Light-emitting diodes based on Eu3+, Eu2+ or Tb3+-doped silicates for lighting and Circadian rhythm regulation

Abstract

Diodos emissores de luz branca (WLEDs) são as principais fontes de luz branca para iluminação e fundo de tela de displays devido ao alto brilho (800 lm) e eficácia luminosa (150 lm·W-1), alto tempo de vida útil (50.000 horas), baixo consumo energético (8,5 W), baixo preço (60 dólares em 20 anos de uso) e baixa toxicidade comparados a lâmpadas incandescentes e fluorescentes. Além dos WLEDs, LEDs monocromáticos têm ganhado atenção nos últimos anos devido ao comum consenso e entendimento da influência da luz na regulação do ritmo circadiano Humano e de plantas. Entretanto, os principais desafios são obter WLEDs com parâmetros ópticos de temperatura de cor correlata (4.500 K) e índice de renderização de cor (> 90) desejáveis e contornar o “green gap” na fabricação de LEDs emissores de luz verde. Desta forma, o objetivo desta tese de doutorado foi fabricar LEDs emissores de luz branca ou monocromática para iluminação, luz de tráfico e controle do ritmo circadiano. Para esta proposta, luminóforos emissores de luz verde (Ba2SiO4:Eu2+ e Ba2SiO4:Tb3+), amarela (Sr2SiO4:Eu2+) e vermelha (Ba2SiO4:Eu3+) foram sintetizados pela metodologia sol-gel, caracterizados e dispersos em filmes poliméricos (PVDF ou PMMA), aos quais foram utilizados para recobrir LEDs emissores na região espectral do UV. As condições de síntese dos luminóforos foram variadas a fim de otimizar a composição das fases e a emissão dos dopantes. A dispersão dos luminóforos em PMMA potencializa a emissão dos ativadores luminescentes, sendo que os luminóforos baseados em Ba2SiO4:Eu3+ e Ba2SiO4:Tb3+ mostram potencial para serem combinados a LEDs UV (250 nm), fazendo um dispositivo multifuncional que emite luz e também radiação UV, importante para o controle do ritmo circadiano de plantas e desinfecção em agricultura (cultivo indoor). Já os LEDs emissores de luz verde construídos combinando LEDs UV (365 nm) e filmes de Ba2SiO4:Eu2+/PMMA apresentaram eficácia luminosa e estabilidade radiante entre as melhores reportadas, sendo uma alternativa para suprir a ausência de LEDs emissores de luz verde com alta eficácia luminosa. Finalmente, WLEDs construídos combinando LEDs UV (395 nm) e filmes de Sr2SiO4:Eu2+/BAM:Eu2+/PMMA apresentaram valores de eficácia luminosa e estabilidade radiante entre os melhores reportados e temperatura de cor dependente da proporção dos luminóforos, podendo ser ajustada para aplicações em iluminação diurna (CCT = 6.000 K) e noturna (CCT = 4.500 K), além de usos em fototerapia.

White-light-emitting diodes (WLEDs) are the main light sources for indoor and outdoor lightings as well as for backlighting of displays due to their high brightness (800 lm) and luminous efficacy (150 lm·W-1), long lifespan (50,000 hours), low power consumption (8.5 W), low cost (60 dollars over 20 years of use) and environmentally friendly properties compared to the traditional incandescent and fluorescent bulbs. Beyond WLEDs, attention has currently been paid to monochromatic LEDs due to the common consensus on the light impact on human and plant circadian rhythm regulation. Nonetheless, the main challenges are to come up with WLEDs featuring desirable correlated color temperature (4,500 K) and color rendering index (> 90) and work around the “green gap” drawback in the fabrication of green-emitting LEDs. Therefore, the goal of this Ph.D. thesis is to report on the fabrication of white or monochromatic-emitting LEDs, and for this propose, UV-to-green (Ba2SiO4:Eu2+ e Ba2SiO4:Tb3+), yellow (Sr2SiO4:Eu2+) and red (Ba2SiO4:Eu3+) downshifting converter phosphors were synthesized by the sol-gel route, fully characterized and dispersed as polymeric films (PVDF or PMMA), to which were used to coat commercial UV LEDs. The synthesis conditions of the phosphors were changed aiming to optimize phase composition and emission intensity of the dopants. PMMA plays the role of enhancing the luminescent activator emission, and both Ba2SiO4:Eu3+ and Ba2SiO4:Tb3+ phosphors feature the required characteristics to be used as coatings of UV LEDs (250 nm), making multifunctional prototypes emitting UV and red light for simultaneous application in indoor farms by regulating the plant circadian rhythm and as a disinfection agent. On the other hand, the green-emitting LEDs built by coating UV LEDs (365 nm) with Ba2SiO4:Eu2+/PMMA films match high luminous efficacy and radiant stability, among the best values reported so far, being a practicable alternative to supply the absence of commercially-available high-efficient green-emitting LEDs. Finally, WLED prototypes built by combining UV LEDs (395 nm) and Sr2SiO4:Eu2+/BAM:Eu2+/PMMA films display luminous efficacy and radiant stability among the best reported, and correlated color temperature depending on the phosphor mixture proportion, that may be tuned for daylight (6,000 K) and night light (3,500 K) applications, as well as phototherapy and backlighting of displays.