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

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

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.

Destriaux cella felépítése

Elektrolumineszcens kristály egyszerűsített sávképe

Elektrolumineszcens képmegjelenítő

Színes elektro-luminesz-cens pixel felépítése

Hagyományos LED-ek LichtForum40

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

A világító diódák fényhasznosításának változása

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)

III-V félvezetők

LED kristályszerkezet és sávkép

Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

A világító dióda egyszerűsített sávképe

Hagyományos LED felépítés és színek

Félvezető szeletek a reaktorban

Egyes diódák a lapkán

LED keresztmetszet LichtForum/40

Chip a reflektáló foglalatban

Chip on Board LichtForum40

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

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

A fény kicsatolása, 1.

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

Fény kicsatolás javítása GaP alapú LED esetén

Fény kicsatolása SiC alapú LED esetén

Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

AlInGaN LED-ek fejlődése

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.

Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott kristály

Nagyteljesítményű LED, 5 W LichtForum40

Az invertélt szerkezet metszeti képe

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

2001-es fényhasz-nosítás adatok

Modern hatásfok adatok Nichia: 70 lm/W GaN zöld: 50 lm/W HP: 40 lm/W, 58% hatásfok Fehér: 40 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.

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.

2004 nyári adatok (The Lighting Journal, Sept/Oct 2004) Luxeon V (5W): 2000 h 10 – 20 Wos, 800 lm-es egységek jönnek: 30-35 lm/W Luxeon K2 2006 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 20 000 h-s típusok 50 000 a hosszú élettartamú Meghajtó elektronika élettartama?

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

LED színképek

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)

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

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

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+

Fehér fény vörös, zöld és kék LED használatával

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]

Vörös LED színképének hőmérsékletfüggése

Modern vörös Luxeon LED hőmérsékletfüggése

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

Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

A fehér LED fénysűrűségének és színingerének hőmérsékletfüggése

Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

LED sugárzáseloszlása Különböző névleges eloszlások

LED fényeloszlása

Ernyőn látható besugárzás, inhomogenitások

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

Világító dióda átlagos intenzitásának mérése: 2 eset: A 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

Fényáram goniométerrel Goniophotometer

LED fényáram-mérés fotométer-gömbben

LED rész-fényáram mérés A részleges fényáram mérés definíciója

Rész-fényáram gyakorlati mérése

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

4 különböző teljesítőképességű műszer összehasonlítása

Színinger mérés különböző spektroradiométerekkel

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

Hőmérsékleti beállás

Termostabilizált LED fényáram és részfényáram méréshez

Termostabilizált LED ALI méréshez

Újtípusú LED Standard

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

Száloptikás LED fényáram méréshez

Mérési összeállítás ALI méréshez

LED élettartam: korrózió

Öregedés: technológia függő

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 **

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

A háttér világítás és az elérhető színességi terület

Leggyakoribb alkalmazás: jelzőlámpa

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

Gépkocsi jelzőfények

Olvasó lámpa repülőgépben

Konyhai LED lámpa Cree LED-del

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