Polecamy

-25%
27,41 zł netto / 33,71 zł brutto
-25%
27,41 zł netto / 33,71 zł brutto
-25%
15,21 zł netto / 18,71 zł brutto
-25%
15,21 zł netto / 18,71 zł brutto
-35%
47,53 zł netto / 58,47 zł brutto
-40%
78,02 zł netto / 95,97 zł brutto
36,54 zł netto / 44,95 zł brutto
138,17 zł netto / 169,95 zł brutto
-25%
24,36 zł netto / 29,96 zł brutto
-50%
17,46 zł netto / 21,48 zł brutto
-38%
17,62 zł netto / 21,67 zł brutto
-40%
312,97 zł netto / 384,95 zł brutto
-25%
365,82 zł netto / 449,96 zł brutto

homeinside na

 

Promocje

LED Halogen 4,5W=50W biały zimny E27 LED Halogen 4,5W=50W biały zimny E27
Kod produktu: H1 0490 27,41 zł netto /
33,71 zł brutto
LED Halogen 4,5W=50W E14 biały zimny LED Halogen 4,5W=50W E14 biały zimny
Kod produktu: H1 0513 27,41 zł netto /
33,71 zł brutto
LED Halogen 2,2W=25W biały zimny E27 LED Halogen 2,2W=25W biały zimny E27
Kod produktu: H1 0575 15,21 zł netto /
18,71 zł brutto
LED Halogen 2,2W=25W E14 biały zimny LED Halogen 2,2W=25W E14 biały zimny
Kod produktu: H1 0599 15,21 zł netto /
18,71 zł brutto
LED Bulb 8W=75W E14 biały ciepły LED Bulb 8W=75W E14 biały ciepły
Kod produktu: H1 0667 47,53 zł netto /
58,47 zł brutto
LED Tube 8W=18W biały ciepły T8 610mm LED Tube 8W=18W biały ciepły T8 610mm
Kod produktu: H1 0759 78,02 zł netto /
95,97 zł brutto

Technologia LED

 

 

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

 

Część 1. Elektroluminescencja

Diody elektroluminescencyjne LED należą do IV generacji sztucznych źródeł światła wykorzystywanych przez człowieka w oświetleniu. Pierwsze 3 generacje to: źródła wykorzystujące proces spalania (I), lampy żarowe (II) oraz lampy wyładowcze (III). Podział ten wynika bezpośrednio z różnych mechanizmów powstawania światła. W diodach LED, a także innych nowoczesnych źródłach światła (diody organiczne lub polimerowe), podstawą świecenia jest zjawisko elektroluminescencji zachodzące w ciele stałym (w krysztale półprzewodnikowym).

Elektroluminescencja jest jednym z rodzajów luminescencji. U podstaw luminescencji leży zjawisko rekombinacji, czyli jeden ze sposobów przejścia układu z energetycznego stanu wzbudzenia do stanu podstawowego. W stanie podstawowym wszystkie elektrony zajmują w atomach możliwie najniższe stany energetyczne, a zewnętrzna powłoka atomowa, na której znajdują się elektrony tworzy tzw. pasmo walencyjne. Stan wzbudzenia to taki, w którym elektrony w atomach materiału są przeniesione z pasma walencyjnego na wyższe stany energetyczne, czyli do tzw. pasma przewodnictwa. Przeniesienie elektronu do pasma przewodnictwa następuje w wyniku oddziaływania zewnętrznego czynnika wzbudzającego. Tym czynnikiem może być temperatura (termoluminescencja), reakcja chemiczna (chemiluminescencja), oddziaływanie mechaniczne (tryboluminescencja), strumień elektronów (elektronoluminescencja) lub fotonów (fotoluminescencja), fala ultradźwiękowa (sonoluminescencja) lub zewnętrzne pole elektryczne (elektroluminescencja). 

 

XLamp XP

 

Rys 0. Najbardziej wydajna biała dioda LED mocy, której dostępność ogłoszono na rynku (134lm/W) – XLamp XP-G produkcji firmy CREE (dane z maja 2009r).

