Szilárdtest fényforrások

Az előadások a következő témára: "Szilárdtest fényforrások"— Előadás másolata:

1 Szilárdtest fényforrások
elektrolumineszcens panelek, világító diódák (LED-ek), szerves elektrolumineszcencia (OLED)

2 Áttekintés Történelmi áttekintés Világító diódák működése
SiC kristályok Elektrolumineszcens cellák Világító diódák Világító diódák működése fizikai alapok felépítés LEDek mérése: fotometria, színinger mérés Alkalmazás OLEDek

3 Történeti áttekintés SiC: HJ Round, 1907; Lossew, 1923.
ZnS: Destriaux, 1936. Magyar szabadalom:elektrolumi-neszcens világítás 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.

4 Destriaux cella felépítése

5 Elektrolumineszcens kristály egyszerűsített sávképe

6 Elektrolumineszcens képmegjelenítő

7 Színes elektro-luminesz-cens pixel felépítése

8 Hagyományos LED-ek LichtForum40

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

10 A világító diódák fényhasznosításának változása

11 LED-ek fejlődéstörténete
1962 GaAsP 1973 Sárgászöld LED (GaP) 1975 Sárga LED 1978 Nagy intenzitású vörös LED 1991 Kék LED 1997 Fehér LED (kék + fénypor) 2001 Fehér LED (UV LED + fénypor)

12 III-V félvezetők

13 LED kristályszerkezet és sávkép

14 Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

15 A világító dióda egyszerűsített sávképe

16 Hagyományos LED felépítés és színek

17 Félvezető szeletek a reaktorban

18 Egyes diódák a lapkán

19 LED keresztmetszet LichtForum/40

20 Chip a reflektáló foglalatban

21 Chip on Board LichtForum40

22 Világító dióda metszeti képe és mikroszkópi felvétele
n kontaktus GaN: Si Zafír alap ( ~ 100 µm) P GaN:Mg GaN:Si Leválasztó réteg Kontaktus réteg Aktív réteg ~4 µm Világító dióda metszeti képe és mikroszkópi felvétele

23 LEDS keresztmetszete 0.5 nm Metal p-GaN Al15Ga85N In22Ga78N n-GaN
active device area of a blue LED

24 A fény kicsatolása, 1.

25 A fény kicsatolása, 2. Abszorbeáló GaAs alap Átlátszó GaP alap

26 Fény kicsatolás javítása GaP alapú LED esetén

27 Fény kicsatolása SiC alapú LED esetén

28 Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

29

30 AlInGaN LED-ek fejlődése

31 Ternér és quaternér ötvözetek, max
Ternér és quaternér ötvözetek, max. emisszió hullámhosszának függése a belső hatásfoktól From M Krames: Progress and future direction of LED Technology, SSL Workshop Arlington, VA, 2003.

32 Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott kristály

33 Nagyteljesítményű LED, 5 W
LichtForum40

34

35 Az invertélt szerkezet metszeti képe

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

37 2001-es fényhasz-nosítás adatok

38 Modern hatásfok adatok
Nichia: 70 lm/W GaN zöld: lm/W HP: 40 lm/W, 58% hatásfok Fehér: lm/W Agilent/Philips: 102 lm/W Toyoda Gosei: zöld 17% hatásfok kék 20% hatásfok Univ Ulm: 45% hatásfok Jelenleg a közeli ultraibolyában sugárzó LED-ek hatásfoka nagyobb, mint a kékeké, így fehér fényforráshoz alkalmasak.

39 Nichia 2005 okt. adatok 5,5 W – 200 lm 11 W –400 lm
4600 k – 9000 K LED-ek: 38 lm/W 2800 K: 31 lm/W Gépkocsi fényszóróhoz LED: 11 W, 3°C/W termikus ellenállás, max chipp hőmérséklet: 150°C, üzemi körülmények: -40°C – 105°C.

