КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-73-10179
НазваниеТермостойкие люминофоры с регулируемым спектром излучения для лазерных систем освещения
Руководитель Косьянов Денис Юрьевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" , Приморский край
Конкурс №111 - Конкурс 2025 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными, приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка молодых ученых»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова Керамические люминофоры; Тонкие пленки; Al@RE3(Al,Sc)5O12:Ce3+,Mn2+ (RE=Y, Lu, Tb); Реакционное спекание; Термическое напыление; Со-легирование; Дефекты кристаллической решетки; Пористость; Оптико-термические свойства; Световой поток; Лазерно-индуцированное насыщение люминесценции; Коррелированная цветовая температура; Индекс цветопередачи; Лазерные системы освещения.
Код ГРНТИ61.35.29
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Лазерное освещение имеет ряд преимуществ по сравнению со светодиодным в контексте получения белого света с высокой плотностью люменов: малое падение эффективности синих лазерных диодов (ЛД) с увеличением тока (эффективная плотность входящей мощности ~ 250 Вт/мм2); высокая выходная мощность и яркость, оптическое и высокое дифференциальное усиление; возможность размещения источника света вне осветительного прибора для обеспечения оптимального температурного режима. Поэтому, сверхъяркие белые ЛД привлекают все больший интерес к применению в автомобильных фарах ближнего и дальнего света; прожекторах для авиа-, подводных и надводных аппаратов, в том числе беспилотного типа; при поисково-спасательных работах; и т.д.
Учеными и разработчиками заявляется множество новых типов люминофоров для белых ЛД, включая люминофор в стекле (PiG), оптическую керамику, монокристалл и стеклокерамику. Показано, что керамики на основе ReAG (Re − Y, Lu), имеющие теплопроводность 8-12 Вт/м∙К, высокие показатели температурной прочности и вязкости разрушения, могут быть использованы при высокой мощности накачки, и генерировать яркий белый свет без явного термического тушения интенсивности фотолюминесценции (ФЛ). Вместе с тем, широко-доступные коммерческие керамические зелено-желтые люминофоры Ce:YAG (пик ФЛ при ∼540 нм) и Ce:LuAG (пик ФЛ при ∼515 нм) имеют недостаток сине-зеленой компоненты спектра в области 460-520 нм ввиду сверхузкой (∼2 нм) полосы излучения синего ЛД. В дополнение, малый вклад длинноволновой (красной) компоненты делает невозможным достижение полноцветного освещения (индекса цветопередачи, Ra˃80). Некорректное отображение реального цвета объектов пока ограничивает применение данных люминофоров для большинства приложений.
Наличие высокой Ra возможно только в случае сбалансированного спектрального распределения по всей видимой области – обеспечения больших значений FWHM и расширения области синего излучения. Недостаток в сине-зеленой компоненте может быть компенсирован смещенным в синюю область пиком излучения ионов Ce3+ посредством частичного замещения ионов Al3+ на Sc3+, а оранжево-красное излучение − эффективно дополнено со-допированием Mn2+ и/или Tb3+. Данный подход, очевидно, обогатит спектр. Однако изменение плотности матрицы, как и взаимодействие между различными активными ионами может отражаться в снижении квантовой эффективности, и выраженном эффекте термического тушения интенсивности ФЛ. Поэтому, немаловажной задачей также является необходимость дополнительного повышения термостойкости создаваемых люминофоров.
В Проекте предлагается разработка технологии и создание новой архитектуры на основе ряда керамических люминофоров общего состава RE3(Al,Sc)5O12:Ce3+,Mn2+ (RE=Y, Lu, Tb), покрытых Al-тонкой пленкой. Подход будет включать спекание керамических твердых растворов с последующим односторонним термическим напылением металлизированного слоя. Теплоотводящая пленка будет выполнять функции как организации интерфейса с радиатором (исключение воздушной прослойки с тепловодностью λ~0.026 Вт/м∙К за счет обеспечения сплошности контакта), так и светоотражающего компонента (улучшение эффективности извлечения света). Микроструктурирование керамик будет обеспечиваться применением индивидуальных техник реакционного вакуумного и искрового плазменного спеканий, а также их сочетанием с горячим изостатическим прессованием. Также будет определен оптимальный состав припоя, проведены тепловые расчеты конструкции люминофор−интерфейс−радиатор, данные подтверждены экспериментально. Ожидается, что прототипам источников белого лазерного освещения на основе разработанных преобразователей цвета, работающим в режиме “на отражение”, будут характерны значения светоотдачи LE>100 лм/Вт, коррелированной цветовой температуры CCT~4000÷6500 К при индексе цветопередачи Ra>80 и световом потоке LF>3000 лм. Лазерно-индуцированное насыщение ФЛ не будет наблюдаться вплоть до плотности мощности лазера ~30 Вт/мм2.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения комплекса научно-исследовательских работ ожидается получение новых результатов, имеющих высокую значимость для мировой науки, и направленных на расширение элементной базы отечественной светотехники. В частности:
1. Изложение физико-химических принципов создания перспективных составов керамических твердых растворов общего состава RE3(Al,Sc)5O12:Ce3+,Mn2+ (RE=Y, Lu, Tb) с контролируемыми параметрами микроструктуры и регулируемым спектром излучения;
2. Адаптация технологического цикла термического напыления металлизированного слоя Al в контексте разработки новых архитектур керамических люминофоров;
3. Оптимизация геометрии термостойких преобразователей цвета с точки зрения теплового расчета конструкции люминофор−интерфейс−радиатор;
4. Прототипирование и аттестация сверхъярких источников белого лазерного освещения с высоким индексом цветопередачи на основе разработанных компонент.
В сотрудничестве с ООО “Завод опытного приборостроения” (группа компаний Pandora) будут проведены испытания новых материалов в сравнении с конкурентными коммерческими продуктами в форме люминофора в стекле (PiG), монокристалла, и оптической керамики.
По результатам выполнения Проекта будет издано не менее 9-ти статей в рецензируемых журналах, индексируемых в БД Scopus/WoS; получен патент РФ на изобретение. В диссертационный совет будет представлена квалификационная работа Косьянова Д.Ю. на соискание ученой степени доктора технических наук.
Создание преобразователей цвета с “уникальной” архитектурой обеспечит превосходящие характеристики цветопередачи и однородности цвета в сравнении с известными мировыми аналогами; параметры светового потока, светоотдачи, термостойкости и надежности при воздействии высокомощного излучения от синего ЛД будут сопоставимы.
В сравнении со светодиодной, лазерная технология еще только проходит этап совершенствования, демонстрируя лучшие значения эффективности при высоких токах благодаря управлению оптической системой и малому ухудшению светового потока. Ее технологические пределы по-прежнему обусловлены рабочими характеристиками лазерных диодов, а стоимость и проектирование эффективно охлаждающих структур зависят от выбранного люминофора. Поэтому, обе технологии являются не конкурирующими, а универсальными и разными, и уже сейчас существенно меняют парадигму освещения – давая разработчикам свободу выбора и возможность более глубокого внедрения твердотельного освещения в приложения.
Среди потенциальных отечественных заказчиков данных керамических люминофоров и их технологии создания стоит отметить группу компаний Pandora (ООО “Завод опытного приборостроения” и ООО “НПО ”Телеметрия”); ООО НТО “ИРЭ-Полюс”; организации холдинга “Швабе” (РК “Ростех”); и др.