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

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

4 Destriaux cella felépítése

5 ZnS electrolumineszcencia
G Destriau – 1936: ZnS nagy térerősségű electro-luminesz-cencia: ütközéses ionizáció MKS ElLumPanelek LSI háttér vil.

6 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

7 Organikus LED-ek: OLED-ek
Fehér OLED-ek 30 – 50 lm/W < 1000 cd/m2 h – h élettartam, tárolási életttartam! Élettartam szín-függő, vösös OLED-ek stabilabbak méret problema: 10 – 20 cm2

8 Fehér OLED-ek lásd: S Harris OLED light sources …
LEDs Magazin , Feb

9 Szervetlen - szerves LED-ek összehasonlítása
Kis méret (chip néhány mm2) Merev és szilárd Hosszú élettartam szerves Nagy felület – sík tábla törékenyebb Élettartam tokozás függő

10 Fényforrások fejlődése
A fényforrások fejlődéstörténetét áttekintve a következőket állapíthatjuk meg: Edison első izzólámpái még az 1 lm/W fényhasznosítást sem érték el, az alaktartó wolfram huzal kidolgozásával lehetővé vált a 10 – 15 lm/W fényhasznosítás, s ennél a mai általános célú izzólámpák fényhasznosítása sem sokkal jobb. Kismértékű fényhasznosítás javulást azután a halogén izzólámpák megjelenése hozott. A fénycsövek a negyvenes évek elején kerültek kidolgozásra, lassú szívós javító munkával a kezdeti kb. 50 lm/W fényhasznosítást kb. 70 lm/W-ra sikerült növelni a 60-as évek végére. A Ritkaföldfém adalékolású, u.n. három sávos fényporok kidolgozása – s az ezekkel megvalósítható nagyobb falterhelés – lehetővé tette a kompakt fénycsövek kidolgozását, majd az elektronikus előtétek megjelenésével a fénycső gázkisülését a hélózati feszültségtől és frekvenciától függetleníteni lehetett, ennek eredménye, hogy modern fénycsövek elérik a 100 lm/W fényhasznosítást is. A nagynyomású gázkisülőlámpák kb. egyidősek a fénycsövekkel, első családjuk a Hg-lámpák voltak, melyek a 60-as évektre elérték a kb. 70 lm/W fényhasznosítást, s lényeges javulást azóta sem sikerült ezen a téren megvalósítani. Ennek elsősorban az az oka, hogy ekkor jelentek meg a nagynyomású fémhalogén és Na lámpák, melyek fénytechnikai (szín-, színvisszaadás stb.) tulajdonságai sokkal ígéretesebbek voltak, mint a Hg-lámpáké. A fémhalogénlámpák ma elérik a 110 lm/W-ot, a nagynyomású Na-lámpák a 130 – 140 lm/W-ot (a lámpa színének és színvisszaadásának változtatásával a fényhasznosítás befolyásolható). A két lámpacsalád közötti küzdelmet ma alapvető fiziológiai kutatási eredmények befolyásolják: az emberi szem perifériális látásának színképi érzékenysége – különös tekintettel az útvilágításban használt mezopos tartományban – lényegesen eltér a fotometriai mérések alapját képező láthatósági görbétől, és ezért a nagynyomású Na-lámpák nagyobb mért fényhasznosítását nem lehet teljes egészében hasznosítani az útvilágításban. A 80-as években indult rohamos fejlődésnek a LED, fényhasznosítása igen gyorsan javul, ma már a lm/W közötti tartományban írnak le ilyen eszközöket. Az elmúlt évtizedekben kijelzőket készítettek LED-ekkel, ma a közúti jelzőfények közkedvelt fényforrásai, mivel külső színes szűrőüvegek nélkül is el lehet érni a különböző jelzések által megkívánt fény-színt. Egybehangzó prognózisok szerint a közeli jövőben várható, hogy a LED-ek elfoglalják helyüket az általános világítás területén is.

