリューションであることを実証します。 この研究では、既存の白色 LED を改造し、スペクトル出力調整によって光合成を強化し、より高い赤と青の比率を達成します。 私たちの結果は、4 か月の成長サイクル後に植物の成長が最大 39% 大幅に改善されたことを示しています。 400 mA の電流による連続照明下でも、カラーコンバーターの目に見える劣化は観察されません。 これにより、ペリレンベースのカラーコンバーターを使用して高輝度の調整可能な照明を実現する新たな機会が開かれます。

人工照明は白熱電球から蛍光灯、発光ダイオード（LED）へと進歩してきました。 人類は、エネルギー効率の向上という点でこの技術進歩の恩恵を受けているだけでなく、モバイル ガジェットやラップトップ、プロジェクター、光通信、さらには農業用の照明など、アプリケーションの範囲が急増しています 1,2。いくつか。 ただし、LED の最も印象的な特徴の 1 つは、幅広い色を提供できることです。 これは、異なるバンドギャップを持つ異なる半導体材料を活性発光材料として使用し、異なる発光色を生成することによって実現されます。 これは、蛍光灯のような広帯域光源にフィルターを適用して目的の色を得るという概念とは異なりますが、その結果エネルギーの損失が発生します。

それにもかかわらず、LED には「グリーン ギャップ」と呼ばれる問題があります 3,4。これは、発光層に適切な直接バンドギャップ材料が不足していることに起因します。 一般に、530 ～ 580 nm (つまり緑色から黄色) の範囲の固体 LED は、青色および赤色 LED と比較して、放射効率の点で性能が劣ります。 青色と赤色の LED の効率は 50% 以上ですが、緑色と黄色の LED の効率は 40% 未満とかなり低いです4。 緑色固体 LED の低効率を克服する 1 つの方法は、オンチップまたはリモートのカラーコンバーターのいずれかである蛍光体を適用することです。 これらの技術はすでに多くの LED 製品で利用されています。 白色 LED は、オンチップ蛍光体 (黄色 Ce:YAG5,6 など) が埋め込まれた青色 LED を使用して生成できます。 蛍光体変換白色 LED は、高い演色評価数 (CRI) と 100 lm/W7 の高効率で自然な色を生成することが示されています。 Nanoco は、白色 LED に赤色量子ドットを導入して、高い CRI8 の温白色 LED を製造しました。 別の例としては、最新のディスプレイ技術である QD-OLED9、10 における青色有機 LED (OLED) のカラーコンバーターとして緑と赤の量子ドット (QD) を使用することが挙げられます。 ここでは、特定の種類の有機色素 (ペリレンベースの色素 11、12、13) を使用することで、緑色 LED のコンセント効率を向上できることを示します。 ペリレンベースの色素は、紫外可視スペクトルで強い光吸収、高いフォトルミネセンス量子収率（PLQY）、および高い光化学的および熱的安定性を示すことがわかっているため、ペリレンベースの色素を選択します14、15、16、17。 ペリレンベースの染料はポリマーマトリックスホストに導入されてリモート蛍光体を形成し、LED チップから 4 mm の距離に配置されます。 リモート蛍光体が LED の近くに取り付けられるこの構成では、LED は蛍光増強 LED または略して F-LED と呼ばれ、リモート蛍光体は蛍光色コンバーター (FCC) と呼ばれます。