reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© janaka-dharmasena-dreamstime.com Technologie | 20 grudnia 2013

Sposoby otrzymywania białych emiterów LED

Dzisiaj kolejna część serii artykułów o diodach LED. Tym razem zapoznamy się ze sposobami ich wytwarzania.


Diody LED są emiterami wytwarzającymi promieniowanie w wąskim zakresie widma częstotliwości – są więc źródłami światła monochromatycznego. Światło białe jest natomiast wrażeniem wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem zawierającym fale świetlne z całego widma widzialnego od 425 nm do 675 nm. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, które najczęściej emituje widmo o szerokości połówkowej nie przekraczającej kilkunastu nanometrów (podstawowe informacje o złączu p-n i działaniu diod LED zamieściłem w pierwszej części artykułu pt. Elektroluminescencja). Mimo to wytwarza się białe diody LED, i co więcej, są one teraźniejszością i przyszłością nowoczesnej techniki oświetleniowej. Żeby wykonać białą diodę LED korzysta się z jednego z podstawowych praw kolorymetrii, a mianowicie sumowania addytywnego podstawowych barw światła. W wyniku dodania barw światła: czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB – ang. Red Green Blue) możliwe jest otrzymanie światła białego. Warunkiem jest, by natężenia poszczególnych barw pozostawały ze sobą w ścisłych stosunkach ilościowych. Wychodząc od prawa addytywności barw stosuje się 3 główne metody otrzymania białej diody LED: mieszanie światła kilku barw, konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych. Mieszanie światła w diodach LED W pierwszej metodzie najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB (rys. 1). W wyniku addytywnego sumowania barw otrzymywany jest kolor biały. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze związane z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddania barw CRI. Przykładowo dzięki zastosowaniu 3 barw podstawowych możliwe jest otrzymanie maksymalnego wskaźnika oddawania barw CRI (Ra) do 90, natomiast jeżeli dodać jeszcze 2 diody – jedną turkusową i jedną żółtą, to wówczas maksymalne CRI naweti 99. Niekorzystną cechą tej metody jest duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego. Każda z diod wymaga osobnego obwodu zasilającego ustalającego odpowiedni punkt pracy. Dodatkowo trzeba uwzględnić różnice w natężeniu oświetlenia poszczególnych barw. Odmienne są też charakterystyki termiczne i starzeniowe dla każdego rodzaju diod, co wymaga uwagi podczas projektowania i wykonywania kompensującego te zmiany systemu sterującego. W metodzie mieszania barw wykorzystuje się również matryce dyskretnych diod: czerwonych, zielonych i niebieskich. Wówczas należy wykorzystywać rozpraszające układy optyczne, które wspomogą efekt mieszania barw. Rys. 1. Otrzymywanie bieli poprzez mieszanie trzech barw podstawowych Metoda mieszania RGB jest często nazywana metodą cyfrową otrzymywania światła białego, gdyż w metodzie tej często wykorzystuje się mikroprocesory, które biorą na siebie zadanie związane z odpowiednim wysterowaniem diod i uzyskaniem światła o pożądanych parametrach. Konwersja światła w diodach LED Druga metoda otrzymywania światła białego polega na zastosowaniu luminoforu, którym pokrywa się diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu (UV LED) (rys. 2). Luminofor pokrywający chip diody składa się z trzech warstw, z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą technologią produkcji białej diody LED i nieskomplikowanym układem zasilania diod w oprawie oświetleniowej. W rezultacie niskie koszty są atutem tej metody. Jednocześnie, ze względu na straty na konwersję światła w trójkolorowym luminoforze, jest to rozwiązanie najmniej efektywne energetycznie. Rozwiązanie to nie daje możliwości kontrolowania barwy światła białego i współczynnika oddania barw, które to parametry ustalane są w trakcie produkcji białej diody. W niektórych zastosowaniach wadą jest też szczątkowe promieniowanie UV, które przedostaje się poprzez warstwy luminoforu. Obecnie diody białe z wzbudzaniem luminoforu światłem UV są rzadko produkowane ze względu na problemy z odpornością materiałów obudowy na promieniowanie ultrafioletowe, niedoborem emiterów o odpowiedniej wydajności oraz jego szkodliwe działania na zdrowie. Rys. 2. Otrzymywanie bieli przez konwersję promieni UV w luminoforze RGB Metoda hybrydowa W trzeciej metodzie połączono zalety obu powyższych rozwiązań. Zastosowano wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła diody niebieskiej 470nm (lub granatowej 460nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor, który konwertuje je w światło o barwie żółtej (kolor powstający w wyniku sumowania addytywnego barwy czerwonej i zielonej). Następnie dokonuje się mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą. Dzięki temu uzyskano białą diodę charakteryzującą się prostotą wykonania i prostym obwodem zasilania, o zwiększonej wydajności energetycznej oraz nie promieniującą w paśmie UV, co w konsekwencji przesądziło o dużej popularności tego rozwiązania. Wadą jest jednak problem ze stałością parametrów luminoforu w czasie oraz współczynnik