Világítástechnika I. VEMIVIB544V

Világítástechnika I. VEMIVIB544V

tartalom • Történelmi áttekintés

▫ SiC kristályok ▫ Elektrolumineszcens cellák ▫ Világítódiódák

• OLEDek • Világítódiódák működése ▫ fizikai alapok ▫ felépítés

• LED-ek mérése: fotometria, színinger mérés • Alkalmazások

Történeti áttekintés • SiC: HJ Round, 1907; Lossew, 1923. • ZnS: Destriaux, 1936. • Magyar szabadalom: SzigetiBay: elektrolumineszcens világítás (1939) • GaAsP: Holonyak & Bevacqua, 1962. • GaN: Nakamura, 1991

▫ (Isamu Akasaki, Hiroshi Amano & Shuji Nakamura) Nobel-prize 2014!

• High power LEDs

* From S Kern: Light emitting diodes in automotive forward lighting applications, SAE 2004 Conf. Proceedings.

*

*

ZnS electrolumineszcencia • G Destriaux – 1936: ZnS nagy térerősségű elektrolumineszcencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek

LSI háttér vil.

Fényforrások fejlődése

Pannon Egyetem Virtuális Környezetek és Fénytani Kutatólaboratórium

Fényforrások fejlődése


Forrás: Jong Kyu Kim and E. Fred Schubert, "Transcending the replacement paradigm of solid-state lighting," Opt. Express 16, 21835-21842 (2008)

LED energiafolyamat


Forrás: Jong Kyu Kim and E. Fred Schubert, "Transcending the replacement paradigm of solid-state lighting," Opt. Express 16, 21835-21842 (2008)

LED tulajdonság függ: • Felhasznált anyag ▫ III-V félvezető, közvetlen vagy közvetett átmenettel ▫ Homo- és hetero-átmenet ▫ Dióda jellemzők, hőmérsékletfüggések

100

AlInGaP/GaP

lm/W AlInGaP/GaP AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN

10

GaAsP:N GaAs:N 1

GaAsP

AlGaAs/AlGaAs

SiC

GaP:Zn3O

GaAs0.6P0.4 0.1 1960

1970

1975

1980

1985

1990

A világító diódák fényhasznosításának változása

1995

2000

2020

Várható fejlődés


Forrás: LED Professional WEB page OIDA: Optoelectronics Industry Development Association Cree: 303 lm/W 2014. február

DOE előrejelzés, 2007 végi adatok

• Optics.org 2008 Apr.

LED-ek fejlődéstörténete • • • • • • •

1967 Első LED: GaAs + LaF3YbEr 1973 Sárgászöld LED (GaP) 1975 Sárga LED 1978 Nagy intenzitású vörös LED 1993 Kék LED 1997 Fehér LED (kék + fénypor) 2001 Fehér LED (UV LED + fénypor)

III-V félvezetők



LED készítés lépései


Félvezető lapok az epitaxiális reaktorban

Az egyes diódák a lapon


LED keresztmetszete

Metal

p-GaN

Al15Ga85N In22Ga78N n-GaN

0.5 nm

active device area of a blue LED

LED kristályszerkezet és sávkép

Kristályhibák, diszlokációk • Ponthibák ▫ Hiány-hely ▫ Rácsközi pont

• Kristály síkban lévő hibahelyek • Különböző rácsállandójú anyagok határfelülete

Diszlokációk • A növesztéskor a rácsállandó különbségből sok diszlokáció keletkezik • A réteg növekedése adott növesztési technika esetén


Diszlokációk számának csökkentése, AlN közbenső réteg

Diszlokációk számának csökkentése, SiN maszk



A világító dióda egyszerűsített sávképe foton emisszió kiürülési tartomány vezetési sáv alja

szabad elektron

p-tip Fermi nívó n-tip. Fermi nívó

szabad lyuk vegyérték kötési sáv teteje

az átmenetre helyezett feszültség

Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség E el


E el

vez.sáv

közvetlen átmenet

közvetett fonon cst. átmenet

vegyért. köt.sáv

E

lyuk

E lyuk


Közvetlen és közvetett átmenet Material

Direct / Indirect Bandgap

Band Gap Energy at 300 K (eV)

Elements

C (diamond) Ge Si Sn (grey)

Indirect Indirect Indirect Direct

5.47 0.66 1.12 0.08

Groups III-V compounds

GaAs InAs InSb GaP GaN InN

Direct Direct Direct Indirect Direct Direct

1.42 0.36 0.17 2.26 3.36 0.70

Groups IV-IV compounds

α-SiC

Indirect

2.99

Groups II-VI compounds

ZnO CdSe ZnS

Direct Direct Direct

3.35 1.70 3.68

*Forrás: http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/semiconductors/compound.php

p-n átmenet • A félvezető összetétele (GaN alapú és GaAlP alapú • Adalékolás • Többszörös, heteroátmenetek, „quantum forrás”

LED keresztmetszet



LED lapka (morzsa) a reflektáló foglalatban


Modern kék GaN dióda szerkezete


Fénykicsatolás, 1.


