Világítástechnika I. VEMIVIB544V

Átírás

1 Világítástechnika I. VEMIVIB544V

2 tartalom Történelmi áttekintés SiC kristályok Elektrolumineszcens cellák Világítódiódák OLEDek Világítódiódák működése fizikai alapok felépítés LED-ek mérése: fotometria, színinger mérés Alkalmazások

3 Történeti áttekintés SiC: HJ Round, 1907; Lossew, ZnS: Destriaux, Magyar szabadalom: SzigetiBay: elektrolumineszcens világítás (1939) GaAsP: Holonyak & Bevacqua, 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. * *

4 ZnS electrolumineszcencia G Destriaux 1936: ZnS nagy térerősségű elektrolumineszcencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek LSI háttér vil.

5 Fényforrások fejlődése

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

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

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

9 100 AlInGaP/GaP lm/w AlInGaP/GaP AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN 10 GaAsP:N GaAs:N 1 GaAsP AlGaAs/AlGaAs SiC GaP:Zn3O GaAs0.6P A világító diódák fényhasznosításának változása

10 Várható fejlődés Forrás: LED Professional WEB page OIDA: Optoelectronics Industry Development Association Cree: 303 lm/w február

11 DOE előrejelzés, 2007 végi adatok Optics.org 2008 Apr.

12 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)

13 III-V félvezetők

14 LED készítés lépései

15 Félvezető lapok az epitaxiális reaktorban

16 Az egyes diódák a lapon

17 LED keresztmetszete Metal p-gan Al15Ga85N In22Ga78N n-gan 0.5 nm active device area of a blue LED

18 LED kristályszerkezet és sávkép

19 Kristályhibák, diszlokációk Ponthibák Hiány-hely Rácsközi pont Kristály síkban lévő hibahelyek Különböző rácsállandójú anyagok határfelülete

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

21 Diszlokációk számának csökkentése, AlN közbenső réteg

22 Diszlokációk számának csökkentése, SiN maszk

23 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

24 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

25 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 Groups III-V compounds GaAs InAs InSb GaP GaN InN Direct Direct Direct Indirect Direct Direct Groups IV-IV compounds α-sic Indirect 2.99 Groups II-VI compounds ZnO CdSe ZnS Direct Direct Direct *Forrás:

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

27 LED keresztmetszet

28 LED lapka (morzsa) a reflektáló foglalatban

29 Modern kék GaN dióda szerkezete

30 Fénykicsatolás, 1.

31 Fénykicsatolás, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base

32 Fénykicsatolás GaP alapú LED lapkából

33 Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

34 Kontaktusok N-típusú kontaktus: Ti, Al és Ti/Al (oxidáció) Au védőréteg P-típusú kontaktus: bonyolult, féltve őrzött gyártási titok

35 Modern nagyteljesítményű kék LED és lapkája

36 Nagyteljesítményű LED, 5 W Luxeon III lm 1400 ma h 2005 április

37 Flip-chip elrendezés metszete

38 Fénypor, tokozás

39 Luxeon K2 tip. LED

40 Teljesítmény LED-ek Forrás:

41 Osram Golden Dragon LED

42 Cree XL LED

43 Sok egyedi LED morzsából összetett fényforrás Tipikus méret: 0,5 cm2 2 cm2, fényárama eléri az 50 lm értéket.

44 SMD LED-ek (surface mounted device) Forrás:

45 COB LED-ek (chip on board) Forrás:

46 MCOB LED-ek (multi chip on board) Forrás:

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

48 LED színképek 1.2 rel.intenzitás 1 fehér kék kék zöld zöld 2 sárga 0.2 narancs hullámhossz, nm vörös

49 Különböző LED struktúrák hatásfok adatai

50 Droop hatás Schubert: CompoundSem iconductor,

51 Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk

52 Lehetséges droop mechanizmus

53 Kék LED+sárga fénypor=fehér Japánban a termelés: 2 millió/hó pcled 60 radiance, a.u nm 800

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

55 Fehér teljesítmény LED metszete Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.rev. Mar/Apr. 2008

56 Távoli fénypor (remote phosphor)

57 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 CIE CCT=4000K, Ra= ,000K K K K nm nm 800

