techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университетtechusgu-95Research ArticleФИЗИКАPHYSICSВлияние структурных свойств люминофоров на повышение индекса цветопередачи белого светодиодаInfluence of the Structural Properties of Phosphors on the Color Rendering Index of a White LEDhttps://orcid.org/0000-0001-7089-0692КузьменкоА. П.KuzmenkoA. P.

Кузьменко Александр Павлович, доктор  физико-математических наук, профессор,  директор Регионального центра нанотехно- логий

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Aleksandr P. Kuzmenko, Dr. of Sci. (Physics and  Mathematics), Professor, Head of Regional Center for Nanotechnologies

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

apk3527@mail.ruАникинД. П.AnikinD. P.

Аникин Дмитрий Петрович, генеральный директор

Территория Северная промзона, участок 95, г. Армавир 352900

Dmitry P. Anikin, General Manager 

Severnaya Promzona territory, sec. 95/5, Armavir 352900

dmitriy.anikin@rusid.prohttps://orcid.org/0000-0002-1893-1941РодионовВ. В.RodionovV. V.

Родионов Владимир Викторович, кандидат физико-математических наук, старший  научный сотрудник Регионального центра нанотехнологий

ул. 50 лет Октября 94, г. Курск 305040

Vladimir V. Rodionov, Cand. of Sci. (Engineering), Senior Researcher of the Regional Center for Nanotechnology

50 Let Oktyabrya str. 94, Kursk 305040

vovarodionov2009@yandex.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationООО «Русид»РоссияLLC "RUSID"Russian Federation20212904202311393108Copyright © Кузьменко А.П., Аникин Д.П., Родионов В.В., 20232023Кузьменко А.П., Аникин Д.П., Родионов В.В.Kuzmenko A.P., Anikin D.P., Rodionov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/95Цель исследования

Цель исследования. Определить влияния содержания и форм компонентов люминесцентных веществ со структурой граната (LuAG, YAGG, YAG) и вюрцита (SСASN, СASN) на излучательные свойства белых светодиодов.

Методы

Методы. Проведены электронные микроскопические исследования в совокупности с энергодисперсионным и рентгенофазовым анализами порошковых образцов производства ООО «Монокристалл Пасты». Светотехнические параметры определялись с помощью конфокального рамановского и флуоресцентного спектрометра OmegaScope под действием  излучения синего лазера.

Результаты

Результаты. Выстроено корреляционное влияние на флуоресцентные спектры состава порошковых материалов со структурой граната (LuAG, YAGG, YAG) и вюрцита (SСASN, СASN), проведен их анализ и описаны перспективные подходы по усовершенствованию структуры белых светодиодов и повышению индекса цветопередачи. Проведен теоретический расчет содержания красного компонента.

Заключение

Заключение. Основной задачей светодиодного источника в настоящее время является преобразование синего света полупроводникового кристалла типа InGaN в белый свет в широком диапазоне частот. Белые светодиодные лампы, обладающие многообещающими характеристиками, такими как небольшой размер, безопасность, длительный срок службы и световая эффективность, в скором будущем выступят в качестве альтернативы естественному свету вследствие высокого индекса цветопередачи, характеризующего контрастность отображения предметов облучаемым светом. В результате исследований установлено прямое влияние состава и структуры фотолюминесцентных веществ на излучательные свойства светодиода. Так включением галлия в иттрий-алюминиевый гранат длина волны максимума флуоресценции уменьшается от 547 нм до 523 нм. При замещении в нитридном люминофоре стронция кальцием происходит изменение спектра в сторону красных цветов, а именно с 600 до 650 нм. При многокомпонентном люминофоре, включающем наличие нескольких люминофоров, светодиодный источник способен перекрыть весь диапазон частот видимого излучения и соответствовать естественному освещению.

Purpose of research

Purpose of research. Determine the content and forms of components of luminescent substances with the structure of garnet and nitride on the emissive properties of white LEDs.

Methods

Methods. Electron microscopic studies were carried out in conjunction with energy dispersive and X-ray phase analyzes of powder samples, produced by LLC "Monocrystal Paste". Lighting parameters were determined using a confocal Raman and fluorescence spectrometer OmegaScope with blue laser radiation.

Results

Results. The correlation effect of physical and mechanical characteristics on the fluorescence spectra of powder materials with the garnet and nitride structure is built, their analysis and promising approaches to improving the structure of white LEDs and the color rendering index are carried out. The theoretical calculation of the content of the red component has been carried out.

