Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása Poppe András BME Elektronikus Eszközök Tanszéke

eet.bme.hu

A fénykeltés módjai ► Ízzólámpa: fekete test sugárzó folytonos spektrum

► Gázkisűlő lámpák: diszkrét elektron állapotátmenetek ionizált gázban / gőzben vonalas spektrum, több vonal primer sugárzás

► Fénycső, kompakt fénycső, higanygőz lámpa: mint fent, de a primer sugárzás hullámhosszát fényporral konvertálják nagyobb hullámhosszra

► Színes LED: elektron állapotátmenetek félvezető egykristályban majdnem monokromatikus primer emisszió

► Fehér LED: elektron állapotátmenetek félvezető egykristályban Î primer emisszió + hullámhosz konverzió fényporral

► OLED: elektron-lyuk rekombináció szerves félvezető anyagban (LEP – light emitting polymer) Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

2

Vákuumtechnika → félvezető technológia Diszkrét N db atom – N energia szintek: darab szintre hasadás:

Gázkisülő lámpák / fénycső: állapotátmenetek ilyen diszkrét atomi szintek közt Î vonalas spektrum

Klasszikus fényforrások Elektroncső Vákuumtechnika Melegítés segíti a működést Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

Egykristályban szinte folytonos sávokká hasadnak:

LED-ek: állapotátmenetek a vezetési sáv és a vegyérték sáv között Î majdnem monokromatikus (primer) sugárzás

szilárd-test fényforrások tranzisztor / félvezető dióda félvezető technológia Hűtés szükséges működéshez 2013. május 15.

3

A mikroelektronika és az SSL hasonló trendjei ► Moore törvénye

/

Haitz törvénye

► A fejlődés gátja: disszipációsűrűség Mikroelektronika: órajel frekvencia egy ideje nem nő tovább SSL: HID lámpákat nem még nem győzték le a LED-ek, mert nem tudjuk kezelni a HÍD lámpák fényintenzitásához tartozó disszipációsűrűséget TIM anyagok kutatása / mikrofluidikai alapú inetgrált hűtés Termikus karakterizáció, SSL esetben fotometriával kombinálva Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

4

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? ► A LED-ek megbízhatósága, élettartama erősen függ a hőmérséklettől: termikusan asszisztált meghibásodási mechanizmusok termo-mechanikai feszültségek ⇒ delaminálódó kötések / határfelületek

► Kibocsájtott fény jellemzői is erősen hőmérsékletfüggőek:

0.012

0.01

0.008

0.006

Spektrális intenzitás [W/nm]

spektrális teljesítményeloszlás (csúcs hullmhossz, szélesség) teljes fluxus (fényáram), teljes hatásfok, fényhasznosítás

Forrás: Philips Lumileds, Rebel Reliability Data, 2007

1W-os vörös LED spektrális teljesítményeloszlása különböző áram és hőmérséklet értékek esetében

T25_I200 T25_I500 T50_I200 T50_I500 T75_I200 T75_I500

0.004

0.002 Hullámhossz [nm] 0 570

Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

584

598

611

625

638

652

665

678

692

705

2013. május 15.

719

5

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? ► Keletkező hőveszteség legnagyobb része hővezetéssel távozik ► Konvekciós hűtés esetében is a Teljesítmény LED hőleadás minden esetben hővezetéssel kezdődik Fény: ~15..40% ► A retrofit LED-es lámpák a lámpatestet használják hűtőfelületként ► A termikus határfelületek átmeneti hőellenállása szignifikáns elem a hővezetési útban

Hőveszteség: ~85-60%, a legnagyobb része kondukcióval

Forrasztási felület

Kikötő Hordozó vezeték chip Chip Láb rögzítés

Forrasztás

PN átmenet

Műanyag tok

Az aktív réteg és a hordozó chip közötti átmenet Chip rögzítés (die attach vagy TIM1)

Szigetelő réteg Alumínium NYHL lemez (MCPCB)

A LED tok alja és az MCPCB közötti rögzítés (forrasz vagy ragasztó) Klasszikus TIM réteg az MCPCB és a hűtőborda között (az ún. TIM2)

Hűtőborda


2013. május 15.