Ponieważ wszystko w naturze dąży do obniżenia swojego stanu energetycznego, więc również i wzbudzone elektrony dążą do tego, by pozbyć się nadmiaru energii. Warunkiem tego, by elektron mógł oddać energię przechodząc na niższy poziom energetyczny jest istnienie pustego stanu dozwolonego na tym niższym poziomie energetycznym oraz prawdopodobieństwo takiego przejścia większe od zera. Innymi słowy w paśmie walencyjnym musi znajdować się puste miejsce, tzw. dziura, które elektron może obsadzić. Przejście elektronu ze stanu wzbudzenia do stanu podstawowego, w którym elektron zajmuje miejsce dziury nazywa się rekombinacją (lub anihilacją) pary elektron-dziura. Różnicę energii sprzed rekombinacji i po rekombinacji elektron może wypromieniować w postaci fali elektromagnetycznej i wówczas mówimy o rekombinacji promienistej. Gdy czynnikiem, który doprowadził do rekombinacji promienistej jest wstrzykiwanie do układu nośników ładunku elektrycznego poprzez oddziaływanie zewnętrznego pola elektrycznego, to wówczas mamy do czynienia z elektroluminescencją. Światło widzialne powstaje wtedy, gdy różnica energii pomiędzy pasmem przewodnictwa, a pasmem walencyjnym odpowiada energiom fal z zakresu widma widzialnego.

 

złącze p-n

 

Rys. 1. Energetyczny schemat przedstawiający półprzewodnikowe złącze p-n spolaryzowane w kierunku przewodzenia. W obszarze aktywnym elektrony przechodzą z pasma przewodnictwa do pasma walencyjnego rekombinując z dziurami. W efekcie rekombinacji par elektron-dziura powstaje kwant energii świetlnej (promieniowania widzialnego).

 

Elektroluminescencja jest podstawą działania półprzewodnikowych diod emitujących światło (ang. Light Emitting Diode). Dlatego w języku polskim nazywa się je wprost diodami elektroluminescencyjnymi (w skrócie DEL). Diody LED są strukturami półprzewodnikowymi, w których wstrzykiwane zewnętrznym polem elektrycznym elektrony i dziury rekombinują w maksymalnie sprzyjających ku temu warunkach, a nadmiar energii zostaje wypromieniowywany w postaci kwantu światła. Takie optymalne warunki mają miejsce w złączu p-n (nazywanym również obszarem aktywnym). Złącze p-n jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i typu n (rys. 1).
Materiał typu p charakteryzuje się tym, że posiada nadmiar dziur w paśmie walencyjnym, natomiast materiał typu n ma w tym paśmie nadmiar elektronów. Przyłożenie do złącza p-n napięcia w kierunku przewodzenia (plus do kontaktu p i minus do kontaktu n) spowoduje, że do pasma przewodnictwa materiału n będą wstrzykiwane elektrony wzbudzone polem elektrycznym, a do pasma walencyjnego materiału p wstrzykiwane będą dziury. Zarówno dziury w paśmie walencyjnym, jaki i elektrony w paśmie przewodnictwa będą unoszone w kierunku złącza obu materiałów siłami zewnętrznego pola elektrycznego. W obszarze złącza p-n (obszar aktywny) wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadwyżki energii emitując foton. Wartość energii fotonu emitowanego przez elektron w czasie rekombinacji jest w przybliżeniu równa różnicy energii między poziomem wzbudzenia, a poziomem podstawowym. Innymi słowy jest w przybliżeniu równa wartości przerwy pomiędzy tymi stanami energetycznymi. Wartość przerwy energetycznej jest wielkością charakterystyczną dla danego materiału półprzewodnikowego. Dzięki wytwarzaniu związków półprzewodnikowych o regulowanym udziale procentowym poszczególnych pierwiastków składowych, możliwe jest wytwarzanie materiałów półprzewodnikowych o przerwach energetycznych odpowiadających energiom fal świetlnych od ultrafioletu po głęboką podczerwień. Daje to możliwość budowy diod LED o praktycznie dowolnej barwie świecenia (długości fali świetlnej). 


 

CIEXLamp

 

Rys. 2 Technologia umożliwia wykonanie emiterów LED świecących światłem o długości fali od podczerwieni do głębokiego ultrafioletu. Najczęściej wytwarza się jednak diody: czerwone (630nm), pomarańczowo czerwone (610nm), bursztynowe (590nm),zielone (525nm), turkusowe (505nm), niebieskie(470nm), granatowe (455nm) oraz białe (2700K-10000K).
 
