Технология изготовления белых светодиодов

1. Введение
По прогнозу Министерства энергетики США к 2020 г. освещение светодиодами (ОС СД) займёт 90% объёма рынка освещения США. Ожидаются продолжение роста мирового рынка освещения в темпе 3,5-5% в год до 2020 г. и достижение им объема около $155 млрд. Успех светодиодов (СД) на рынке освещения зависит от способности ОС СД отвечать широкому ряду требований. Основное требование – качество белого света, т. е. однородность света в пределах всего светового пучка, а также малый разброс по координатам цветности от СД к СД. Для многих CП (таких, как головные автофары или СП направленного действия) требуются СД с малым светящим телом (для использования эффективной вторичной оптики). Важна также высокая световая отдача СД, чтобы минимизировать размер теплоотводящего радиатора и давать достаточную свободу в выборе проектных решений СП с СД. В то время как уровень общего индекса цветопередачи (Ra)² СД не слишком важен для автопрома, он существенен для общего освещения. В большинстве применений СД нежелателен сдвиг их цветовой температуры (Tц) с изменением окружающей температуры. Список требований к источникам света (ИС) с СД завершается требованием высокой цветовой однородности по всему их световому пучку и регулируемой (или хотя бы хорошо определённой) Тц. Следует избегать многосортицы белых СД (по различным параметрам).
2. Светодиодные модули компаний TridonicAtco и Lexedis Lighting
На сегодня компанией TridonicAtco выпускаются для общего освещения следующие ИС с СД:
1. Высокомощные светодиодные модули TALEXXmodule EOS, модели P211-2 и P214 (рис. 1, табл. 1).

Таблица 1.
Типовые характеристики светодиодных модулей TALEXXmodule EOS (при токе 700 мA и температуре печатной платы 40°C)

Рис. 1. Светодиодные модули TALEXXmodule моделей EOS P211-2 (слева) и EOS P214 (справа)

 
2. Линейки белых СД TALEXXengine line (для витрин, мебели, универсамов и др.). Их типичные характеристики (при температуре печатной платы (Tc) 40°С): удельный световой поток 600 лм/м при Тц = 6500 К; угол излучения 30, 60 или 90°; длина: 0,8; 1,0; 1,2; 1,4 или 1,6 м. Возможен заказ линеек с различными Тц и оттенками белого.
3. СД для поверхностного монтажа NanoXed и PowerXed (рис. 2, табл. 2), которые характерны следующим:
• Тц = 6500, 5700, 4200, 3500 или 3000 K для белых СД; есть также красные, зеленые и синие СД;
• запатентованная технология CiS («кристалл в кремнии»);
• общая кремниевая пластина-основание;
• миниатюрные размеры: 2,5х2,5х0,6 мм;
• одна небольшая цветовая область: 6-й эллипс Мак-Адама.

Таблица 2.
Типовые характеристики светодиодов NanoXed и PowerXed (при температуре печатной платы 40°C)

Рис. 2. Светодиод NanoXed компании Lexedis Lighting

 
3. Технология
Cветодиодные модули компании TridonicAtco используют принцип преобразования излучения голубого кристалла первым люминофором в жёлтое излучение, а широкополосного излучения зеленого кристалла вторым люминофором в красное излучение. Что касается полноцветных (RGB-) СД, то они хуже соответствуют указанным выше требованиям. Это объясняется наличием у последних цветовой неоднородности пучка излучения и сложного светящего тела, а также относительно низкими Ra.

Рис. 3. Пример белого светодиода с содержащей люминофор структурой «Globetop» с купольной поверхностью

 
Лучше отвечают названным требованиям светодиодные системы с люминофором по рис. 3. Люминофор помещён в кремниевую матрицу поверх голубого светодиодного кристалла. Смесь непоглощённого люминофором голубого излучения и широкополосного излучения люминофора создаёт белое излучение (рис. 4).

Рис. 4. Относительные спектры излучения белых светодиодов с разной цветовой температурой

 
Спектры на рис. 4 содержат полосу излучения непоглощённого голубого излучения с максимумом на длине волны 460 нм и широкую полосу излучения люминофора с положением максимума, зависящим от требуемой Тц, в интервале 565-590 нм.
Световая отдача белых СД максимальна при использовании современных светодиодных кристаллов и подходящих люминофоров. Тц и Ra CД меняются подбором состава люминофора. На рис. 5 показаны нормированные спектры излучения силикатных люминофоров (S. Tasch et al., Патент США 6809347; Заявка на патент EP 1352431A1), используемых в СД компании TridonicAtcо.