6

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? ► Keletkező hőveszteség legnagyobb része hővezetéssel távozik ► Konvekciós hűtés esetében is a Teljesítmény LED hőleadás minden esetben hővezetéssel kezdődik Fény: ~15..40% ► A retrofit LED-es lámpák a lámpatestet használják hűtőfelületként ► A termikus határfelületek átmeneti hőellenállása szignifikáns elem a hővezetési útban

Hőveszteség: ~85-60%, a legnagyobb része kondukcióval

Forrasztási felület

Kikötő Hordozó vezeték chip Chip Láb rögzítés

Szigetelő réteg

Forrasztás

PN átmenet

► Túlmelegedés hatása: Műanyag tok aktív réteg és a hordozó chip közötti csökken azAz élettartam átmenet termikus megfutás, azonnali Chip rögzítés (die attach vagymeghibásodás TIM1)

Alumínium NYHL lemez (MCPCB) Hűtőborda

A LED tok alja és az MCPCB közötti rögzítés (forrasz vagy ragasztó) Klasszikus TIM réteg az MCPCB és a hűtőborda között (az ún. TIM2)

A termikus tranziens tesztelés az elmúlt másfél évtizedben kiváló eszköznek bizonyult ezek jellemzésére... Poppe András: Szilárd-test fényforrások multi-domain karakterizálása 2013. május 15.

7

Miért fontos a LED-ek termikus jellemzése? Rossz termikus tervezés – gyors degradáció: Epoxy gyantával (hőszigetelő!!!) kiöntött házban NONAME forrásból származó LED-ekkel szerelve Reklám felirat betűi egyenetlenül elsötétedtek 3-4 hónap alatt

Hasonló gond: “LED slag”: szilikon gumiba !!! ágyazott LED-ek Normál hőellenállás: 5..10..20 K/W, ezekben az esetekben: 400 K/W Hibás az ilyen termékek koncepciója

Megoldás: Megbízható LED gyártó Fém ház, jó hűtéssel Forrás: OSRAM Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

8

Egy stabil és egy degradálódott LED T3Ster Master: cumulative structure function(s) Cth [Ws/K] 15.1

0.9

EU, sample #44, 0h EU, sample #44, 500h EU, sample #44, 2000h EU, sample #44, 3000h

100 10

T3Ster Master: cumulative structure function(s) Cth [Ws/K] 5.6 4.7

0.6

100 10

1

1

0.1

0.1

0.01

0.01

0.001

0.001

1e-4

1e-4

NONAME #61, 0h NONAME #61, 500h NONAME #61, 2000h NONAME #61, 3000h

1e-5

1e-5 0

2

4

6

8

10

12

Rth [K/W]


0

2

4

6

8

Rth [K/W]

2013. május 15.

9

Egy stabil és egy degradálódott LED T3Ster Master: cumulative structure function(s) Cth [Ws/K] 15.1

0.9

EU, sample #44, 0h EU, sample #44, 500h EU, sample #44, 2000h EU, sample #44, 3000h

100 10

T3Ster Master: cumulative structure function(s) Cth [Ws/K] 5.6 4.7

100 10

1

1

0.1

0.1

0.01

0.01

0.001

Relatív fényáram

[%] 110

1e-4

105

1e-5

100 2

4

6

8

10

12

42 [K/W] Rth

90

43

85

44

1e-4

105

1e-5

100

45

80

46

75

aver

70

Column 4, EU, IF=350 mA

65

NONAME #61, 0h NONAME #61, 500h NONAME #61, 2000h RelatívNONAME fényáram #61, 3000h

[%] 110

0.001

41

0 95

0.6

0

Column 8, NONAME, IF=700 mA 81 2

95

4

6

8

82 Rth [K/W]

90

83

85

84 85

80

86

75

aver

70 65

60

60 0

2000

4000

6000

8000 Öregítés [h]

0

2000

4000

6000

8000 Öregítés [h]

A gyorsan degradálódott LED hőellenállása 500 óra alatt megduplázódott. Ez magasabb lapka hőmérsékletet okozott, ami tovább gyorsította a degradációt. Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

10

Ideális esetben... ► A hűtést ne blokkolja semmi Lehető legkisebb hőellenálású hővezető út Hatékony ”hűtőborda” Jól szellőző terek

Forrás: Mentor Graphics



2013. május 15.