oddania barw na poziomie 70 - 90. Istnieje kilka odmian metody hybrydowej. W jednej z nich stosuje się dwuwarstwowy zielono-czerwony luminofor, co pozwala na uzyskanie światła o cieplejszej barwie i wyższym CRI (diody „Warm White”). Rozwinięciem tego podejścia jest sposób, w którym stosuje się w jednej obudowie chip niebieskiej diody pokryty zielonym luminoforem oraz nie pokryty luminoforem chip czerwonej diody. Dzięki temu otrzymujemy źródło światła białego, które wymaga mniej złożonego układu zasilania, niż metoda mieszania RGB, a jednocześnie umożliwia sterowanie barwą światła i jest wysoce wydajne energetycznie. Metoda hybrydowa jest najintensywniej rozwijana i najpowszechniej stosowana. Poza wymienionymi trzema podstawowymi metodami stosuje się także zamianę monochromatycznego światła diod LED w światło białe wykorzystując konwertery półprzewodnikowe, konwertery z barwników organicznych oraz konwertery z kropek kwantowych. Są to jednak technologie znajdujące się obecnie w stadium rozwoju lub wykorzystywane na niewielką skalę. Technologia konwerterów półprzewodnikowych teoretycznie może pozwolić na osiągnięcie wyższej wydajności niż w przypadku białych diod LED z luminoforem fosforowym. Jednocześnie zostanie uproszczona technologia wykonywania białych diod LED, gdyż z cyklu produkcyjnego odpadną procesy związane z pokryciem chipu luminoforem. Półprzewodnikowe konwertery wykonuje się poprzez umieszczenie powyżej obszaru aktywnego (złącza p-n) emitującego światło niebieskie dodatkowej warstwy z półprzewodnika o szerokości przerwy zabronionej odpowiadającej barwie żółtej (rys. 4a). Dodatkowa warstwa absorbuje część promieniowania, a następnie pobraną energię oddaje w postaci światła o zmienionej długości fali. Suma światła żółtego i niebieskiego daje barwę białą. Diody tego typu noszą nazwę PRS-LED (ang. Photon-recycling Semiconductor LED). Zastosowanie większej ilości warstw, o różnych szerokościach przerwy zabronionej i reemitujące światło o różnych barwach pozwala na osiągnięcie światła białego o wyższym współczynniku CRI, jednak podraża koszt wykonania diody PRS. a) b) Rys. 4. Metoda otrzymywania białego światła: a) dzięki zastosowaniu konwertera półprzewodnikowego (źródło: LEDIKO) b) pierwsze diody LED wykorzystujące konwertery z kropek kwantowych (źródło: Sandia Labs) Konwertery z barwników organicznych charakteryzują się blisko 100% wydajnością kwantową konwersji, przez co minimalizowane są straty energetyczne. Ich wadą jest jednak krótki czas życia i dopóki parametr ten nie zostanie ulepszony, dopóty barwniki organiczne nie będą konkurencją dla luminoforów fosforowych. Obecnie są one wykorzystywane przy produkcji diod organicznych OLED (ang. Organic Light Emitting Diode). Konwertery z kropek kwantowych są najnowszym rozwiązaniem pozwalającym na otrzymanie białego światła na drodze konwersji (rys. 4b). Kropki kwantowe są to cząsteczki o rozmiarach w skali nanometrowej. Wykonane ze specjalnych materiałów mają właściwości absorpcji światła UV i reemisji światła w paśmie widzialnym. Długość emitowanych przez kropki kwantowe fal świetlnych jest uzależniona od ich rozmiarów oraz chemicznych właściwości ich powierzchni. Operując tymi parametrami można wytworzyć kropki kwantowe, które konwertują światło UV w światło o dowolnej barwie z zakresu widzialnego. Mieszając ze sobą kropki kwantowe reemitujące w barwach niebieskiej, zielonej i czerwonej otrzymujemy luminofor, który emituje światło białe i ma zewnętrzną sprawność na poziomie 60%. W porównaniu luminofory fosforowe mimo wysokiej sprawności kwantowej (teoretycznie nawet 100%) mają obniżoną zewnętrzną sprawność poniżej 50%, ze względu na straty rozproszeniowe i odbiciowe od cząsteczek fosforu, które tworzą stosunkowo duże aglomeraty, które absorbują światło, lecz go nie reemitują. Metodą tą obecnie bardzo interesują się firmy produkujące diody LED i wygląda na to, że będzie to rozwiązanie wykorzystywane na szeroką skalę w nieodległej już przyszłości. Podsumowując trzeba zauważyć, że obecnie istnieje kilka podstawowych metod wykonywania białej diody LED, ale metoda hybrydowa (chip niebieski + luminofor) jest obecnie najczęściej stosowana. Jednakże, omówione metody otrzymywania światła białego mogą się nawzajem uzupełniać w różnych zastosowaniach, a to ze względu na szereg odmiennych wymagań jakościowych i ilościowych stawianych źródłom światła. P.S. Mnie osobiście najbardziej ciekawi, jak będą wyglądać miasta nocą za kilkanaście lat, gdy białe diody LED o wysokim CRI > 80 i miłej dla oka temperaturze bieli będą stosowane na dużą skalę w latarniach ulicznych zamiast lamp sodowych i rtęciowych. Świat nocą będzie ładniejszy i bardziej realny. A to tylko jedna z wielu zmian na lepsze, jakie wprowadzają półprzewodnikowe źródła światła . P.S.S. Powyższa uwaga jest oryginalna z 2004 roku. Dziś można się już przekonać, jak wyglądają ulice oświetlone diodami LED :) Autor: Adam Wilanowski Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy Lediko – firmy projektowo-produkcyjnej specjalizującej się w oświetleniu LED. © Lediko
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
October 23 2019 13:52 V14.6.1-2