 
Elektroluminescencja jest tak bardzo interesująca i obiecująca dla branży oświetleniowej, ponieważ sprawność tego mechanizmu na poziomie chipu diody może być bliska 100%. Takie struktury już są wykonywane przez różne ośrodki badawcze na świecie. Wyzwaniem jest, natomiast wyprowadzenie światła powstałego w wyniku elektroluminescencji z wnętrza chipu do otoczenia z możliwie największą sprawnością.

 

dioda LED

 

Rys. 3. Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody LED. Polaryzacja kontaktów odpowiada przepływowi prądu elektrycznego w kierunku przewodzenia, co jest warunkiem uzyskania rekombinacji promienistej.

Ogólna budowa chipu diody LED jest prosta i nieskomplikowana (rys. 3). Składa się on z warstwy półprzewodnika typu n, obszaru aktywnego (złącza p-n), warstwy półprzewodnika typu p oraz z pary metalowych kontaktów - elektrody dodatniej do materiału typu p i elektrody ujemnej do materiału typu n. Jednak pomimo pozornej prostoty budowy, w produkcji diod LED korzysta się z najbardziej zaawansowanych technologii dostępnych człowiekowi, a przy projektowaniu ich struktury i procesu wytwarzania potrzebna jest szeroka wiedza z zakresu elektroniki półprzewodnikowej, fizyki ciała stałego, fizyki kwantowej, inżynierii materiałowej, optyki i chemii. Z tego względu diody LED są z pewnością symbolem naszych czasów - czasów zaawansowanych technologii. Dla techniki oświetleniowej są źródłami światła XXI wieku.

 

 

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)
 

Część 2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny

Zjawisko elektroluminescencji leżące u podstaw działania diod LED zostało najprawdopodobniej po raz pierwszy zaobserwowane i udokumentowane poprzez Henry’ego Joseph’a Round’a (rys. 1) w roku 1907. Round zaobserwował emisję światła widzialnego z kryształu węglika krzemu (SiC) o przewodnictwie typu n (nadmiar elektronów w materiale). Uformowane w doświadczeniu Rounda złącze metal – półprzewodnik spolaryzowane napięciem od 10V do 110V emitowało światło o różnych barwach: żółtej, zielonej, pomarańczowej oraz niebieskiej.

Pionierskie badania nad elektroluminescencją (1927-1942) prowadził również O. V. Lossev. W 1928 roku opublikował on szczegółowe opracowanie dotyczące rekombinacji promienistej w węgliku krzemu SiC. W swoich pracach między innymi dowiódł, że przyczyną luminescencji SiC nie jest żarzenie się struktury, jak ma to miejsce w żarowych źródłach światła, oraz poprawnie założył, że luminescencja diod z SiC jest zjawiskiem odwrotnym do einsteinowskiego efektu fotoelektrycznego. Kolejnym z pierwszych związków półprzewodnikowych, w którym, pod koniec lat trzydziestych XX wieku, zaobserwowano zjawisko elektroluminescencji był siarczek cynku ZnS domieszkowany miedzią. W 1936 roku Georges Destriau opublikował wyniki badań luminescencji ze sproszkowanego siarczku cynku ZnS. Destriau jako pierwszy użył wyrażenia „elektroluminescencja” do określenia badanego przez siebie zjawiska.

 

H.J. Round- odkrywca elektrluminescencji

 

 

Rys. 1. H. J. Round – odkrywca elektroluminescencji
Obserwacje elektroluminescencji były do początku lat pięćdziesiątych XX wieku ograniczone do przyrządów półprzewodnikowych wykonanych na bazie materiałowej SiC oraz półprzewodników z grup II-VI tablicy Mendelejewa (rys. 2). Są to związki występujące w środowisku naturalnie, jednakże charakteryzujące się słabymi parametrami optycznymi. Z tego powodu intensywnie poszukiwano otrzymywanych sztucznie związków półprzewodnikowych, które charakteryzowałyby się odpowiednimi parametrami elektrycznymi i optycznymi, co pozwoliłoby na wykonanie stabilnych i dających się kontrolować przyrządów optoelektronicznych. W 1952 i 1953 roku wyniki prac nad nowymi związkami półprzewodnikowymi z grupy III-V tablicy Mendelejewa opublikował H. Walker, któremu jako pierwszemu udało się sztucznie wytworzyć takie związki półprzewodnikowe, jak: InSB, AlP, AlAs, AlSb, GaP, GaAs, GaSb, InP oraz InAs.
 