11

Ideális esetben... ► A LED chip és a hűtőborda között minimális Forrasztási felület számú termikus határfelület van Láb ► A konvekciós hőátadást semmi nem Szigetelő réteg blokkolja, azaz nincs zárt lámpatest ház álmennyezet stb.

Kikötő Hordozó Forrasztás vezeték chip Chip PN Műanyag tok rögzítés átmenet

Alumínium NYÁK lemez (MCPCB) Hűtőborda

► Termikus mérések, ha az adatlapi információ elégtelen Új szabványok: JESD 51-51, 51-52 (2012. április)

► Termikus szimuláció: mindig MCAD rendszerben CFD

► Multi-domain szimuláció: Üzemi (meleg) fényáram számítás Önkonzisztens elektromos/termikus/optikai szimuláció Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása


2013. május 15.

12

Minden mindennel összefügg: Disszipált teljesítmény

Nyitó‐ feszültség

pn átmenet hőmérséklete

Nyitó‐ áram

Kisugárzott fény ► Multi-domain karakterizáció: egyszerre mérjük / szimuláljuk az SSL fényforrás elektromos, termikus és fénytani taulajdonságait Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

13

LED-ek jellemzése ► Elektromos paraméterek Nyitó feszültség: 2.5 V .. 4 V, a színtől (a tiltott sáv szélességétől) függ Nyitó áram: • kisteljesítményű, hagyományos LED-ek: • nagyteljesítményű LED-ek:

~10 mA 350 .. 700 ..1500 mA

► Tokozás hőellenállás: tokozás fajtája

300 .. 10 .. 2 K/W

► Optikai paraméterek fényáram [lm], fényhasznosítás [lm/W] 100..150 lm/W optikai teljesítmény [W] 1 .. 3 .. 5 .. 10 .. 15 W spektrum + domináns hullámhossz (színes) vagy korrelált színhőmérséklet, x,y koordináták (fehér) sugárzási karakterisztika (pl. sugárzási kúp szöge)

► Hatásfok – sokféle van, pl. WPE == ηe

~ 20 .. 50 %

► A fentiek hőmérsékletfüggése Ezek techológia és konstrukció függő paraméterek, de mind, egyetlen mérési összeállításban, automatizáltan megmérhetők, modellezésre felhasználhatók. Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

14

Új JEDEC LED termikus mérési szabványok (2012) JEDEC JC15-ös bizottság: tokozott félvezető eszközök termikus karakterizációja A JESD51 család tagjai: JESD-51-50: Overview of Methodologies for the Thermal Measurement of Singleand Multi-Chip, Single- and Multi-PN-Junction Light-Emitting Diodes (LEDs) JESD-51-51: Implementation of the Electrical Test Method for the Measurement of the Real Thermal Resistance and Impedance of Light-emitting Diodes with Exposed Cooling Surface JESD-51-52: Guidelines for Combining CIE 127-2007 Total Flux Measurements with Thermal Measurements of LEDs with Exposed Cooling Surface JESD-51-53: Terms, Definitions and Units Glossary for LED Thermal Testing Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

15

Mérési eljárások JEDEC szabványok alapján • • • •

Optikai métések ebben a munakpontban

JESD50-50 JESD51-51 JESD51-52 JESD51-53

Hideg lemezre szerelve Bekapcsolt állapotban optikai mérés (CIE 127-2007) Hűlési tranziens mérése a fűtőáram lekapcsolása után Termikus tranziens mérés e két munkapont közt Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

16

Alapvető módszer: hűlési tranziens mérése IF

A stabil meleg munkapontban meg kell mérni a kisugárzott optikai teljesítményt is fűtés

stabil

PH

hűlés

PH1=IH·VH – Popt

IH

ΔPH

PH2=IM·VF(t)

log t

IM

t

topt

VF

ΔTJ = ΔVF / K

mérés

VH VFf VFi

TJ1

TJ ΔTJ

ΔVF

TJ2 log t

t tH

t=0

tMD

tM


RthJ − X =

TJ (0) − TJ (∞) PH 1 − PH 2

2013. május 15.

