Groen licht voor witte leds

Licht-uitstralende diodes of leds vind je de laatste jaren op veel plaatsen: je gsm of smartphone, televisietoestellen en verlichting. De voornaamste redenen hiervoor zijn hun laag energieverbruik, lange levensduur en onverwoestbaarheid. Voor de meeste toepassingen heb je geen gekleurd, maar wit licht nodig. In witte leds worden zogenaamde luminescente materialen of fosforen gecombineerd tot het gewenste wit wordt verkregen. Fosforen zijn, met hun kleurrijke lichtemissie, een cruciaal onderdeel van witte leds. Het is daarom belangrijk om hun werking grondig te begrijpen om maximaal efficiënte fosforen met de perfecte kleurkarakteristiek te ontwikkelen.

Luminescentie

Luminescente materialen of fosforen zijn vaste stoffen die licht van een bepaalde kleur omzetten in licht van een andere kleur, bijvoorbeeld violet in oranje. Fluorescerende mineralen zijn een luisterrijk voorbeeld van natuurlijke fosforen.

Fosforen kunnen ook synthetisch gemaakt worden. Ze bestaan uit een materiaal waarin doelbewust een kleine hoeveelheid onzuiverheidsatomen worden gebracht. Het zijn die onzuiverheden of dopanten die verantwoordelijk zijn voor de lichtemissie. Fosforen maken is een beetje zoals koken. Enkel door goede combinaties tussen gastmaterialen (zoals oxiden, sulfiden, fluoriden, …) en onzuiverheden (dikwijls zijn dit exotische chemische elementen zoals europium, cerium, …) te maken, kan een gepaste fosfor ontwikkeld worden voor de beoogde toepassing, zoals de verlichting van je woonkamer.

Leds

Onderzoek naar milieuvriendelijke en energiezuinige technologieën doet men tegenwoordig meer en meer. Een treffend voorbeeld van die tendens is het gebruik van licht-emitterende diodes (leds) in de verlichting. Sinds de uitvinding van de gloeilamp in 1879 is er een veelheid aan verlichtingstechnologieën gekomen en gegaan. De leidraad doorheen deze geschiedenis is de zoektocht naar een efficiënte lichtbron die kleuren natuurlijk weergeeft. Zo wil je dat een nieuwe broek in de winkel dezelfde kleur vertoont als in het zonlicht.

Witte leds zijn uitgegroeid tot een volwassen technologie die niet meer onder hoeft te doen voor traditionele verlichtingsbronnen zoals gloei- en halogeenlampen of fluorescentielampen zoals tl-buizen of spaarlampen. Als je in Amerika 40% van alle gloeilampen zou vervangen door leds, dan kan je 140 energiecentrales sluiten!

Ook in de beeldschermtechnologie heeft de witte led het landschap hertekend. Led-backlights in lcd-schermen zijn standaard in gsm’s, tablets en notebooks. Bovendien hebben led-tv’s de vorige generatie lcd-tv’s en de eens zo populaire televisies met plasmaschermen nagenoeg weggeconcurreerd.

Om witte leds te maken, zijn meerdere bouwstenen noodzakelijk. De verschillende componenten worden gekozen om de prestaties van het eindproduct te optimaliseren.

Wit licht

Sir Isaac Newton wist al in de 17e eeuw dat wit licht bestaat uit alle kleuren van de regenboog. Een witte led dient dus ook al deze kleuren uit te stralen.

Een led bestaat uit een aaneenschakeling van twee verschillende types halfgeleiders. Het licht dat hiermee geproduceerd wordt, bestaat slechts uit één kleur van de regenboog. Zo bestaan er rood-, geel-, groen- of blauw-stralende leds, maar geen witte. Hier maken fosforen hun intrede. Witte leds bestaan uit een blauw-stralende diode, gecombineerd met een rode en een groene fosfor. Die fosforen absorberen een gedeelte van het blauwe licht en zetten dat om in rood en groen licht. Het licht van deze drie componenten mengt zich tot wit licht.

De eerste witte leds vertoonden een blauwachtige schijn die veel gebruikers kil en onaangenaam vonden. De reden voor deze kinderziekte is dat er slechts één (gele) fosfor gebruikt werd in combinatie met de blauwe diode. Bij moderne warm-witte leds worden dus een groene én een rode fosfor gebruik in plaats van één gele.

Groene fosforen

In dit onderzoek werden verschillende groene fosforen gemaakt en bestudeerd om uit te maken of ze geschikt zijn voor toepassing in witte leds.

Een noemenswaardig materiaal dat op de voorgrond getreden is, heet europium gedoteerd strontiumthiogallaat. Deze fosfor vertoont een opmerkelijk verzadigde, zuiver groene kleur. Dat is een zeldzame eigenschap die zeer wenselijk is voor zowel verlichtings- als beeldvormingstoepassingen. Dit materiaal absorbeert optimaal het licht van een blauw-stralende diode en ondervindt geen hinder van de temperatuursverhoging die het ondergaat in de led-verpakking.

Helaas is er ook een geurtje aan deze groener-dan-groene fosfor. Bij contact met vochtige lucht breekt dit materiaal chemisch af. Hierbij komen gassen zoals waterstofsulfide, met een kenmerkende stank van rotte eieren, vrij.

Gelukkig heeft men dit euvel opgelost door een flinterdun laagje doorschijnend saffier rondom de poederdeeltjes te brengen. Dankzij die behandeling zijn de fosfordeeltjes niet meer vochtgevoelig en kan deze veelbelovende fosfor toch nog gebruikt worden in witte leds.

Perspectieven

Hoewel witte leds voor een revolutie in verschillende sectoren zorgden, staat de technologie nog niet op punt.

Om ultra-efficiënte leds te ontwerpen, is het onontbeerlijk om naast zuiver groene ook verzadigd rode fosforen te ontwikkelen. Bij bestaande rode materialen is de kleur nog niet voldoende zuiver.

De efficiëntie waarmee fosforen de kleur van licht omzetten, is een belangrijke grootheid. Idealiter zet een fosfor al het geabsorbeerde blauwe licht om in rood of groen licht. Dit is in realiteit nooit het geval, maar toch wil men deze idealiteit zo goed mogelijk benaderen. Men kent nu slechts een handvol fosforen die 80% van het geabsorbeerde licht omzetten.

Alle fosforen in de huidige leds zijn gebaseerd op zeldzame aarden als dopant. Hoewel hun naam het doet vermoeden, zijn deze chemische elementen vanuit mineralogisch standpunt niet zeldzaam. Ze komen in de aardkorst evenveel voor als koper, nikkel of zink, maar zijn heel moeilijk te ontginnen en isoleren. Bovendien houdt China, dat over een bijna-monopolie met 95% van de wereldproductie beschikt, de prijs hoog. Onderzoek naar alternatieve dopanten zoals mangaan, koper, … kan goedkopere materialen opleveren.

Nieuwe experimenten moeten helpen om voor deze uitdagingen te slagen. Wat zeker is, is dat de wetenschap van luminescentie onze toekomst en energiefactuur zal verlichten.