Układ okresowy pierwiastków
Rys. 2. Układ okresowy Mendelejewa z oznaczonymi grupami związków półprzewodnikowych – obwódka czerwona: SiC oraz grupa półprzewodników II-VI (np.: ZnS, ZnSe), obwódka niebieska: grupa półprzewodnikówIII-V

Odkryte przez Walkera związki półprzewodnikowe z grupy III-V charakteryzują się właściwościami podobnymi do klasycznych półprzewodników krzemu Si oraz germanu Ge, ale szybko też okazało się, że związki III-V również są aktywne optycznie i mają bardzo dobre właściwości w tym zakresie. W 1962 roku kilka zespołów badawczych zaprezentowało pierwsze diody LED i lasery półprzewodnikowe z GaAs emitujące w bliskiej podczerwieni (870-980nm). Tym samym 55 lat po odkryciu elektroluminescencji przez Round’a narodziła się nowa dziedzina techniki: optoelektronika. Bogactwo kombinacji związków półprzewodnikowych z grup III-V otworzyło przed badaczami zupełnie nowe wyzwania. Możliwości badawcze zwiększyły się jeszcze bardziej po otrzymaniu w wyniku syntezy również związków potrójnych oraz poczwórnych. Dobierając odpowiednio udział procentowy poszczególnych pierwiastków z grupy III-V możliwe stało się uzyskanie materiałów półprzewodnikowych o dowolnej (lecz skwantowanej) szerokości przerwy zabronionej. Oznacza to, że teoretycznie możliwe stało się wytworzenie złącz p-n emitujących w zakresie od głębokiego nadfioletu, poprzez widmo widzialne, do głębokiej podczerwieni. Praktyka okazała się jednak bardziej skomplikowana, gdyż pionierzy optoelektroniki musieli ustalić nie tylko odpowiedni skład procentowy poszczególnych pierwiastków, lecz przede wszystkim wytworzyć zaprojektowany przez siebie związek. Tu pojawiły się problemy z czystością materiałów, z wytwarzaniem podłoży, z urządzeniami do epitaksji i kontrolą tego procesu (epitaksja jest podstawowym procesem wykorzystywanym przy produkcji diod LED), z dyslokacjami w materiale i naprężeniami pomiędzy poszczególnymi warstwami - wiele nowych zagadnień wymagało nowych rozwiązań teoretycznych i technologicznych. Dlatego nie od razu "zbudowano" superluminescencyjną diodę LED. Czas i liczne próby pokazały, że nie wszystkie związki półprzewodnikowe z grupy III-V nadają się do wytwarzania emiterów. Spośród tej licznej grupy materiałów dotychczas zaadaptowanych na ten cel zostało 7 związków: GaAs (arsenek galu), AlGaAs (związek potrójny arsenu, galu i glinu), GaP (fosforek galu), GaAsP (związek potrójny galu, arsenu i fosforu), GaN (azotek galu), GaInN (związek potrójny galu indu i azotu) oraz AlGaInP (związek poczwórny glinu, galu, indu i fosforu). Historycznie pierwsze diody LED wytworzono na bazie GaAs (1962). Nie emitowały one jednak jeszcze światła widzialnego tylko podczerwone. Pierwsza emitująca światło widzialne dioda LED została przedstawiona przez N. Holonyak’a Jr. i Bavacqua’e w 1962 roku (rys. 3.a). W temperaturze ciekłego azotu dioda ta emitowała światło spójne (akcja laserowa) o długości fali 710 nm i szerokości połówkowej 1,2 nm. W temperaturze pokojowej pierwsza dioda zachowywała się jak typowa dioda LED - promieniowanie nie było koherentne, a szerokość połówkowa wynosiła 12,5 nm.
 