17

Teljes LED mérőállomás: amit lehet, mérünk JESD 51-52: LED hideg lemezen + CIE 127-2007 dokumentum szerinti fluxus mérés fotometria/radiometriai mérés állandósult (stabil) állapotban

egyenáramú elektromos táplálás

Detektor

Ulbricht gömb

Mérendő LED

IF

2)

Popt(T,IF) ηe(T,IF) ΦV(T,IF) 5)

V

IF

F

Szabályozott hőmérsékletű hideg lemez

Rth-real és TJ –real számítása 5)

1) Segéd LED

Termikus mérő berendezés

Kényszerített áram

IH

IM

3)

Átkapcsolás IH -ról IM -re

Feszültségváltozás mérése

ΔVF(t) ~ ΔTJ(t)

4) hőellenállás / termikus impedancia mérése

JESD 51-51: termikus mérés JESD51-1 szerinti statitukus mérési módszerrel, hideg lemezzel, mint termikus környezettel


2013. május 15.

18

Mérési összeállítás a gyakorlatban: Speciális ún. LED booster:

nagy feszültség egy LED-soron (a teljes összegzett nyitófeszültség akár 280V is lehet – lásd a hálózati táplálású AC LED-eket).

V(λ), Xlong, Xshort, Z és rediometriai szűrő egy revolver tárban referencia LED

LED hideglemezen

Si fotodetektor

Termikus tranziens teszter vezérlő elektronika

Magyar fejlesztés eredménye (BME, MicReD, Pannon Egyetem, TENZI). Ma a vezető LED gyártók és kutató intézetek ezt használják világszerte több, mint 50 helyen. Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

19

A gömb mérete illeszkedjék a LED teljesítményéhez ► Az integráló gömb méretét a mérendő LED teljesítménye alapján célszerű megválasztani A detektor és a mérendő LED közötti hőcsatolás mérséklése A detektorra eső megvilágítási szint egy adott tartományba essen Nagyobb teljesítményű LED modulok nagyobb nyílást igényelnek a gömbön

Egy 30 cm-es gömb 6 cm-es mérőnyílással, Peltier-elemes hűtésű hideg lemezzel, max. 10 W-os LED-ek számára

Egy 50 cm-es gömb 15 cm-es mérőnyílással, folyadékos termosztáttal hűtött hideg lemezzel, max. 50 W-os LEDek számára.

6 szűrő + detektor

6 szűrő + detektor és egy olcsó array spektrométer


2013. május 15.

20

Teljesen automatizált mérés

Áramok

Hőmérsékletek

Általános beállítások Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

21

RthJC mérés ► JEDEC JESD51-14 (2010) szabvány szerinti “transient dual interface method” ► Hűlési tranziensek mérése hideg lemezen kétféle termikus határfelület mellett • A hideglemez és a LED tok határfelülete: – Hővezető pasztával (TIM) kenve – Szárazon hagyva

• Különbség a hővezető útban, emiatt • A struktúrafüggvények divergálni fognak • Elválási pont - RthJC

► Mindkét esetben a kibocsájtott fényteljesítményt is mérjük Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

22

Rth/Zth melett: ΦV(IF,TJ), ηe(IF,TJ), x, y


2013. május 15.

23

Adatközlés: táblázatosan is ► JESD51-52 szerint: hőmérséklet, áram, ηe minimálisan közlendő Grafikonok és táblázatok formájában Ezen túl: hőmérséklet érzékenységek is (modellezéshez)


2013. május 15.

24

Néhány friss mérési eredmény (Cree XTE LED-ek) ηe[%]

TeraLED: Radiant Efficiency (Popt/Pel) vs Ambient Temperature

46 44 42 40 38

TeraLED: Radiant Efficiency (Popt/Pel) vs Junction Temperature

ηe[%]

CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 700mA

36 47

34 CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S4_grease.tmd - IF = 700mA

32

46

30 20

30

40

50

60

70

80 45

Tref [°C]

44

43

42 40

50


60

70

80

90

100

110

2013. május 15.

