Sztuczne oświetlenie jest jednym z najbardziej charakterystycznych wyznaczników współczesnej cywilizacji. Dzięki niemu możliwe stało się m.in. znaczne uniezależnienie aktywności człowieka od dobowego rytmu, któremu podlega światło słoneczne. W ostatnich latach szczególne ważne są źródła światła białego oparte na technologii LED, używane m.in. do oświetlania niewielkich pomieszczeń oraz we wszelkiego rodzaju wyświetlaczach.

Światło naturalne a sztuczne

Źródła światła oparte na diodach LED mają niezaprzeczalne zalety: są energooszczędne, mogą być łączone w moduły, są coraz tańsze, a ich światło, jeśli chodzi o wrażenia wzrokowe, przypomina światło naturalne. Jednakże mimo pozornego podobieństwa oświetlenia naturalnego i sztucznego opartego na białych diodach LED, widma emisyjne tego drugiego różnią się, czasami znacznie, od widma naturalnego światła dziennego.

Rys. 1. Porównanie widma światła naturalnego i sztucznych źródeł: klasycznej żarówki, świetlówki, lampy halogenowej, białych diod LED o “zimnej” i “ciepłej” barwie, źródło: https://vitamindwiki.com/Is+this+better+than+Vitamin+D+-+sunlight+%28Wunsch%2C+Mercola%29+-+March+2015

Czy światło LED może być szkodliwe?

W praktyce, widmo komercyjnych białych diod LED wyraźnie odbiega od naturalnego widma światła słonecznego, co sprawia, że takie sztuczne światło jest męczące dla oczu, a w dłuższej perspektywie może prowadzić do poważnych zaburzeń widzenia. Ponadto, jak wykazały systematyczne badania medyczne, ekspozycja na światło o dużej składowej niebieskiej może negatywnie wpływać na sen poprzez hamowanie wydzielania melatoniny w organizmie.

W związku z tymi niebezpieczeństwami istnieje pilna potrzeba produkcji tanich białych diod LED, o widmie zbliżonym do widma światła dziennego. Ważne jest więc, aby poszukiwać tańszych odpowiedników białych diod LED o widmie bezpiecznym dla ludzkiego wzroku. Dodatkowo, lampa LED z widmem bardzo zbliżonym do widma światła słonecznego może być przydatna jako symulator światła słonecznego.

Światełko w tunelu

Wytworzenie takich diod i ich zbadanie jest głównym celem projektu „Nowe szkliste i nanokrystaliczne luminofory do białego oświetlenia LED bezpiecznego dla ludzkiego wzroku”, realizowanego we współpracy Wydziału Fizyki oraz Instytutu Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW. Partnerem zagranicznym będzie Wydział Inżynierii Materiałowej z Rensselaer Polytechnic Institute w Troy (Stany Zjednoczone).

- Przeprowadziliśmy badania wstępne, które dowiodły, że możliwe jest wytworzenie szklistych luminoforów, domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich (REE) - Eu²⁺/Eu³⁺. Ich widma fotoluminescencyjne pod wpływem pobudzenia światłem z zakresu fiolet/UV są gładkie i zbliżone do widma światła naturalnego - mówi prof. dr hab. Marek Wasiucionek z Wydziału Fizyki, kierownik projektu. - Takie widma mogą być o wiele zdrowsze dla ludzkich oczu niż widma luminoforów używanych obecnie w komercyjnych białych diodach LED - dodaje.  

Naukowcy wykazali, że dzięki precyzyjnej kontroli parametrów syntezy, a przede wszystkim atmosfery (redukującej), temperatury i czasu, można modyfikować widmo luminescencji w celu przybliżenia go do widma światła naturalnego. Badania te wskazały, że zmiana kształtu widma fotoluminescencyjnego następowała dzięki kontrolowanej zmianie stopnia utlenienia jonów REE (w szczególności Eu) podczas syntezy szkieł. Dzięki temu udało się uzyskać widmo ciągłe i pozbawione ostrych linii.

Rys. 2. Luminescencja matryc szklistych zawierających jony Eu2+/Eu3+ o takim samym nominalnym składzie chemicznym, różniące się warunkami syntezy. Odpowiednio dobrana procedura pozwala na „tuning” koloru od amarantowego przez ciepłą i białą biel, w kierunku niebieskiego, źródło: T.K. Pietrzak, A. Gołębiewska (Jarocka), J. Płachta, M. Jarczewski, J. Ryl, M. Wasiucionek, J.E. Garbarczyk, Journal of Luminescence 208 (2019) 322–326

Prototyp bezpiecznej lampy LED

Celem projektu jest rozwój wspomnianego pomysłu, którego zwieńczeniem będzie przygotowanie prototypu nowoczesnej lampy LED składającej się z dostępnej komercyjnie zwykłej diody LED z zakresu bliski UV/fiolet oraz wytworzonego w ramach projektu szkła/nanomateriału pełniącego funkcję luminoforu. W ramach projektu zostaną zsyntetyzowane matryce szkliste o różnych składach, na bazie związków boranowych, fosforanowych. Dopracowany zostanie proces kontrolowanej redukcji jonów metali ziem rzadkich pod kątem otrzymania widma fotoluminescencji najbardziej zbliżonego do widma światła widzialnego. Przeprowadzona zostanie wszechstronna charakteryzacja właściwości optycznych wytworzonych luminoforów.

Zespół projektowy tworzą: prof. dr hab. Marek Wasiucionek, kierownik projektu (Wydział Fizyki PW), dr hab. inż. Tomasz K. Pietrzak (Wydział Fizyki PW), dr inż. Bartosz Fetliński (Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW), mgr inż. Agata Jarocka (Wydział Fizyki PW).

Projekt jest finansowany w ramach realizowanego w PW programu „Inicjatywa doskonałości - uczelnia badawcza”. Znalazł się w gronie laureatów konkursu na granty badawcze „FOTECH-2” Centrum Badawczego POB Technologie fotoniczne. Potrwa do grudnia 2022 r.