Conclusion

Conclusion. Offering promising characteristics such as small size, safety, long life and luminous efficiency, white LED lamps perform in a high CRI alternative to natural light, which characterizes the contrast in which objects are displayed by irradiated light. The main purpose of the LED source is to convert the blue light of an InGaN semiconductor crystal into white light over a wide frequency range. As a result of the research, the direct influence of the composition and structure of photoluminescent substances on the emissive properties of the LED has been established. Thus, by including gallium in yttrium-aluminum garnet, the wavelength of the fluorescence maximum decreases from 547 nm to 523 nm. When strontium is replaced in the nitride phosphor with calcium, the shape changes towards red, namely from 600 nm to 650 nm. With a multicomponent phosphor, including both phosphors, the LED source crosses the entire frequency range of visible radiation.

люминесцирующие материалысветоизлучающий диодрентгенофазовый анализэнергодисперсионный анализрастровая электронная микроскопияluminescent materialslight-emitting diodeX-ray phase analysisenergy dispersive analysisscanning electron microscopyРабота выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации № 0851-2020-0035.This work was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation No. 08512020-0035.ReferencesHe G., Xu J., Yan H. Spectral optimization of warm-white light-emitting diode lamp with both color rendering index (CRI) et special CRI of R9 above 90 // AIP advances. 2011. Vol. 3, No. 1. P. 032160. https://doi.org/10.1063/1.3644342.He G., Xu J., Yan H. Spectral optimization of warm-white light-emitting diode lamp with both color rendering index (CRI) et special CRI of R9 above 90. AIP advances, 2011. vol. 3, no. 1, pp. 032160. https://doi.org/10.1063/1.3644342.Konnova S. I. Sol-Gel synthesis et investigation of Un-doped et Eu-doped strontium aluminate Sr3Al2O6 // Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XV Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Т. 2. Томск: Изд. дом Томск. гос. ун-та, 2018. С. 147–149.Konnova S. I. Sol-Gel synthesis et investigation of Un-doped et Eu-doped strontium aluminate Sr3Al2O6. Perspektivy razvitiya fundamental'nykh nauk. Sbornik nauchnykh trudov XV Mezhdunarodnoi konferentsii studentov, aspirantov i molodykh uchenykh [Prospects for the development of fundamental sciences. Collection of scientific papers of the XV International Conference of Students, graduate students et young scientists]. Tomsk, Tomsk St. Univ. Publ., 2018, vol. 2, рр. 147–149.Влияние различных плавней на светотехнические параметры YAG: Ce / М. С. Шама, С. Н. Кичук, С. В. Костюков [и др.] // Новые огнеупоры. 2016. Т. 1(8). С. 50–53.Shama M. S., Kichuk S. N., Kostyukov S. V., eds. Vliyaniye razlichnykh plavney na svetotekhnicheskiye parametry YAG:Ce [Influence of various fluids on the lighting parameters of YAG:Ce]. Novye ogneupory = New refractories, 2016, vol. 1 (8), рр. 50–53.Синтез наноструктурированных порошков иттрий-алюминиевого граната, активированного ионами церия, и их применение для формирования наполненных полимерных оптических композитов / О. В. Давыдова, Н. Е. Дробышевская, Е. Н., Подденежный и др. // Хiмiя, фiзика та технологiя поверхностi. 2017. Т. 8(3). С. 289–298.Davydova O. V., Drobyshevskaya N. E., Poddenezhny E. N., eds. Sintez nanostrukturirovannykh poroshkov ittriy-alyuminiyevogo granata, aktivirovannogo ionami tseriya i ikh primeneniye dlya formirovaniya napolnennykh polimernykh opticheskikh kompozitov [Synthesis of nanostructured powders of yttrium-aluminum garnet, activated by cerium ions et their use for the formation of filled polymer optical composites]. Himiya, fizika I tekhnologiya poverchosti = Chemistry, Physics and Surface Technology, 2017, vol. 8, no. 3, рр. 289–298.Xia Z., Meijerink A. Ce3+-doped garnet phosphors: composition modification, luminescence properties et applications // Chemical Society Reviews. 