Рис. 5. Спектры излучения восьми ортосиликатных люминофоров (данные компании Leuchtstoffwerk Breitungen GmbH)

 
Используя подходящие люминофоры и возбуждение голубым излучением, можно получать широкие спектры излучения с высокими Ra. На рис. 6 показан спектр излучения белого СД, разработанного по техническим требованиям заказчика.

Рис. 6. Спектр излучения белого светодиода с цветовой температурой 5500 К и общим индексом цветопередачи 96

 
Обычно повышение Rа ассоциируется со снижением световой отдачи СД, поскольку для получения красной части спектра излучения необходимо использовать люминофор с пониженным квантовым выходом (стоксовские потери). В конечном счете, параметры СД оптимизируются в зависимости от требований, определяемых спецификой применения СД.
Типичные значения световой отдачи мощных СД, производимых TridonicAtco, приведены в табл. 3.

Таблица 3.
Световая отдача белых светодиодов компании TridonicAtco при тепловом равновесии, прямом токе 350 мA и различных температурах печатной платы (Tc) (примечание: температура p-n – перехода приблизительно равна Tc+15°C)

 
Температурная зависимость световой отдачи СД непосредственно связана с температурной зависимостью квантового выхода применяемого люминофора.
Тщательным регулированием количества и состава содержащего люминофор цветопреобразующего материала можно ограничивать разброс цветовых параметров СД соответствующей сортовой группы (бина, ранга3) небольшими областями на цветовом графике МКО 1931, которые приблизительно соответствуют 6-му эллипсу Мак-Адама. Отсюда – уникальность предложений по продаже нашей продукции на фоне чересчур многосортной продукции конкурентов (рис. 7).

Рис. 7. Шестиугольники черного цвета: три стандартные группы цветности излучения белых светодиодных модулей TALEXX. Для сравнения серым цветом показана схема рассортировки по подобным группам аналогичной продукции конкурентов. (Цветовые температуры 6500 (1), 4200 (2) и 3000 (3) К.)

 
Постоянство цветовых параметров в световом пучке – также одно из требуемых свойств белых СД. Особенно оно важно при использовании вторичной линзовой оптики, когда любая неоднородность служит негативным моментом. Необходима также малость размеров светящего тела СД – для эффективного использования вторичной оптики.
Предпочтительно покрывать светодиодный голубой кристалл достаточно тонким слоем люминофора. Для оптимизации формы и концентрации конформно наносимого слоя люминофора мы использовали оптическое моделирование. Оно позволяет достигать разброса в координатах цветности х, у по светящему телу СД менее 0,01. Соответствующая геометрическая модель приведена на рис. 8.

Рис. 8. Идеализированная схема патентуемой цветопреобразующей структуры для получения однородной цветности светового пучка белых светодиодов (слева). Трассировка лучей рассеиваемого света в цветопреобразующем слое (справа)

 
Указанная однородность по цветности определяется выбором толщины (h), ширины (b) цветопреобразующего слоя и концентрации люминофора (с) в нём (рис. 8, 9).

Рис. 9. Результаты моделирования цветопреобразующего слоя толщиной (h) 400 мкм и шириной (b) 1040 мкм с концентрацией люминофора (c) 10 объёмных %. Поперечное цветораспределение (слева) и псевдоцветораспределение (справа) в световом пучке светодиода в дальнем поле (в координатах х цветовой системы МКО 1931 г.)

 
Экспериментальное воплощение подобной преобразующей структуры приведено на рис. 10 (ведётся патентование).

Рис. 10. Светодиодная структура «Chip-on-Board» с оптимизированными размерами цветопреобразующего слоя

 
Данная технология в сочетании с использованием линз с разными углами излучения (2Θ1/2) – 20, 40 и 60° – позволяет легко достигать цветовой однородности освещения объектов (рис. 11).

Рис. 11. Измеренное поперечное цветораспределение (в координатах х цветовой системы МКО 1931 г.), в дальнем поле, в световых пучках системы белый светодиод-линза с углом излучения (2Θ1/2) 10°. (синяя кривая) и стандартного белого светодиода по рис. 3, не оптимизированного под использование линз (оранжевая кривая)

 
4. Заключение
ОС СД находится на пороге широкого применения в общем освещении. Качество белого света и световая отдача белых СД – ключевые показатели ОС СД в конкурентной борьбе с традиционными осветительными технологиями.
Рынок освещения всё ещё – в стадии технологического поиска, и существенным моментом в нём служит проблема сокращения выбросов углекислого газа (путём повышения энергоэкономичности осветительных установок).