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

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

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.

Destriaux cella felépítése

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

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 00 h élettartam, tárolási életttartam! Élettartam szín-függő, vösös OLED-ek stabilabbak méret problema: 10 – 20 cm2

Fehér OLED-ek lásd: S Harris OLED light sources … LEDs Magazin , Feb. 2007.

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

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 20 ... 100 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.

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

A világító diódák fényhasznosításának változása

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

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 lapkák az epitaxiális reaktorban

Az egyes diódák a lapkán

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

LED kristályszerkezet és sávkép

A világító dióda egyszerűsített sávképe

Anyagok: Sávszélesség – rácsállandó összefüggés From Hecht J: Semiconductor sources advance deeper into the ultraviolet. Laser Focus WorldFeb. 2005 95-99.

Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

Hagyományos LED felépítés és színek

LED keresztmetszet LichtForum/40

Chip a reflektáló foglalatban

Chip on Board LichtForum40

Modern kék GaN dióda szerkezete

Light extraction, 1.

Light extraction, 2. Absorbing GaAs base Transparent GaP base

Increasing the light extraction in case of a GaP based LED

Light extraction in case of a SiC based LED

Kicsatolás hagyományos és fazettált LED esetén

A reflektorban ülő chip surárzása

LED belső felépítése Magnified

Modern nagyteljesíményű kék LED eszköz és az alkalmazott kristály

Nagyteljesítményű LED, 5 W Luxeon III 140 – 190 lm 1400 mA 20.000 h 2005 április LichtForum40

Flip-chip elrendezés metszete

Luxeon K2 tip. LED

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.

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

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)

LED színképek

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

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

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

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.

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

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

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

LedEngin adatok, 2007-08-19 Tipikus gyártási adat: 80 lm/W @ 350mA, lab.: 100 lm/W De a szövegben 15 W-os: 40 lm/W LED Magazine, Week 35, 2007

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

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

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

Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

A fehér LED fénysűrűségének és színingerének hőmérsékletfüggése

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

Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

LED sugárzáseloszlása Különböző névleges eloszlások

LED fényeloszlása

Ernyőn látható besugárzás, inhomogenitások

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

Átlagos LED intenzitás mérése

Fényáram mérés Goniofotométer Fotométergömb Részfényáram, csak első féltérbe Teljes bemerítés

Fényáram goniométerrel Goniophotometer

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

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

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

3. generációs LED etalon

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

Azonos világos-ságú vonalak

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

LED élettartam: korrózió

Öregedés: technológia függő

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

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

OLED sávszerkezet singlet triplet

A polimer kémiai szerkezete határozza meg a színt

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

Organic Light Emitting Diode (OLED) szerkezete

Szerves el.lum. cella keresztmetszete

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

Reflexiós veszteség csökkentése OLED esetén szubsztrátum kialakítással

Szerves el.lum. pixel vázlata

Hajlékony OLED struktúra

Szerves el.lum. kijelző metszete

Hajlékony szerves el.lum. panel

Kis és nagy felületű OLED képernyő

14”-es tintasugaras technikával készült kijelző

Szerves képmegjelenítő

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

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