 
 Źródło: www.rpi.edu/~schubert

a)
MONSANTO20LED2.jpg
MONSANTO20LED.jpg
b)
Rys. 3. Narodziny diody LED a) pierwsza dająca się w pełni kontrować dioda LED wykonana z GaAsP na podłożu GaAs przez zespół Holonyaka w 1962 roku, b)pierwsza masowo produkowana dioda LED firmy MONSANTO.
Źródło: www.rpi.edu/~schubert Źródło: www.ledmuseum.org

Holonyak z zespołem pracował dla korporacji General Electric i firma ta jako pierwsza skomercjalizowała produkcję diod LED. Jednak cena jednej emitującej światło widzialne, czerwonej diody produkcji GE była wówczas, bardzo wysoka i wynosiła 260 USD. Laser emitujący tą samą długość fali kosztował aż 10 razy tyle co dioda LED, czyli 2.600 USD. Pierwszą naprawdę masową produkcję diod LED rozpoczęła firma Mosanto w 1968 roku. Diody firmy Mosanto (rys. 3.b) były wykonywane z GaAsP/GaAs i w sprzedaży detalicznej kosztowały około 1 GBP (funta angielskiego), co podówczas odpowiadało średniej dniówce.

Początkowo, nie przez wszystkich doceniane czerwone diody LED, szybko wykazały się swoimi zaletami i pomimo niskiej sprawności zewnętrznej znajdowały liczne zastosowania. Pierwszym zastosowaniem diod LED wykonanych przez IBM była indykacja statusu jednostki arytmetycznej komputera dużej mocy (System 360). Diody LED zastąpiły w nim zawodne i nie ergonomiczne lampki neonowe. Z czasem doskonalono technologię czerwonych emiterów, a w 1968 roku zaprezentowano pierwszą zieloną diodę LED o sprawności zewnętrznej 0,6%.

Pojawienie się zielonej diody zwiększyło jeszcze bardziej atrakcyjność diod LED, które w latach siedemdziesiątych XX wieku znajdowały już kolejne zastosowania: w wyświetlaczach kalkulatorów elektronicznych (Hawlett-Packard, Monsanto), w zegarach cyfrowych, jako podświetlenie przycisków i w lampkach kontrolnych (AT&T, IBM).

 

indicators.jpg

a)
PodswietlanyTEL.jpg
b)
numericdisplayHP.jpg
c)

 

Rys. 4. Pierwsze zastosowania diod LED: a) lampki kontrolne, b) podświetlenie przycisków w telefonach i centralkach telefonicznych,c) wyświetlacze numeryczne (kalkulatory).
Źródło: a,b: www.ledmuseum.org ; c: Internet

 

Kiedy okazało się, że miniaturowe źródła światła są niezastąpione w wielu zastosowaniach, gdy sprzedaż diod LED gwałtownie rosła, a przemysł był już w stanie zaakceptować konieczność wysokiego finansowania badań nad diodami, wówczas zakończył się czas pionierskich prac nad diodami LED. Od tej pory naukowcy wiedzieli już czego szukają, wiedzieli co chcą osiągnąć i znali podstawowe przesłanki teoretyczne. Natomiast przemysł cywilny i militarny wiedział, gdzie wykorzystać diody LED. Od końca lat sześćdziesiątych XX wieku coraz więcej ośrodków badawczych, zespołów naukowców i firm wkraczało na grunt optoelektroniki. Technologia szybko się rozwijała. Nowe, interesujące osiągnięcia pojawiały się częściej, a publikacje naukowe dotyczyły już coraz bardziej szczegółowych aspektów technologicznych i teoretycznych.

