Nanoparticelle per aumentare l’efficienza dei LED

Nanoparticelle per aumentare l’efficienza dei LED e la resa del colore

 

Sono molti gli aspetti che determinano le prestazioni di un LED, uno di questi spesso sottovalutato, è il rivestimento protettivo del LED, chiamato in termini tecnici incapsulante.L’incapsulante non solo protegge la parte sensibile del LED ma spesso funziona anche come ottica primaria o come convertitore di colore. Un gruppo di ricercatori americani ha sviluppato un materiale incapsulante composto da nano particelle di ossido di zirconio che migliora l’estrazione della luce ed apre la strada ad un migliore controllo della conversione dei colori.

 

Ingegnerizzazione dell’indice di rifrazione

Ogni materiale ha un indice di rifrazione che determina il comportamento della luce quando lo attraversa (l’aria ha indice, n = 1, i materiali più “pesanti” hanno indice, n = 2, 3 o superiore). La condizione ideale per trasmettere la luce è quella di passare in un materiale, o “mezzo” (solido, liquido o gas), con indice simile o superiore. Se invece l’indice cala parte della luce viene riflessa e persa. Per questo motivo inizialmente come incapsulante si utilizzava un materiale epossidico, caratterizzato da un alto indice di rifrazione ma presto si è passato ai siliconi a basso indice poichè l’epossidico col tempo ingialliva per via dell’esposizione prolungata alle lunghezze d’onda inferiori ai 500 nm e riduceva drasticamente le prestazioni del LED.

I materiali semiconduttori di cui è composto il LED hanno indici tra 2,3 e 3,3, e l’incapsulante in silicone ha indice 1,4. Sono state adottate varie tecniche per minimizzare questa differenza, una di queste è l’aggiunta di nano particelle trasparenti di materiali inorganici ad alto indice nell’incapsulante. Utilizzando nano particelle di biossido di titanio (TiO2) si era ottenuto, ad esempio, un indice di 1,8 ma il composto presentava una scarsa stabilità ottica, riducendo la vita del LED. I ricercatori, con l’aiuto dell’ingegneria avanzata hanno sviluppato delle nano particelle di ossido di zirconio (ZrO2) con un’elevata stabilità foto-termica e trasparenza ottica e pubblicato i risultati della ricerca ad aprile 2016.

La particelle di Ossido di Zirconio hanno dimensioni inferiori ai 10 nanometri (nm) e indice di rifrazione, n=2,2. Inserite nel silicone (n= 1,41) portano l’indice del composto attorno a 1,52, aumentando la trasmissione della luce del 7%. Poichè l’indice di rifrazione complessivo dipende dalla quantità di nano particelle, questa tecnica può essere utilizzata anche per realizzare delle nano lenti e per controllare l’uniformità del colore.

 

Conversione del colore

Lo studio dei ricercatori ha dimostrato anche la possibilità di attaccare alla superficie delle nano particelle delle molecole di colorante fluorescente organico. Queste molecole rappresentano un’alternativa promettente ai fosfori inorganici utilizzati oggi per convertire la luce generata nella giunzione del LED ed ottenere la luce bianca. La deposizione controllata di queste molecole permette indici di resa cromatica, CRI, superiori a 90, alta uniformità di colore ed una selezione accurata della temperatura di colore.

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