58 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 LED, T = 25C LED,T = 105C Planckian locus Phosphors CIE ,000K K K K 0.2 however, the temperature dependence of efficiency increases on this way, only the Japanese version works well nm

59 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 K: Ra= K: Ra= K 3350K: Ra= K: Ra=93 radiance 30 green in SrGa2S4 = TG:Eu K: Ra= K: Ra=90 20 vörös: red in SrS:Eu zöld: nm 800

60 Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával HP LED, T = 25C HP LED,T = 105C Planckian locus CIE1931 Series10 Series nm 3000K; Ra=82 80 radiance, a.u nm ,000K K K K

61 2007 Szeptember (Cree) Egyetlen chip-ből 4 A-nél 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

62 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 ) 2014 Február: K!

63 LED élettartam terhelés kapcsolata

64 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]

65 Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése RD 6 20 rel. intensity 15 23,0 C 10 40,0 C 5 59,2 C ,7 C wavelength, nm

66 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, wavelength, nm

67 Fehér LED színességének szögfüggése, (u,v ) (8-0 )=0,006 0,482 0,481 0,48 0 v' 0, , ,477 0,476 0,475 0,474 0,21 0,211 u' 0,212

68 Különböző összetételű LED-ek fényáramának hőmérsékletfüggése

69 LED fényeloszlása

70 Detektor LED kör alakú apertúra A=100mm2 d Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A.) d= 316 mm és B.) d=100 mm

71 Fényáram mérés Goniofotométer Fotométergömb Részfényáram, csak első féltérbe Teljes bemerítés

72 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

73 Rész-fényáram gyakorlati mérése Cosine-corrected photometer head d baffle Test LED 50 mm Substitution Standard LED Precision aperture Auxiliary LED

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

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

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

77 Különböző láthatósági függvények rel. sens V'(l) V2(l) V10(l) VM(l) wavelength, nm 700

78 Azonos világosságú vonalak

79 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

80 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.

81 LED élettartam: korrózió

82 Tokozás Korrózió elleni védelem Fénypor hőmérséklete Termikus ellenállás csökkentés

83 LED-ek és az emberi szemvédelme Nagyteljesítményű LEDek sem nem klasszikus fényforrások sem nem lézerek Sugárzásvédelmi előírások még nem tisztázottak

84 Világítódiódás (LED-es) fogalmak világítódióda: CIE 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

85 LED-csomag (package) Tokozott LEDLED csomag (?) Tokozott teljesítmény LED-ek felépítése 85

86 Több tokozott LED vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón 86

87 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

88 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

89 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

90 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

91 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

92 LED-lámpatest Lámpatest, melyet LED-es fényforrások (tokozott LED/LED-csomag, LED-modul, LED-lámpa) befogadására terveztek 92

93 További technológiák Vékonyréteg II-VI félvezetők mikrokristályos rétegek párologtatott rétegek Egykristályok (ZnTe) (pl. számítógép háttérvilágítás) Szerves vékony rétegek: hajlékony, nagyfelületű

94 OLED sávszerkezet singlet triplet singlet

95 A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt

96 Organikus electrolumineszcencia AC el. lum.:bernanose et al.: DC el. lum: Pope et al.: 1963 Anyagok: Polymer LED-ek: PLED-ek kis molekulás OLED-ek

97 Organikus LED-ek: OLED-ek Fehér OLED-ek lm/w < 1000 cd/m h h élettartam, tárolási élettartam! Élettartam szín-függő, vörös OLED-ek stabilabbak méret problema: cm2

98 Fehér OLED-ek lásd: S Harris OLED light sources LEDs Magazin, Feb és 46 lm/w, 5000 h, LED prof.rev. Mar/Apr.2008.

99 Szerves el.lum. kijelző metszete

100 Hajlékony szerves el.lum. panel

101 Kis és nagy felületű OLED képernyő

102 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

103 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