W 1969 roku Jacques Pankove napisał książkę „Zjawiska optyczne w półprzewodnikach”. Została ona wydana w 1971 roku i stała się jedną z klasycznych pozycji biblioteki optoelektronika. Po jej napisaniu Pankove rozpoczął współpracę z Paulem Maruska w celu wykonania emitera niebieskiego światła. Maruska od 1968 roku pracował w laboratoriach RCA (Radio Corporation of America) nad metodą otrzymania krystalicznych warstw z azotku galu (GaN) na podłożu szafirowym, które miały posłużyć do wytworzenia niebieskiej diody LED. W 1969 roku Maruska uzyskał warstwy krystalicznego GaN o pożądanych parametrach optycznych i odkrył, że warstwy te są naturalnymi półprzewodnikami typu n. Problemem okazało się jednak wytworzenie warstw o typie przewodnictwa p – potrzebnych do uformowania złącza p-n. Maruska razem z Pankove, mimo problemów z warstwą p, wykonali i zaprezentowali działający emiter niebieskiego światła o długości fali 475 nm. Nie była to jednak typowa dioda LED ze złączem p-n, lecz dioda metal – izolator – półprzewodnik (struktura MIS).

Problem wykonania warstw typu p w materiale GaN pozostał nierozwiązany, a jedynym alternatywnym półprzewodnikowym źródłem niebieskiego światła pozostał węglik krzemu SiC. Z tego względu do początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku nie zaprzestano prac nad doskonaleniem i rozwojem diod wykonywanych na bazie SiC. Pomimo wielu wad SiC był przez długie lata jedynym materiałem, który pozwalał na wytworzenie komercyjnej, opłacalnej w produkcji, niebieskiej diody LED o światłości 10–20 mcd. Do początku lat 90-tych wiązano duże nadzieje z pozostałymi półprzewodnikami z grupy związków II-VI, głównie z selenkiem cynku ZnSe. W 1991 roku firma 3M zaprezentowała niebieski laser wykonany z ZnSe-CdZnSe, jednak technologia emiterów II-VI okazała się wówczas ślepą uliczką. Emitery z tych materiałów są bowiem niestabilne czasowo, mają krótki czas życia i są toksyczne, a przez to wszystko nie nadają się do komercyjnej produkcji i powszechnego zastosowania.

W wyniku złej sławy powstałej wokół GaN w środowisku naukowym po porażce guru optoelektroniki J. Pankova, któremu nie udało się wytworzyć warstw GaN o przewodnictwie typu p, tylko kilka zespołów badawczych na świecie odważyło się na dalsze prace nad zastosowaniem GaN do wykonania emiterów światła niebieskiego. W 1973 roku Isamu Akasaki z uniwersytetu Nagoya po kilku latach pracy nad azotkiem glinu AlN rozpoczął wieloletnie badania nad azotkiem galu. W 1974 roku Akasaki otrzymał po raz pierwszy monokrystaliczną warstwę GaN. W 1981 roku zaprezentowana została dioda MIS LED z GaN o światłości 10 mcd. W 1986 roku przełomowym wydarzeniem było otrzymanie przez grupę Akasakiego dobrej jakości warstw GaN na podłożu szafirowym. W 1989 roku Akasaki uzyskał po raz pierwszy w historii optoelektroniki warstwę GaN typu p aktywując akceptory Mg metodą napromieniowania niskoenergetyczną wiązką elektronową. W tym samym roku Akasaki wytworzył pierwsze złącza p-n z GaN oraz emitery światła niebieskiego i UV. Po publicznym zaprezentowaniu w roku 1992 niebieskiej diody LED, Akasaki przystąpił do prac nad wytworzeniem korony optoelektroniki – niebieskiego lasera operującego w temperaturze pokojowej. Jednakże pomimo ponad 20 letnich prac nad emiterami z azotku galu to nie na niego spłynął splendor i sława za wytworzenie niebieskiej diody LED. Ojcem niebieskiej optoelektroniki jest bowiem uważany Shuji Nakamura. Droga, którą pokonał Nakamura, od chwili gdy zakończył studia i rozpoczął pracę dla średniej, japońskiej firmy chemicznej Nichia do momentu, w którym zaprezentował światu wysoce wydajną niebieską diodę LED, nie była łatwa. Warunki, w jakich prowadził swoje badania bardzo przypominają prace pionierskie Walkera nad syntezą półprzewodników z grupy III-V. Podobnie prowadził on swoje prace badawcze samotnie, wg własnego pomysłu, w urządzonym przez siebie laboratorium i z przystosowanym przez siebie sprzętem. Jednak jak przyznaje sam Nakamura, to właśnie te niekorzystne warunki, którym musiał stawić czoła pozwoliły mu i jego małemu zespołowi odnieść sukces. Nim rozpoczął prace nad niebieską diodą z GaN udało mu się pracować nad wszystkimi etapami technologicznymi, jakie mają miejsce w produkcji diod LED. Praktyka ta przydała się, gdy rozpoczął w 1989 roku prace nad niebieską diodą z materiału GaN. W marcu 1991 roku Nakamura otrzymał emisję światła ze złącza p-n z GaN. Jednakże o sukcesie Nakamury świat dowiedział się dopiero w roku 1993, gdy została zaprezentowana przez niego niebieska dioda LED o światłości przekraczającej 1 cd. Wydajność tej diody była 100 razy lepsza od wykorzystywanych wówczas masowo niebieskich diod z SiC, a jej produkcja od razu została skomercjalizowana przez firmę Nichia. W 1994 roku Nakamura dokonał kolejnej prezentacji tym razem zielono-niebieskiej diody LED o światłości 2 cd. W roku 1995 firma Nichia uruchamia komercyjną produkcję zielonej diody LED w technologii GaN. W owym czasie Nichia ze średniej firmy z japońskiej prowincji przekształca się w korporację, która miesięcznie sprzedawała kilka milionów sztuk niebieskich diod LED, a konkurencję pozostawiła daleko w tyle. Sytuacja ta trwała do końca lat dziewięćdziesiątych XX wieku. Dopiero wówczas zaczęły pojawiać się diody LED konkurencyjne dla produktów Nichia. Z czasem inni producenci dorównali, a niektórzy nieznacznie przewyższyli osiągnięcia firmy Nichia, jednak i dziś wciąż pozostaje ona w światowej czołówce, a sukces ten w dużej mierze zawdzięcza Shujiemu Nakamurze i jego zespołowi. Obecnie Shuji Nakamura pracuje w amerykańskiej firmie CREE.