Fénykicsatolás, 2.

Absorbing GaAs base

Transparent GaP base


Fénykicsatolás GaP alapú LED lapkából

Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén


Kontaktusok • N-típusú kontaktus: Ti, Al és Ti/Al (oxidáció) ▫ Au védőréteg

• P-típusú kontaktus: bonyolult, féltve őrzött gyártási titok


Modern nagyteljesítményű kék LED és lapkája


Nagyteljesítményű LED, 5 W Luxeon III 140 – 190 lm 1400 mA 20.000 h 2005 április


Flip-chip elrendezés metszete

Fénypor, tokozás

Luxeon K2 tip. LED



Teljesítmény LED-ek

Forrás: http://www.fenybirodalom.hu

Osram Golden Dragon LED



Cree XL LED


Sok egyedi LED morzsából összetett fényforrás

Tipikus méret: 0,5 cm2 2 cm2, fényárama eléri az 50 lm értéket.


SMD LED-ek (surface mounted device)



COB LED-ek (chip on board)



MCOB LED-ek (multi chip on board)


Photon- kristály (PC) • Pásztázó electron mikroszkop felvétel a felületi struktúráról. • PC-LED sematikus vázlata. (Credit: Seoul National University, Korea) • (Optics.org. Nov.2005.)


LED színképek 1.2

rel.intenzitás

1

fehér kék 1

0.8

kék 2 0.6

zöld 1

0.4

zöld 2 sárga

0.2

narancs

0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 -0.2 hullámhossz, nm

vörös

Különböző LED struktúrák hatásfok adatai

Droop hatás


Schubert: CompoundSem iconductor, 2008-11-24.

Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk



Lehetséges droop mechanizmus


Kék LED+sárga fénypor=fehér Japánban a termelés: 2 millió/hó

pcLED 60

radiance, a.u.

50 40 30 20 10 0 400

500

600

700

nm

800

Lumileds Lumiramic technológia • Fénypor kerámia rétegbe ágyazva, vékony réteg flip chip technológiával kombinálva a Luxeon Rebelben LEDs Magazin Aug. 2007


Fehér teljesítmény LED metszete

Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.Rev. Mar/Apr. 2008

Távoli fénypor (remote phosphor)

http://led.lginnotek.com/front/tec/tecElectricalView.do https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-21-S5-A765#figanchor3

The old “White-Maker” – Y3Al5O12:Ce3+ - still works well 0.9

LED, T = 25C

it can hit the Planckian at about 4000K, and even give rather good color rendering

LED,T = 105C

0.8

YAG:Ce Planckian locus

0.7

530

CIE1931

520 540

0.6 510

70 0.5

CCT=4000K, Ra=75

60 500

590

0.4

40 600

10,000K

30 20

620 630

2500K

0.3

50

10

3300K

490

0 400

640

5000K 0.2 480 0.1

470 460 450 nm

0.0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

500

600

700

nm

800

However, you can hit the Planckian only once, and the Europeans want warmer white, the Japanese want a colder white: So, replace part of the Y by Gd, and the spectrum shifts red …… 0.9

0.8 LED, T = 25C LED,T = 105C Planckian locus

0.7

530

Phosphors CIE1931

520

540

0.6 510

8206

7193

0.5

7118 500

590

0.4

600

10,000K

610 620 630

2500K

0.3

3300K

490

640

5000K 0.2

however, the temperature dependence of efficiency increases on this way, only the Japanese version works well.

480 0.1

470 460 450 nm

0.0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Jó színvisszaadású fehér színkép előállítása 460 nm-es kék LED + fényporos zöld és vörös LED-ekkel


kék:

460 nm + TG:Eu + SrS:Eu 50

GaN LED

7560 K

45

2930K: Ra=93

40

3060K: Ra=93

2930 K

3350K: Ra=93

35

3970K: Ra=93

radiance

30

green in SrGa2S4 = TG:Eu2+

5620K: Ra=93

25

7560K: Ra=90

20

vörös:

red in SrS:Eu2+

15 10 5 0 400

zöld:

500

600

700 nm

800

Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával


30

0.9 HP LED, T = 25C HP LED,T = 105C Planckian locus CIE1931 Series10 Series11

25

0.8

20 15

0.7

530 520

5

540

0.6 0 400

450

500

550

600

650

nm

3000K; Ra=82 80

radiance, a.u.