TJ [°C] 25

Néhány friss mérési eredmény (Cree XTE LED-ek) ΦV [lm]

TeraLED: Luminous Flux vs Junction Temperature

280 260 240

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA (SΦv= -0.276 lm/°C) CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 700mA (SΦv= -0.596 lm/°C)

220

TeraLED: Luminous Efficacy vs Junction Temperature

200

ηV [lm]

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF= 700mA

180 160

150

140 145

120 30

40

50

60

70

80

90

100

TJ [°C]

110

140

135

130 30

40


50

60

70

80

90

100

110

2013. május 15.

TJ [°C] 26

Néhány friss mérési eredmény (Cree XTE LED-ek)

TeraLED: Color Coordinates (Junction Temperature) y

CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 350mA CREE_XTE_S3_dry.tmd - IF = 700mA

0.314

38 °C 0.312

53 °C 66 °C

0.31

82 °C 96 °C

0.308

53 °C

68 °C 0.306

80 °C 96 °C

0.304

110 °C 0.302 0.292

0.294

0.296

0.298

0.3


0.302

0.304

0.306

x

2013. május 15.

27

Modellezés, szimuláció Mit és hogy modellezzünk? Mérésből modell Új LED multi-domain áramköri modell Egyszerüsített multi-domain LED modell OLED-ek modellezése


2013. május 15.

28

Energiakonverziós folyamatok egy LED-ben Elektromos modell: LED pnátmenet I-V karakterisztika

Kék LED lapka elsődleges sugárzása

Emittált optikai teljesítmény = teljes radiometriai fluxus:

Φe = Plong + Pshort

Elsődleges sugárzó: kék LED lapka Bemenet: elektromos teljesítmény

Pel = IF · VF

ηph konverziós hatásfokú fénypor

Hatásfok: η1

TJ pn átmenet hőmérséklete

A LED lapka+tok termikus impedanciája

Termikus modell: a tok RC hálózati Veszteségi hő átadása a környezet felé modellje

Optikai teljesítmény rövid hullámhosszon Pshort

A fényporban fellépő konverziós veszteség fűtő hatása

Teljes nergia konverziós hatásfok: ηe = Φe/ Pel


Optikai teljesítmény hosszú hullámhosszon Plong

Optikai modell: teljes fluxusok és/vagy spektrum 2013. május 15.

29

Egy lehetséges modell lencse A

IF Φe

PH LED multi-domain J eszközmodell: TJ IF, VF ,TJ→ PH, Φe

VF

C

Rth1

Cth1

Rth2

Cth2

Rth3

Cth3

LED tok termikus hálózati modellje

Rth4

case

Cth4

hűtőszerelvény termikus modellje

► Termikus modell: mérésekből közvetlenül CFD szimulátorba építve: csak a tok hálózati modellje Elektro-termikus hálózatszimulátorba épíitve: tok és hűtőszerelvény modellje

► LED eszközmodell: elektro-termikus és számolja a kisugárzott optikai teljesítményt is


2013. május 15.

30

Eszközmodell ideális LED-re A

► Nyitó áram 2 komponense Idis – hőtermelésért felel (nem radiatív rekombináció)

J

δIF/ δTJ

Irad – fénykibocsájtás (radiatív rekombináció) I rad (VF ) = Φ e / VF

Irad Idis VF

TJ

δPH/ δVFpn

PH = Idis ⋅ VF

IF= Idis(TJ) + Irad(TJ) C

Pel = PH + Φ e

► Mérésből:

IF =

PH Φ e + VF VF

I F (VF ) = I dis (VF ) + I rad (VF ) ahol

I rad (VF ) = I 0 _ rad ⋅ exp[VF /(nradVT ) − 1] I dis (VF ) = I 0 _ dis ⋅ exp[VF /(ndisVT ) −1]

I dis (VF ) = I F − Φ e / VF I rad (VF ) = Φe / VF Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

31

Ideális LED + soros ellenállás ► A soros ellenállás hatásának modellezése fontos, mert a világítástechnikai célú LED-eket nagyáramú munkapontban használják


2013. május 15.

