Спец-ЭлектронКомплект

Передовые разработки в области фотоники ведут молодые ученые Дальневосточного федерального университета во главе с кандидатом технических наук, профессором Департамента промышленной безопасности Политехнического института Денисом Косьяновым. В результате трехлетних исследований, в том числе поддержанных грантом Российского научного фонда, коллектив создал уникальный двухфазный керамический люминофор – компонент, который позволит создать чрезвычайно мощные осветительные устройства на основе свето- и лазерных диодов. Изобретение представителей ДВФУ станет бесценным подспорьем для исследователей морских глубин, спасателей, специалистов в области высокотехнологичной медицины и даже для покорителей космоса.

В основе разработки команды научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы», директором которой является Денис Косьянов, лежит усовершенствование базового принципа работы белых светодиодов. Данное устройство состоит из двух основных компонентов: синего светоизлучающего диода и так называемого фотолюминофора. Последний представляет собой небольшое покрытие, прилегающее к диоду, свечение которого возникает при частичном преобразовании синего света. Излучение диода и люминофора, смешиваясь, дают белый свет того или иного оттенка.

«Большинство люминофор-конвертеров в коммерческих белых светодиодах изготавливают путем нанесения слоя люминофора на основе порошка алюмоиттриевого граната, допированного церием, на фиксирующую кремний-органическую смолу. Технические характеристики светодиодов такого типа удовлетворяют большую часть нужд потребителей в повседневной жизни, однако у них есть также и ярко выраженные недостатки. Слой люминофора неоднороден, его теплопроводность низкая, что неминуемо приводит к так называемому «выгоранию» в процессе эксплуатации. Для решения широкого спектра вопросов и задач современной фотоники требуется создание не только энергоэффективных, но и высокомощных сверхъярких белых светодиодов. Поэтому и возникла необходимость в создании новой формы люминофора, который обладал бы как высокими показателями светоотдачи и однородности цвета, так и теплопроводности и термической стойкости», – рассказал кандидат технических наук Денис Косьянов.

Поиск решения данных проблем привел к разработке новых форм исполнения люминофоров, таких как порошок в стекле, оптическая керамика, стеклокерамика и моно- и эвтектические кристаллы. По набору термических и физико-механических свойств самым перспективным вариантом формы оказались оптические керамики – при одинаковом фазовом составе теплопроводность по сравнению с порошковым вариантом выросла почти в 100 раз.

В рамках гранта Российского научного фонда специалистам ДВФУ предстояло не только воссоздать керамический люминофор, но и выявить оптимальный способ его производства, научиться управлять параметрами микроструктуры данного опто-функционального материала. Актуальной оставалась и задача поиска путей дополнительного повышения его термофизических свойств. Итоги работы в том числе отражены в статье, опубликованной в одном из наиболее авторитетных журналов по керамическому материаловедению «Journal of Advanced Ceramics».

«Поиски привели нас к созданию керамического бифазного композита на основе функциональной и термически-стабильной фаз. В роли второго компонента была выбрана фаза оксида алюминия. Хорошее соответствие между компонентами обеспечило совершенство механических контактов при отсутствии возможных межфазных разделений и тепловых барьеров. В результате, был достигнут рост теплопроводности материала еще на 50%. Кроме того, изменение частицами оксида алюминия распространения света в композитной люминофоре положительно отразилось на светоотдаче и однородности цвета», – подчеркнул профессор Косьянов.

Дальневосточные ученые добились существенных успехов и в производственном процессе. Запатентован новый подход в рамках керамических технологий создания подобных композитов – так называемое реакционное искровое плазменное спекание, которое позволяет получать материалы при значительно более низкой температуре и продолжительности процесса, чем классическое вакуумное спекание. Продолжительность цикла спекания сократилась в 15 раз. Быстрый и, в то же время, относительно простой и экономически эффективный «одностадийный» подход позволил сформировать композиты с необходимой микроструктурой и плотностью.

Создание люминофора нового поколения открывает перед российскими промышленниками и учеными новые возможности по созданию беспрецедентно-мощных осветительных устройств на основе светодиодных и лазерных систем. Для данной концепции способность люминофора-конвертера выдерживать чрезвычайную мощность возбуждения и, следовательно, высокую тепловую нагрузку от источника возбуждения выступает критически важным условием, и здесь двухфазная керамика придется как раз к месту. Ведь если в случае использования светодиодов эффективная плотность входной мощности ограничена значением в 3 ватт на квадратный сантиметр, то для лазеров с кристаллами синего диапазона она составляет уже около 25 киловатт на квадратный сантиметр – разница превышает 8 тысяч раз.

В отличие от светодиодных, в лазерных системах освещения свет распространяется плотным пучком и, обеспечивая очень высокую светимость, будет эффективен для работы на большие расстояния. Такая сверхмощная аппаратура может использоваться при исследованиях морских глубин, новых подходах в проецировании изображений и эндоскопии, и даже при передаче данных. Пригодятся такие разработки и при оптимизации систем освещения мега-сооружений, аэропортов, взлетно-посадочных полос, железнодорожных путей, летательных аппаратов, а также в космической отрасли.

«Лазерные диоды интересны благодаря их монохроматическому, высококогерентному и направленному излучению света. В сочетании с люминофором они обеспечивают очень высокий световой поток. Малый размер лазерного пятна может привести к получению квазиточечного источника белого света. Новые технологии, такие как фары с лазерным усилением, лазерные телевизоры или передача данных по видимому свету наглядно демонстрирую преимущества лазерного освещения в сравнении со светодиодным», – отметила младший научный сотрудник научно-образовательного центра «Передовые керамические материалы» Анастасия Ворновских.

Сейчас ученые ДВФУ заняты производством серий опытных образцов и макетов осветительных устройств на их основе. В дальнейшем планируется переход на этап опытно-конструкторских и технологических работ с привлечением индустриальных партнеров.

На протяжении большей части пути помощь дальневосточным ученым оказывали коллеги из Шанхайского института керамики, одного из ведущих мировых научно-исследовательских учреждений. Специалисты из КНР сделали весомый вклад в сравнительный анализ разрабатываемых люминофоров с известными мировыми аналогами.

«Проект, которым занимается наша группа вот уже как 3 года − один из передовых на мировом уровне. Можно констатировать, что мы двигаемся в авангарде развития данного направления. Команд ученых, которые занимаются этим вопросом в открытом доступе, во всем мире известно не более пяти, при этом в России данную тематику больше никто не ведет. Согласно дорожной карте развития фотоники в Российской Федерации, разработка технологий создания подобных материалов является критическим направлением, обеспечивающим приоритетное развитие и безопасность большинства отраслей промышленности. Неоспорима и экономическая эффективность освоения современной фотоники», – заключил профессор Косьянов.

Отметим, исследования в области новых технологий и материалов определены в ДВФУ как одни из приоритетных. Они ориентированы на решения принципиально новых научно-технологических задач, которые находятся на переднем крае современной науки.

«Изыскания прикладного характера – наш вклад в работу по достижению технологического суверенитета России. Чтобы отвечать вызовам мировой научно-технологической повестки, нужно думать наперед, смотреть на два-три шага в будущее, уже сегодня закладывать фундамент для достижения новых инновационных вех. Специалисты нашего Политехнического института этим требованиям отвечают в полной мере – их исследования в области материаловедения являются важным аспектом в реализации стратегической цели по развитию университета как лидера в научно-образовательной и технологической деятельности на российском Дальнем Востоке, центра трансфера технологий и инноваций в Азиатско-Тихоокеанском регионе», – подчеркнул ректор ДВФУ Борис Коробец.

Источник