10

510

700

60 40 20 0 400

0.5

500

nm

700

590

500 0.4

600

10,000K

620 630

2500K

0.3

600

3300K

490

640

5000K 0.2 480 0.1

470 460

0.0 0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

2007 Szeptember (Cree) • Egyetlen chip-ből 4 A-nél ▫ 1 050 lm, 72 lm/W hideg fehér ▫ 760 lm, 52 lm/W meleg fehér

• 350 mA-nél ▫ 129 lm/W hideg fehér ▫ 99 lm/W meleg fehér

Néhány adat NICHIA: • 350 mA-nél: 134 lm/W, 1x1 mm2 felület. • 1A esetén: 97 lm/W, 361 lm • 20 mA-nél 169 lm/W, ez 450 nm-es kék LEDdel • Elmélet optimumok: ▫ ▫

450 nm-es LEDdel: 263 lm/W 405 nm-es LEDdel: 203 lm/W

CREE • 133 lm/W méret? LUMILEDS • 350 mA, 1x1 mm2 chip: 115 lm/W • 4x4mm2 chip: 142 lm/W OSRAM LED Magazin 2008 Július • 350 mA-nél:155 lm, 136 lm/W, 1 mm2, 5000 K, 1,4A:500lm US Dep. Energy cél adatok: • 2012-ig: 2A-nél 150 lm/W • (Compoundsemiconductor.net Nov.12 2007) 2014 Február: 303 lm/W @ 5500 K !


LED élettartam – terhelés kapcsolata

LED tulajdonságok • LED: félvezető p-n átmenet ▫ Közvetlen vagy közvetett sáv átmenetek  Keskeny emissziós sávok: ~ 20 nm – 40 nm sávszélesség  Emisszió: töltéshordozó rekombináció

▫ Hőmérséklet hatása  Dioda áram – feszültség összefüggés: I = I0 [exp(eV/nkT)-1]


Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése RD 6 20 rel. intensity

15

23,0°C

10

40,0°C

5

59,2°C

0 600 -5

70,7°C 620

640

660

wavelength, nm

680

700

Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése


rel. intensity

0,7 0,6

22,9°C

0,5

33,7°C

0,4

54,3°C

0,3

67,5°C

0,2 0,1 0 400

500

600 wavelength, nm

700

800


Fehér LED színességének szögfüggése, (u’,v’)(8°-0°)=0,006 0,482 0,481 0,48 0°

v'

0,479

2° 4°

0,478

6° 8°

0,477 0,476 0,475 0,474 0,21

0,211 u'

0,212


Különböző összetételű LED-ek fényáramának hőmérsékletfüggése

LED fényeloszlása


Detektor LED

kör alakú apertúra

A=100mm2 d

Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A.) d= 316 mm és B.) d=100 mm

Fényáram mérés • Goniofotométer • Fotométergömb ▫ Részfényáram, csak első féltérbe ▫ Teljes bemerítés

LED rész-fényáram mérés • A részleges fényáram mérés definíciója  25 d [mm] tan x where 0  x  90

LED,x 50 mm diam.

x d


Rész-fényáram gyakorlati mérése Cosine-corrected photometer head

d

baffle

Test LED 50 mm Substitution

Standard LED

Precision aperture Auxiliary LED

Standard LED • Hőmérsékletstabilizálás szükséges • Average LED Intensity (ALI) átlagos LED fényerősség méréshez iránybeállítás szükséges


4. generáció: ALI méréshez, 100 mA-es Luxeon LED-del

A LED láthatósága • • • •

Szabványos fotometriai mérés: V() A VM() függvény Fényjelzések esetén tengelyen kívüli látás Szín-hatások: ▫ Világosság/fénysűrűség összefüggés


Különböző láthatósági függvények 1.200 1.000

rel. sens.

0.800

V'(l) V2(l)

0.600

V10(l) VM(l)

0.400 0.200 0.000 400

500

600

wavelength, nm

700


Azonos világosságú vonalak

Fényhasznosítások fényforrás

V()

VM()

V10()

izzólámpa

14,7

14,7

15,5

AlGaInP LED, 630 nm

21,0

21,0

22,1

InGaN LED, 470 nm

6,0

6,2

11,5

InGaN+YAG LED, fehér

15,0

15,1

16,5

LED-ek meghibásodásának okai • A kristálystruktúra hibái, ezek mozgása • Az árambevezetés túlterhelése ▫ Külső kontaktus ▫ Áram eloszlás a rétegben

• Fénypor öregedés • Tokozás ▫ külső behatások: nedvesség stb.


