Szilárdtest (félvezető) fényforrások elektrolumineszcenspanelek, világító diódák (LED-ek), szerves elektrolumineszcencia (OLED)
Áttekintés Történelmi áttekintés SiC kristályok Elektrolumineszcens cellák Világító diódák OLEDek Világító diódák működése fizikai alapok felépítés LEDek mérése: fotometria, színinger mérés Alkalmazás
Történeti áttekintés SiC: HJ Round, 1907; Lossew, 1923. ZnS: Destriaux, 1936. Magyar szabadalom: Szigeti-Bay: elektrolumineszcens világítás (1939) GaAsP: Holonyak & Bevacqua, 1962. GaN: Nakamura, 1991 High power LEDs * * * From S Kern: Light emitting diodes in automotive forward lighting applications, SAE 2004 Conf. Proceedings.
ZnS electrolumineszcencia G Destriau 1936: ZnS nagy térerősségű electrolumineszcencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek LSI háttér vil.
Fényforrások fejlődése
LED tulajdonság függ: Felhasznált anyag III-V félvezető, közvetlen vagy közvetett átmenettel Homo- és hetero-átmenet Dióda jellemzők, hőmérsékletfüggések
100 lm/w AlInGaP/GaP AlInGaP/GaP 10 AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN 1 GaAsP:N GaAs:N GaAsP GaP:Zn 3 O AlGaAs/AlGaAs SiC 0.1 GaAs 0.6 P 0.4 1960 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2020 A világító diódák fényhasznosításának változása
Várható fejlődés Forrás: LED Professional WEB page OIDA: Optoelectronics Industry Development Association
DOE előrejelzés, 2007 végi adatok Optics.org 2008 Apr.
LED-ek fejlődéstörténete 1967 Első LED: GaAs + LaF 3 YbEr 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 Al 15 Ga 85 N In 22 Ga 78 N 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 vezetési sáv alja kiürülési tartomány 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
p-n átmenet A félvezető összetétele (GaN alapú és GaAlP alapú Adalékolás Többszörös, hetero, átmenetek, quantum forrás
LED keresztmetszet
LED lapka (morzsa) a reflektáló foglalatban
Modern kék GaN dióda szerkezete
Light extraction, 1.
Light extraction, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base
Fény kicsatolás 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 nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott lapka
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
Osram Golden Dragon LED
Cree XL LED
Sok egyedi LED morzsából összetett fényforrás Tipikus méret: 0,5 cm 2-2 cm 2, fényárama eléri az 50 lm értéket.
Photonkristály (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 0.8 0.6 0.4 0.2 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800-0.2 hullámhossz, nm fehér kék 1 kék 2 zöld 1 zöld 2 sárga narancs vörös
Különböző LED struktúrák hatásfok adatai
Droop hatás Schubert: CompoundSemi conductor, 2008-11-24.
Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk
Lehetséges droop mechanizmus
Kék LED+sárga fénypor=fehér Japánban a termelés: 2 millió/hó 60 pcled 50 radiance, a.u. 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 Rebel-ben LEDs Magazin Aug. 2007
Fehér teljesítmény LED metszete Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.rev. Mar/Apr. 2008
The old White-Maker Y 3 Al 5 O 12 :Ce 3+ - still works well 0.9 0.8 0.7 530 LED, T = 25C LED,T = 105C YAG:Ce Planckian locus CIE1931 it can hit the Planckian at about 4000 o K, and even give rather good color rendering 0.6 520 540 510 0.5 0.4 0.3 0.2 500 490 10,000K 5000K 3300K 2500K 590 600 620 630 640 70 60 50 40 30 20 10 CCT=4000K, Ra=75 0 400 500 600 700 nm 800 480 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
However, 0.9 0.8 0.7 0.6 520 you can hit the Planckian only once, LED, T = 25C LED,T = 105C Planckian locus 530 Phosphors CIE1931 540 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 510 8206 7193 0.5 7118 500 590 0.4 0.3 0.2 490 480 10,000K 5000K 3300K 2500K 600 610 620 630 640 however, the temperature dependence of efficiency increases on this way, only the Japanese version wrks well. 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
Két fényporos kék LED 460 nm + TG:Eu + SrS:Eu kék: 50 7560 K GaN LED radiance 45 40 35 30 25 20 2930 K 2930K: Ra=93 3060K: Ra=93 3350K: Ra=93 3970K: Ra=93 5620K: Ra=93 7560K: Ra=90 zöld: green in SrGa 2 S 4 = TG:Eu 2+ vörös: 15 red in SrS:Eu 2+ 10 5 0 400 500 600 700 nm 800
Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával 30 0.9 25 20 15 10 0.8 0.7 530 HP LED, T = 25C HP LED,T = 105C Planckian locus CIE1931 Series10 Series11 3000K; Ra=82 5 0 400 450 500 550 600 650 nm 700 0.6 0.5 520 510 540 radiance, a.u. 80 60 40 20 0 400 500 600 nm 700 500 590 0.4 10,000K 600 0.3 490 2500K 3300K 5000K 620 630 640 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
Nov 2007 adatok 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) 2009Dec.: 186 lm/w @ 4577 K!