Podczas gdy uwagę przykuwał historyczny rozwój niebieskiej optoelektroniki, w cieniu tych przełomowych wydarzeń dokonała się mała rewolucja w świecie czerwonej optoelektroniki. Od połowy lat osiemdziesiątych XX wieku prowadzone były badania nad nowym związkiem czteroskładnikowym AlGaInP, który nadaje się do produkcji emiterów światła czerwonego, pomarańczowego i żółtego. AlGaInP początkowo wykorzystywano do konstrukcji laserów półprzewodnikowych, jednak już na początku lat 90-tych rozpoczęto masową produkcję diod LED wykorzystujących ten materiał. Szybko zaczęły one zastępować gorsze pod względem wydajności diody na bazie materiałów GaAsP AlGaAs i GaAs. Przewagę jakościową czerwonych diod LED z AlGaInP nad pozostałymi zwiększono dalej w latach 90-tych poprzez zastosowanie warstw rozprowadzających dostarczony do chipu prąd po całej jego powierzchni, zastosowanie wielokrotnych studni kwantowych, zastosowanie mikro zwierciadeł oraz zastosowanie przezroczystych podłoży GaP i technologii flip-chip (odwrócony chip). Wysoko wydajne diody LED z AlGaInP szybko znalazły swoje zastosowanie i stopniowo zastąpiły czerwone diody LED wykonywane z innych materiałów. Obecnie półprzewodnikowe emitery czerwonego światła są najwydajniejszymi z całej rodziny i ich sprawność zewnętrzna przekracza nawet 60%.

 

XLampMR16-2.jpg
XLampMR16-1.jpg
Rys. 5. Jedno watowa oprawka MR16 z białą diodą mocy XLamp™ 7090 zasilana bezpiecznym napięciem 12VDC z powodzeniem może zastępować klasyczne lampki halogenowe.

Tym samym od początku III tysiąclecia technika świetlna dysponuje półprzewodnikowymi źródłami światła o wysokiej wydajności, emitującymi światło w trzech podstawowych barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej. W wyniku połączenia tych trzech barw możliwe staje się otrzymanie światła białego. Dlatego drugą połowę lat 90-tych ubiegłego wieku możemy uważać za okres narodzin nowej generacji źródeł światła białego dla techniki oświetleniowej. W świat zarezerwowany dotychczas dla żarówek, lamp fluoroscencyjnych i wyładowczych wkroczyły diody LED. Przedstawiona tu ich historia jest tylko prologiem do rewolucyjnych wydarzeń w „świecie lamp”, które już się wydarzyły lub wydarzą się w najbliższym czasie za sprawą diod LED.