2017. Vol.46(1). P. 275– 299. https://doi.org/10.1039/C6CS00551A.Xia Z., Meijerink A. Ce3+-doped garnet phosphors: composition modification, luminescence properties et applications. Chemical Society Reviews. 2017, vol. 46, is. 1, рр. 275– 299. https://doi.org/10.1039/C6CS00551A.Scintillation et optical properties of YAG:Ce films grown by liquid phase epitaxy / J. A. Mares, A. Beitlerova, M. Nikl [et al.] // Radiation measurements. 2007. Vol. 42, is. 4-5. P. 533–536. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.01.047.Mares J., Beitlerova A., Nikl M., eds. Scintillation et optical properties of YAG:Ce films grown by liquid phase epitaxy. Radiation measurements. 2007, vol. 42, is. 4-5, рр. 533–536. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2007.01.047.High color rendering index white LED based on nano-YAG:Ce3+ phosphor hybrid with CdSe/CdS/ZnS core/shell/shell quantum dots / C. Shen, J. Chu, F. Qian, X. Zou, C. Zhong, K. Li, S. Jin // Journal of Modern Optics. 2012. Vol. 59, is. 14. P. 1199–12.3. https://doi.org/10.1080/09500340.2012.693632.Shen C., Chu J., Qian F. High color rendering index white LED based on nanoYAG:Ce3+ phosphor hybrid with CdSe/CdS/ZnS core/shell/shell quantum dots. Journal of Modern Optics, 2012, Vol. 59, is. (14), рр. 1199–12.3. https://doi.org/10.1080/09500340.2012.693632.YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application / Hui Hua, Feng Shaowei, Zhongyu Ouyang [et al.] // Journal of Advanced Ceramics. 2019. Vol. 8, is. 3. P. 389–398. https://doi.org/10.1007/s40145-019-0321-9.Hua H., Feng S., Ouyang Z., eds. YAGG:Ce transparent ceramics with high luminous efficiency for solid-state lighting application. Journal of Advanced Ceramics, 2019, vol. 8, is. 3, рр. 389–398. https://doi.org/10.1007/s40145-019-0321-9.Low temperature delayed recombination decay in scintillating garnets / E. Mihóková, V. Babin, K. Bartosiewicz [et al.] // Optical Materials. 2015. Vol. 40. P. 127–131. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.12.01.Mihóková E., Babin V., Bartosiewicz K., eds Low temperature delayed recombination decay in scintillating garnets. Optical Materials, 2015, vol. 40, рр. 127–131. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2014.12.011.Crystal structure et optical properties of Lu3Al5O12:Ce3+ obtained by a colloidal chemical synthesis method / S. A. Samoylenko, E. V. Tretyak, G. P. Shevchenko [et al.] // Journal of Applied Spectroscopy. 2015. Vol. 81, is. 6. P. 1048–1055. Кузьменко А. П., Аникин Д. П., Родионов В. В.Samoylenko S. A., Tretyak E. V., Shevchenko G. P., eds. Crystal structure et optical properties of Lu3Al5O12:Ce3+ obtained by a colloidal chemical synthesis method. Journal of Applied Spectroscopy, 2015, vol. 81, is. 6, рр.1048–1055. Кузьменко А. П., Аникин Д. П., Родионов В. В.New insights in the structure-luminescence relationship of Eu:SrAl2O4 / E. Cordoncillo, B. Julian-Lopez, M. Martínez [et al.] // Journal of Alloys et Compound. 2009. Vol. 484, is. 1-2. P. 693–697. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.05.018.Cordoncillo E., Julian-Lopez B., Martínez M., eds. New insights in the structure– luminescence relationship of Eu:SrAl2O4. Journal of Alloys and Compound, 2009, vol. 484, is. 1-2, рр. 693–697. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.05.018.Assessment of strontium oxide functionalized graphene nanoflakes for enhanced photocatalytic activity: A density functional theory approach / A. Divya, T. Mathavan, R. M. Asath [et al.] // AIP Conference Proceedings. 2016. Vol. 1731, is. 1. P. 140024. https://doi.org/10.1063/1.4948190.Divya A., Mathavan T., Asath R. M., eds. Assessment of strontium oxide functionalized graphene nanoflakes for enhanced photocatalytic activity: a density functional theory approach. AIP Conference Proceedings, 2016 no. 1731, is. 1, pp. 140024. https://doi.org/10.1063/1.4948190.Watanabe H., Kijima N. Crystal structure et luminescence properties of SrxCa1−xAlSiN3:Eu2+ mixed nitride phosphors // Journal of Alloys et Compounds. 