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

12 A világító diódák fényhasznosításának változása

13 Várható fejlődés Forrás: LED Professional WEB page
OIDA: Optoelectronics Industry Development Association

14 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)

15 III-V félvezetők

16 LED készítés lépései

17 Félvezető lapkák az epitaxiális reaktorban

18 Az egyes diódák a lapkán

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

20 LED kristályszerkezet és sávkép

21 A világító dióda egyszerűsített sávképe

22 Anyagok: Sávszélesség – rácsállandó összefüggés
From Hecht J: Semiconductor sources advance deeper into the ultraviolet. Laser Focus WorldFeb

23 Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

24 Hagyományos LED felépítés és színek

25 LED keresztmetszet LichtForum/40

26 Chip a reflektáló foglalatban

27 Chip on Board LichtForum40

28 Modern kék GaN dióda szerkezete

29 Light extraction, 1.

30 Light extraction, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base

31 Increasing the light extraction in case of a GaP based LED

32 Light extraction in case of a SiC based LED

33 Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

34

35

36 A reflektorban ülő chip surárzása

37 LED belső felépítése Magnified

38 Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott kristály

39 Nagyteljesítményű LED, 5 W
Luxeon III 140 – 190 lm 1400 mA h 2005 április LichtForum40

40

41 Flip-chip elrendezés metszete

42 Luxeon K2 tip. LED

43 Osram Golden Dragon LED

44 Cree XL LED

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

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

47 Foton-kristályos fedőrétegű és hagyományos LED összehasonlítása
Different versions of the PC-LED. Devices fabricated with a 500 nm lattice period photonic crystal structure (bottom left) emitted 2.1 times more light than a conventional planar device (top left). (credit: Seoul National University, Korea)

48 LED színképek

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

50 Lumileds Lumiramic technológia
Fénypor kerámia rétegbe ágyazva, vékony réteg flip chip technológi-ával kombinálva a Luxeon Rebel-ben LEDs Magazin Aug. 2007

51 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

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

53 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+

54 Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával

55 Teljesítmény adatok, 2006 dec.
SSC: 100 lm/W 350 mA-nél; 240 lm 1 A-nél

56 LED Magazin 2005 márciusi adatok
Harvatek fehér LED: 30 lm/350 mA, 60 lm/700 mA, 100 lm/1,05 A Toshiba: 60 lm/500 mA ENVISUM Power PLCC-4 STM 630 nm: 10 cd, 2,6 lm 617 nm: 1,58 cd, 4,3 lm 592 nm: 1 cd, 3 lm LumiLeds, labor: 102 lm/W

57 LedEngin adatok, Tipikus gyártási adat: mA, lab.: 100 lm/W De a szövegben 15 W-os: 40 lm/W LED Magazine, Week 35, 2007

58 2007 Szeptember (Cree) Egyetlen chip-ből 4 A-nél 350 mA-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

59 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]

60 Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése

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

62 Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

63 A fehér LED fénysűrűségének és színingerének hőmérsékletfüggése

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

65 Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

66 LED sugárzáseloszlása
Különböző névleges eloszlások

67 LED fényeloszlása

68 Ernyőn látható besugárzás, inhomogenitások

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

70 Átlagos LED intenzitás mérése

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

72 Fényáram goniométerrel
Goniophotometer

73 LED rész-fényáram mérés
A részleges fényáram mérés definíciója

74 Rész-fényáram gyakorlati mérése

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

76 4 különböző teljesítőképességű műszer összehasonlítása

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

78 A LED p-n átmenetén eső feszültség hőmérsékletfüggése állandó áram esetén

79 3. generációs LED etalon

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

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

82 Különböző láthatósági függvények

83 Azonos világos-ságú vonalak

84 Fényhasznosítások fényforrás V() VM() V10() izzólámpa 14,7 15,5
AlGaInP LED, 630 nm 21,0 22,1 InGaN LED, 470 nm 6,0 6,2 11,5 InGaN+YAG LED, fehér 15,0 15,1 16,5

85 LED élettartam: korrózió

86 Öregedés: technológia függő

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

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

89 OLED sávszerkezet singlet triplet

90 A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt

91 OLED fényhasznosítás, nov. 2005,
Osram: 25 lm/W fehér: kék OLED + szervetlen fénypor Osram 20 lm/W fehér polymer RGB polymer, AM display, tintasugras technológia

92 Organic Light Emitting Diode (OLED) szerkezete

93 Szerves el.lum. cella keresztmetszete

94 Reflexiós veszteségek csökkentése OLED esetén
Substrate Lens qff With lens Without lens

95 Reflexiós veszteség csökkentése OLED esetén szubsztrátum kialakítással

96 Szerves el.lum. pixel vázlata

97 Hajlékony OLED struktúra

98 Szerves el.lum. kijelző metszete

99 Hajlékony szerves el.lum. panel

100

101 Kis és nagy felületű OLED képernyő

102 14”-es tintasugaras technikával készült kijelző

103 Szerves képmegjelenítő

104 Belsőtéri világítás, a jövő az OLED-é
850 candelas/m2 Maximum Ceiling Brightness (IESNA RP-1)

105 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