LED élettartam: korrózió

Tokozás • Korrózió elleni védelem • Fénypor hőmérséklete • Termikus ellenállás csökkentés

LED-ek és az emberi szemvédelme • Nagyteljesítményű LEDek ▫ sem nem klasszikus fényforrások ▫ sem nem lézerek

• Sugárzásvédelmi előírások még nem tisztázottak

Világítódiódás (LED-es) fogalmak • világítódióda: CIE 17-662 light emitting diode: p-n átmenettel rendelkező szilárdtest eszköz, mely elektromos árammal gerjesztve optikai sugárzást bocsát ki ▫ Rövidítés: LED

• LED-lapka (morzsa): LED die

84

LED-csomag (package)

Tokozott LEDLED csomag (?)

• Tokozott teljesítmény LED-ek felépítése 85

• Több tokozott LED vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón

86

LED-modul (LED module) • Egy vagy több tokozott LED-ből/LED-csomagból álló összeállítás, mely tartalmazhat elektromos, optikai, mechanikus és termikus alkatrészeket, interfészeket és előtéteket (vezérlő készülék - controlgear)

87

LED light engine • Tokozott LED-ekből/LED-csomagokból vagy – modulokból álló összeállítás, mely tartalmazza a LEDelőtétet, optikai és termikus egységeket. Külön rendelésre készített csatlakozón át csatlakozik a hálózatra.

88

LED-lámpa • Lámpa, mely egy vagy több tokozott LEDet/LEDcsomagot vagy modult tartalmaz és lámpafejjel rendelkezik

A lámpafej lehet új típusú, LED-lámpához fejlesztett lámpafej.

89

Villamos áramköri elemek • LED-meghajtó/működtető egység (controlgear for LEDs: LED vezérlő készülék): egység, mely a hálózat és a LED-csomag vagy –modul közé kapcsolódik és a LED-ek előírt áram/teljesítmény ellátására szolgál, tartalmazhat részegységeket, melyek a dimmelést, a teljesítménytényező korrekcióját, a rádiófrekvenciás zavarok csökkentését stb. látják el. • LED tápegység (power supply controlgear): a LED-előtét részegysége, mely a LED-ek áram/feszültég/teljesítmény vezérlését látja el, de nincs további szabályozási szerepe • LED vezérlő egység (LED control unit): a LED-előtétnek az áramellátást biztosítjó részegysége, mely részt vesz a szín-keverésben, öregedés-kompenzációban

90

A különböző felépítésű (retrofit) LED-lámpák szerkezete • • • • • •

PS: tápegység CU: vezérlő egység Controlgear: LED-vezérlő készülék, előtét i: integrált si: külső tápegységgel működő ni: külső előtéttel működő

91

LED-lámpatest • Lámpatest, melyet LED-es fényforrások (tokozott LED/LED-csomag, LED-modul, LED-lámpa) befogadására terveztek

92

További technológiák • Vékonyréteg II-VI félvezetők ▫ ▫ ▫ ▫

mikrokristályos rétegek párologtatott rétegek Egykristályok (ZnTe) (pl. számítógép háttérvilágítás)

• Szerves vékony rétegek: ▫ hajlékony, ▫ nagyfelületű


OLED sávszerkezet singlet

triplet

singlet

A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt


Organikus electrolumineszcencia • AC el. lum.:Bernanose et al.: 1953. • DC el. lum: Pope et al.: 1963 • Anyagok: ▫ Polymer LED-ek: PLED-ek ▫ kis molekulás OLED-ek

Organikus LED-ek: OLED-ek • Fehér OLED-ek ▫ 30 – 50 lm/W ▫ < 1000 cd/m2 ▫ 10 000 h – 30 000 h élettartam, tárolási élettartam!

• Élettartam szín-függő, vörös OLED-ek stabilabbak • méret problema: 10 – 20 cm2

Fehér OLED-ek

lásd: S Harris OLED light sources LEDs Magazin , Feb. 2007 és 46 lm/W, 5000 h, LED prof.Rev. Mar/Apr.2008.


Szerves el.lum. kijelző metszete


Hajlékony szerves el.lum. panel


Kis és nagy felületű OLED képernyő

Szervetlen - szerves LED-ek összehasonlítása • Szervetlen ▫ Kis méret (chip néhány mm2) ▫ Merev és szilárd ▫ Hosszú élettartam

• szerves

▫ Nagy felület – sík tábla ▫ törékenyebb ▫ Élettartam tokozás függő

Összefoglalás • InGaAlP és GaN alapú LED technológia • Jelzőlámpákban egyértelmű előny ▫ élettartam ▫ rázásállóság

• Nagyfelületű kijelzők • Általános világításhoz fehér fény ▫ 3 chip technológia ▫ 1 chip + 1 vagy 2 fénypor technológia

• Szerves technológia kísérleti stádiumban

Világítástechnika I. VEMIVIB544V

Recommend Documents