LED élettartam LED magazin 2014 febr.
LED élettartam terhelés kapcsolata
Termikus és elektromos működés LED magazin 2014. febr.
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 = I 0 [exp(ev/nkt)-1]
Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése RD 6 20 rel. intensity 15 10 5 0 600-5 620 640 660 680 700 wavelength, nm 23,0 C 40,0 C 59,2 C 70,7 C
Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése 0,7 rel. intensity 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 22,9 C 33,7 C 54,3 C 67,5 C 0 400 500 600 700 800 wavelength, nm
Fehér LED színességének szögfüggése, (u,v ) (8-0 ) =0,006 0,482 0,481 0,48 v' 0,479 0,478 0,477 0 2 4 6 8 0,476 0,475 0,474 0,21 0,211 0,212 u'
Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése
LED fényeloszlása
LED Detektor kör alakú apertúra d A=100mm 2 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 Φ LED,x 50 mm diam. d= 25 tanx [mm] d x where 0 x 90
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) 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(λ) A V M (λ) függvény Fényjelzések esetén tengelyen kívüli látás Szín-hatások: Világosság/fénysűrűség összefüggés
Különböző láthatósági függvények 1.200 1.000 rel. sens. 0.800 0.600 0.400 V'(l) V2(l) V10(l) VM(l) 0.200 0.000 400 500 600 700 wavelength, nm
Azonos világosságú vonalak
Fényhasznosítások fényforrás V(λ) V M (λ) V 10 (λ) 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
Világító diódás (LED-es) fogalmak világító dióda: 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 78
LED-tok(?) (package) Tokozott LED- LED csomag (?) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése 79
LED-mátrix/tömb (LED array) Több tokozott LE D vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón 80
LED-modul (LED module) Egy vagy több tokozott LEDből/LED-csomagból álló összeállítás, mely tartalmazhat elektromos, optikai, mechanikus és termikus alkatrészeket, interfészeket és előtéteket (vezérlő készülék - controlgear) 81
LED light engine Tokozott LEDekből/LED-csomagokból vagy modulokból álló összeállítás, mely tartalmazza a LED-előtétet, optikai és termikus egységeket. Külön rendelésre készített csatlakozón át csatlakozik a hálózatra. 82
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. 83
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 színkeverésben, öregedés-kompenzációban 84
A különböző felépítésű (retrofit) LED-lámpák szerkezete PS: tápegység CU: vezérlő egység Controlgear: LEDvezérlő készülék, előtét i: integrált si: külső tápegységgel működő ni: külső előtéttel működő 85
LED-lámpatest Lámpatest, melyet LEDes fényforrások (tokozott LED/LEDcsomag, LEDmodul, LEDlámpa) befogadására terveztek 86
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/m 2 10 000 h 30 00 h élettartam, tárolási életttartam! Élettartam szín-függő, vösös OLED-ek stabilabbak méret problema: 10 20 cm 2
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 mm 2 ) 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