2009. Vol. 475, is. 1-2. P. 434–439. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.054.Watanabe H., Kijima N. Crystal structure and luminescence properties of SrxCa1− xAlSiN3:Eu2+ mixed nitride phosphors. Journal of Alloys and Compounds. 2009, vol. 475, is. 1-2, рр. 434–439. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.07.054.Maruyama Y., Yanase Y., Watanabe T. Ammonothermal synthesis of chargecompensated SrAlSiN3:Ce3+ phosphor // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2017. Vol. 125, is. 5. P. 399–401. https://doi.org/10.2109/jcersj2.16295.Maruyama Y., Yanase Y., Watanabe T. Ammonothermal synthesis of chargecompensated SrAlSiN3:Ce3+ phosphor. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2017, vol. 125, is. 5, рр. 399–401. https://doi.org/10.2109/jcersj2.16295.Strontium oxide deposited onto a load-bearable et porous titanium matrix as dynamic et high-surface-contact-area catalysis for transesterification / H. Lee, J. D. Liao, M. H. Lee [et al.] // Nanomaterials. 2018. Vol. 8, is. 12. P. 973. https://doi.org/10.3390/nano8120973.Lee H., Liao J. D., Lee M. H., eds. Strontium oxide deposited onto a load-bearable et porous titanium matrix as dynamic et high-surface-contact-area catalysis for transesterification. Nanomaterials, 2018, vol. 8, is. 12, pp. 973. https://doi.org/10.3390/nano8120973.Thermal durability of YAG:Ce ceramic with containing Al2O3 et its Raman analysis / T. Kang, S Lee., J. Kim [et al.] // Journal of Luminescence. 2020. Vol. 222. P. 117077. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117077.Kang T., Lee S., Kim J., eds . Thermal durability of YAG:Ce ceramic with containing Al2O3 et its Raman analysis. Journal of Luminescence, 2020, vol. 222, pp. 117077. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2020.117077.Lasch P., Hermelink A., Naumann D. Correction of axial chromatic aberrations in confocal Raman microspectroscopic measurements of a single microbial spore // Analyst. 2009. Vol. 134, is. 6. P. 1162–1170. https://doi.org/10.1039/B822553B.Lasch P., Hermelink A., Naumann D. Correction of axial chromatic aberrations in confocal Raman microspectroscopic measurements of a single microbial sporе. Analyst, 2009, vol. 134, is. 6, рр. 1162–1170. https://doi.org/10.1039/B822553B.Single crystal growth et crystal structure analysis of novel orange-red emission pure nitride CaAl2Si4N8:Eu2+ phosphor / S. Hasegawa, T. Hasegawa, S. W. Kim [et al.] // ACS omega. 2019. Vol. 4, is. 6. P. 9939–9945. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00606.Hasegawa S., Hasegawa T., Kim S. W., eds Single crystal growth et crystal structure analysis of novel orange-red emission pure nitride CaAl2Si4N8:Eu2+ phosphor. ACS omega, 2019, vol. 4, is. 6, рр. 9939–9945. https://doi.org/10.1021/acsomega.9b00606.Synthesis of Sr0.99Eu0.01AlSiN3 from intermetallic precursor / H. Watanabe, N. Kijima // Journal of the Ceramic Society of Japan. 2009. Vol. 117 (1361). P. 115–119.Watanabe H., Kijima N. Synthesis of Sr0.99Eu0.01AlSiN3 from intermetallic precursor. Journal of the Ceramic Society of Japan, 2009, vol. 117 (1361), рр. 115–119.Two phosphor converted white LED with improved CRI / P. J. Yadav, C. P. Joshi, S. V. Moharil // Journal of luminescence. 2013. Vol. 136, is. 1-4. P. 1-4. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.10.039/Yadav P. J., Joshi C. P., Moharil S. V. Two phosphor converted white LED with improved CRI. Journal of luminescence, 2013, vol. 136, is. 1-4, рр. 1–4. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2012.10.039.Pure white hybrid light-emitting device with color rendering index higher than 90 / G. Cheng, M. Mazzeo, S. D'Agostino [et al.] // Optics letters. 2010. Vol. 35, is. 5. P. 616– 618. https://doi.org/10.1364/OL.35.000616.Cheng G., Mazzeo M., D'Agostino S., eds. Pure white hybrid light-emitting device with color rendering index higher than 90. Optics letters, 2010, vol. 3, is. 5, рр. 616–618. https://doi.org/10.1364/OL.35.000616.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.