32

I-V karakterisztikák rögzített TJ mellett mérve ► A mérőrendszerrel tetszőleges rögzített LED pn átmenet hőmérséklet (TJ) beállítható ► Azonos hőmérséklethez tartozó áram-feszültség értékeket mérve a dióda karakterisztika felvehető Nem disszipáló áram komponens: Irad = Popt / VF (jó kvázi black box model) Mért LED nyitóáram komponensek TJ = 55 °C-on 0.5

Nyitó áram [A]

0.45 0.4

IF Idis Irad = Popt / VF = Φe / VF

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

2.7

2.8

2.9

3

3.1

► Jelenlegi kutató munka a BME-n Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

3.2

3.3

3.4

3.5

Nyitó feszültség VF [V]

2013. május 15.

33

I-V karakterisztikák rögzített TJ mellett mérve ► 5 modellparaméter és azok hőmérsékletfüggése TJ = 30 °C Rs [Ω] ndis [-] I0_dis [A] nrad [-] I0_rad [A]

TJ = 55 °C

0.77 2.63 3.94E-20 2.17 7.39E-24


0.81 2.46 1.70E-19 1.94 5.85E-24

TJ = 80 °C 0.85 2.29 3.01E-19 1.71 4.31E-24

2013. május 15.

34

Gyakorlatban: konstans kényszerített nyitó áram ► Egyszerüsített modellek

VF ( I F 0 , TJ ) = VF 0 + SVF 0 ⋅ (TJ − T0 ) VF – lináris hőmrésékletfüggés Nagyáramú karakterisztika szakaszon a fényáram (optikai teljesítmény) hőmérsékletfüggésére lineáris közelítés adható

ΦV ( I F 0 , TJ ) = ΦV 0 + S ΦV 0 ⋅ (TJ − T0 ) Φ e ( I F 0 , TJ ) = Φ e0 + S Φe0 ⋅ (TJ − T0 )

ΦV0

Meredekség = SΦV0

Hőmérsékletfüggés: @700 mA ~ 2.2 lm/oC @350 mA ~ 1.2 lm/oC

T0 Üzemi fémyáram predikciója CFD szimulációban Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

35

Termikus és optikai mérés és szimuláció MÉRÉS

TeraLED

CIE 127:2007

JESD51-14

JESD51-52

Termikus mérések eredményeinek kiértékelése

QA Hibaanalízis

T3Ster Master program

JESD51-1

TeraLED View program

JESD51-51

Kompakt modellezés

T3Ster

Termikus határfelületek degradációja

LED eszköz termikus karakterizációja és optikai paramétereinek mérése Optikai modell

Kész termikus modell

SZIMULÁCIÓ

Termikus modell FloEFD FloTHERM

Lámpatest szintű szimulációk kompakt LED modellel. FloEFD-ben az üzemi fényáram kiszámítása is része a szimulációnak. Az ehhez szükséges adatokat a TeraLED View program szolgáltatja.


2013. május 15.

36

Üzemi fényáram predikciója CFD szimulációban ► KÖZLED projekt számára mérés, mérés alapján LED modellezés majd lámpatest szintű CFD szimuláció


2013. május 15.

37

OLED-ek multi-domain modellezése ► Nagy felületű eszközök (Fast2Light projekt célja: 60x60cm2) ► Átlátszó elektróda – rossz elektromos vezetőképességgel ITO helyett ún. PEDOT, de az sem olyan jó

► Fém söntölő hálózat optimalizálása adott felületi fénysűrűség homogenitás eléréséhez ► Melegedés figyelembe vétele ► Saját szimulációs kód: SUNRED empirikus LEP elektro-termikus model empirikus I-L-T modell


2013. május 15.

38

OLED-ek multi-domain modellezése ► Üveg hordozón kialakított minták mérése, modellezése, szimulációja Validációra használtuk

IR mérés

SUNRED szimuláció

Modellezésre használtuk

Hordozó

Katód Anód

LEP

Hordozó

LEP

Anód

I OLED (T ) = b(T ) ⋅U m(T ) 6

Small

5 measured (10 °C) solution of eq. (9a) SUNRED simulation measured (25 °C) solution of eq. (9a) SUNRED simulation

4,5 4 0

0,5

Large

6

Voltage [V]

Voltage [V]

5,5

1 Current [mA]

1,5

5,5 5

measured (10 °C) solution of eq. (13b) SUNRED simulation measured (25 °C) solution of eq. (13b) SUNRED simulation

4,5 4 2

Katód

0

0,025

a)


0,05 0,075 Current [A]

Eltérés a kis eszközre felírt modellegyenlettől, de egyezés a méréssel.