40 2004 nyári adatok (The Lighting Journal, Sept/Oct 2004)
Luxeon V (5W): 2000 h 10 – 20 Wos, 800 lm-es egységek jönnek: lm/W Luxeon K Feb.: 140 lm, 1,5A, 3,85V, 5.8 W, 6500K, 24 lm/W; 700 mA.nél 40 lm/W Élettartam: 2000 h-s egységek h-s típusok a hosszú élettartamú Meghajtó elektronika élettartama?

41 2006 márc adatok Nishia 20 mA-es LED: 100 lm/W gyártába megy
Cree 57 lm/350 mA: 47 lm/W

42 LED színképek

43 Fehér fény-szín előállítása
Vörös + zöld + kék LED színvándorlás Kék-LED + fénypor Fénypor felhordás új módozatai Sárga vagy zöld + vörös fénypor UV-LED + fénypor Stokes eltolódás (gerjesztő és emittált foton energiája közötti különbség okozta veszteség)

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

45 The old “White-Maker” – Y3Al5O12:Ce3+ - still works well
it can hit the Planckian at about 4000 oK, and even give rather good color rendering

46 Két fényporos kék LED kék: zöld: vörös: green in SrGa2S4 = TG:Eu2+
GaN LED zöld: green in SrGa2S4 = TG:Eu2+ vörös: red in SrS:Eu2+

47 Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával

48 LED tulajdonságok LED: félvezető p-n átmenet
Közvetlen vagy közvetett sáv átmenetek Keskeny emissziós sávok: ~ 20 nm – 40 nm sávszélesslg Emisszió: töltéshordozó rekombináció Hőmérséklet hatása Dioda áram – feszültség összefüggés: I = I0 [exp(eV/nkT)-1]

49 Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése

50 Modern vörös Luxeon LED hőmérsékletfüggése

51 Színességi koordináta változás vörös Luxeon LED esetén, (u’,v’) T=50°C=0,007

52 Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

53 A fehér LED fénysűrűségének és színingerének hőmérsékletfüggése

54 Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

55 LED sugárzáseloszlása
Különböző névleges eloszlások

56 LED fényeloszlása

57 Ernyőn látható besugárzás, inhomogenitások

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

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

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

61 Fényáram goniométerrel
Goniophotometer

62 LED fényáram-mérés fotométer-gömbben

63 LED rész-fényáram mérés
A részleges fényáram mérés definíciója

64 Rész-fényáram gyakorlati mérése

65 Színinger meghatározás
Spektroradiometria Hullámhossz pontosság Kalibrációs pontosság: 0,5 nm szükságes lépésköz & sávszélesség, deconvolutió Szórt fény kritikus!

66 4 különböző teljesítőképességű műszer összehasonlítása

67 Színinger mérés különböző spektroradiométerekkel

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

69 Hőmérsékleti beállás

70 Termostabilizált LED fényáram és részfényáram méréshez

71 Termostabilizált LED ALI méréshez

72 Újtípusú LED Standard

73 Average LED Intensity (ALI) méréshez való fej
Száloptikás LED mint ALI standard

74 Száloptikás LED fényáram méréshez

75 Mérési összeállítás ALI méréshez

76 LED élettartam: korrózió

77 Öregedés: technológia függő

78 LCD háttér világítás Háttér világítás fehér LED-ekkel
RGB háttér világítás: szín stabilitás –aktiv visszacsatolás * *From G Harbers: LED backlighting for LCD displays, SID Conf. **From Martynov et al: High efficiency slim LED backlighting system with mixing light guide. SID Digest 03, 43.3 **

79 Osram mSideLED 15 inches demo: 5,5 W – 220 cd/m2

80 A háttér világítás és az elérhető színességi terület

81 Leggyakoribb alkalmazás: jelzőlámpa

82 Kültéri világítás A Duisburg-i kikötőben gyalogos híd járdájának világítása (Stadtmarketing mit Licht, Fördergemeinschaft Gutes Licht, Nr. 16.)

83 Gépkocsi jelzőfények

84

85 Olvasó lámpa repülőgépben

86 Konyhai LED lámpa Cree LED-del

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