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

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) Forrás: http://www.fenybirodalom.hu

COB LED-ek (chip on board) Forrás: http://www.fenybirodalom.hu

MCOB LED-ek (multi chip on board) Forrás: http://www.fenybirodalom.hu

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