 

 

1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)

 

 

Część 3. Sposoby otrzymywania białych emiterów LED

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.



 

Mieszanie światła.

 

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.


 

Konwersja światła w diodach LED

Rys. 2. Otrzymywanie bieli przez konwersję promieni UV
w luminoforze RGB

 

Metoda hybrydowa

W trzeciej metodzie połączono zalety obu powyższych rozwiązań (rys. 3). 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 naintensywniej rozwijana i najpowszechniej stowowana.

Metoda hybrydowa
Rys. 3. Otrzymywanie bieli przez częściową konwersję promieni niebieskich w luminoforze żółtym (źródło: Internet)



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.


 

PRS-LED

a)

Kropki kwantowe

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 żadna z metod wykonywania białej diody LED nie została uznana za najlepszą i najlepiej nadającą się dla techniki oświetleniowej. Jest wysoce prawdopodobne, że omówione metody będą się nawzajem uzupełniać w różnych zastosowaniach światła białego, 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.

 

 

Część 4. Obecne i przyszłe parametry lamp LED

Energooszczędność diod LED

Jednym z kluczowych parametrów decydujących o popularności danego źródła światła jest to, ile zużywa ono energii elektrycznej. Im źródło światła wydajniejsze tym potrzebuje mniej dostarczonej energii by w ten sam sposób oświetlić otoczenie. Diody LED są wysoko wydajnymi źródłami światła monochromatycznego i mają potencjał technologiczny potrzebny by być w przyszłości wysoce wydajnymi źródłami światła – nawet 200lm/W. To właśnie ze względu na możliwości osiągnięcia oszczędności energii elektrycznej technologia białych diod LED jest jedną z tych najszybciej się rozwijających. Szacuje się, że w przyszłości wymiana stosowanych obecnie źródeł światła na diody LED pozwoli na zredukowanie ilości energii elektrycznej wykorzystywanej w oświetleniu o połowę. Obecnie około 20% energii elektrycznej produkowanej na świecie wykorzystywane jest przez oświetlenie. Po przejściu na źródła światła IV generacji udział ten zmniejszy się do 10%.

Czas życia diod LED

Diody LED zdecydowanie wyróżniają się spośród pozostałych źródeł światła długością życia. Wymawiana jest tu często liczba 100 tyś. godzin pracy, która określa średni czas, po którym dioda LED przestanie świecić. W rzeczywistości parametr ten jest jednak mało użyteczny i w odniesieniu do diod LED należy korzystać z definicji połowicznego czasu życia oraz użytecznego czasu życia.
Połowiczny czas życia, to czas działania diody LED, po którym jej jasność obniży się do wartości 50% jasności początkowej. Połowicznym czasem życia charakteryzuje się na ogół diody LED przystosowane do aplikacji innych niż typowo oświetleniowe.
Użyteczny czas życia, to czas określający pracę diody LED, po którym jej jasnoś obniży się do
Siedlisko Sobibór LED
Ultra nowoczesne Studio LED

Logowanie

Przypomnij hasło Zarejestruj się

Koszyk

Koszyk jest pusty

Produkty do porównania

Brak produktów do porównania.

Ankieta

Jasne, że Homeinside?




Wyniki
Liczba głosów: 64

Newsletter

Zapisz się do naszego Newslettera!
Bądź na bieżąco z najnowszymi produktami i promocjami!.

Kontakt

Zapraszamy do kontaktu:

tel. +48 501-069-303
biuro@homeinside.eu

 

ul. Wielkopolska 91
20-725 Lublin

NIP: 712-109-52-79

Koszyk

...jest pusty.

x
: szt.
Dodać do koszyka?
Czy na pewno chcesz usunąć ten produkt z koszyka?
Niektórych produktów nie można kupić w wybranych ilościach. Powodem może być niewystarczająca ilość towaru w magazynie lub zamówienie poniżej minimalnej ilości.


Zmienić ilości w koszyku?