0,1

b)

2013. május 15.

39

OLED szimulációs eredmények ► Forró, közepes impedanciájú pont:

IR mérés

Szimulált fénysűrűség eloszlás

Tényleges fényesűrűség eloszlás

► Függőleges helyzetű, álló panel, természetes konvekciós hűtéssel:

Hőmérséklettel növekvő hatékonyság: melegebb pontok fényesebbek Tamb = 25 °C Pdiss = 300 W

12x12 cm-es panel szimulált hőmérséklet eloszlása

[°C]

12x12 cm-es panel szimulált fényesűrűség eloszlása

Konvekciós légáramlás CFD szimulációbó alapján modellezett peremfeltételek

[cd/m2]


ΔT ≈ 5oC g 2013. május 15.

40

Összefoglalás ► A LED-ek működése erősen hőmérsékletfüggő; növekvő hőmérséklettel Csökkenő élettartam Csökkenő fényáram / fényhasznosítás

► Ezért a jó hűtés elengedhetetlen Minimális hőellenállás; ha lehet, koduktív hűtés legyen Konvektív hűtést CFD szimulációval mindig ellenőrizzük Rendszer szintű termikus tervezés – szimuláció nagyon fontos

► 2012 áprilisától termikus mérési szabványok a LED-ekre Hideg lemez + integráló gömb: kombinált termikus és optikai mérés javasolt (konzisztens adatok végett)

► Teljes LED mérőállomásból: minden paraméter mérhető Multi-domain modellezéshez adatok Egyszerűsített modellek – már szimulációs szoftverben elérhetőek

► SPICE jellegű elektro-termikus eszközmodell, fényteljesítményt is ad Nyitó áram két komponensre bontása: sugárzásos rekombinációhoz és indirekt rekombinációhoz rendelhető komponensek, exponenciális I-V kar.

► Hasonló modell OLED-re is (lokális viselkedés leírására) Elosztott paraméteres modell – nagyfelületű eszközök szimulációjára Sikeres hibaszimuláció, méréssel igazolva Poppe András: Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

2013. május 15.

41

Köszönetnyilvánítás ► Munkánkat részben az NFÜ TECH_08-A4(2008) KÖZLED projektje, ► részben a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen futó TÁMOP4.2.1/B-09/1/KMR-2010-0002 számú projekt, ► részben a Fast2Light EU FW7 IP projekt és a SE2A ENIAC JU projekt támogatta. ► Köszönetet mondunk KÖZLED partnereinknek: a Pannon Egyetemnek az LM80 mérésekben való részvétel lehetőségért, az OptimalOptik Kft.-nek és a HungaroLux Kft.-nek a lámpatestek CAD modelljeiért.

► Köszönjük a Phlips Research-től (Eindhoven) és a Phlips Lighting-tól (Aachen), valamint az OSRAM OptoSemiconductors-tól (Regensburg) kapott OLED és speciális LED mintákat. ► Köszönjük a GE Hungary (ex-TUNGSRAM) tárgyi és pénzügyi támogatását a szilárdtest világítástechnika és fotovoltaikus eszközök kutatása terén. ► A Mentor Graphics MicReD részlegének a CFD szimulációk elvégzésében és néhány mérésünk elvégzésében nyújtott segítségéért. ► Köszönet tanszéki és külsős kollegáimnak: Székely Vladimírnek, Rencz Mártának, Zólomy Imrének, Pohl Lászlónak, Kohári Zsoltnak, Kollár Ernőnek, Hantos Gusztávnak, Ress Sándornak, Farkas Gábornak, Marosy Gábornak, Kovács Zoltánnak, Temesvölgyi Tamásnak, Szalai Albinnak; Molnár Gábornak és Barna Csabának a Mentor Graphics-tól; Schanda Jánosnak, Csuti Péternek és Szabó Ferencnek a Pannon Egyetemről.


2013. május 15.

42

Szilárdtest fényforrások multi-domain karakterizálása

Recommend Documents