Szilárdtest (félvezető) 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.

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

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

DOE előrejelzés, 2007 végi adatok Optics.org 2008 Apr.

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 lapok az epitaxiális reaktorban

Az egyes diódák a lapon

LED keresztmetszete 0.5 nm Metal p-GaN Al15Ga85N In22Ga78N n-GaN 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

Közvetlen és közvetett átmenet, lényeges hatásfok különbség

p-n átmenet A félvezető összetétele (GaN alapú és GaAlP alapú Adalékolás Többszörös, hetero, átmenetek, „quantum forrás”

LED keresztmetszet LichtForum/40

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 LichtForum40

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 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.)

LED színképek

Különböző LED struktúrák hatásfok adatai

Droop hatás Schubert: CompoundSemiconductor, 2008-11-24.

Sugárzásos és nem-sugárzásos rekombinációk

Lehetséges droop mechanizmus

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

Fehér teljesítmény LED metszete Cox Ch.: Improved LED modules for General lighting market, LED pfof.Rev. Mar/Apr. 2008

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

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

Nov 2007 adatok 2009Dec.: 186 lm/W @ 4577 K ! 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 – terhelés kapcsolata

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

Fényporos fehér LED színképének hőmérsékletfüggése

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

Különböző összetételű LEDek fényáramának hőmérsékletfüggése

LED fényeloszlása

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

LED rész-fényáram mérés A részleges fényáram mérés definíciója

Rész-fényáram gyakorlati mérése

Standard LED Hőmérsékletstabilizálás szükséges 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() 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-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

LED-tok(?) (package) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése Tokozott LED- LED csomag (?) 2 tokozott teljesítmény LED felépítése

LED-mátrix/tömb (LED array) Több tokozott LE D vagy lapka geometriai rendbe történt elrendezése nyomtatott áramköri lapon vagy más hordozón

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)

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.

LED-lámpa Lámpa, mely egy vagy több tokozott LEDet/LED-csomagot vagy modult tartalmaz és lámpafejjel rendelkezik A lámpafej lehet új típusú, LED-lámpához fejlesztett lámpafej.

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 szín-keverésben, öregedés-kompenzációban

A különböző felépítésű (retrofit) LED-lámpák szerkezete PS: tápegység CU: vezérlő egység Controlgear: LED-vezérlő készülék, előtét i: integrált si: külső tápegységgel működő ni: külső előtéttel működő

LED-lámpatest Lámpatest, melyet LED-es fényforrások (tokozott LED/LED-csomag, LED-modul, LED-lámpa) befogadására terveztek

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

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 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 Kis méret (chip néhány mm2) 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