Fizika | Fénytan, Optika » Gruber László - Itt a fehér LED

■ ELEKTROnet 199911 Itt a fehér LED! GRUBER LÁSZLÓ Több mint egJ• {,,•tizede, hogyfe(fedrczték. ó m,-gulko11id, a LED-et, amely ehí,zor piros volt, llZUtán ;:;öld. mujd á1:i;a lett. A színpalettáról hiányzou a kék, ame/ 1· mk/11 1-ámron magára, ugyanis féfrezetó anyagot kellen ,·áltan;, a gailh,~ mot nem arzénnel, alumfniumma~ fos ::.forral s1b k e/!eu ör1•özn~ hanem nitrogémiel vegyíre11i A megs::ii!Citrl hlírom a/ap~:Jnből - a fénytanhan larm/tak s::.aim - ki fdu·1 k,Terni a fehére/, amire az ipomak nngy 1úik,égf van Sziikslg mfl azonban egy egyszeni fdépilésii, fehér LEJJ-re i.,, amely okw és körrnyen rőn1eggycinharó. A Siemens kwatói tova(, nyáron mega!Jwuák a fehér LED-<l, ami ,i;:ów egyre frnyesebb pályái fut be. A fehér LED nuíködési elve A kvantummech,mikából ismeretes.,, hogy egy nyitóírúD}Ú po átmeneten átfolyó nyitóirán)Ú áram hat,iwa az n rétegből elektronok haladnak át a p rétegbe (vagy

lyukak az ellenkező irányba), és adott valmzínúséggel találkoznak a lyukakkal (vagy elcklmrmkkal), amelyekkel egyt.>sülnek (rekombinálódnak) A gerjesztett elektron-lyuk pár rekombinációja során közvetlen vagJ· közvetett módon fénykvantum keletkezik. A rekombinációs fény hullámhosszát (színét) m: alkalmazott félvezető anyag tiltott zónájának v.élcssége határozza meg, amely az emberi szem szárrníra ]jtható, agy látfaltatlan fénytartc1mínyba esik de mindenképpen keskeny hullám ha;,>Z-t,utományú (Ennél keskenyebb hullámhossz-lart01nányú, monokromatikus fényt bocsátanak ki a lézerek.) A félvezető an)agának megválasztásával, hm1értékben a technológiai fogásokkal befolyásolhatjuk a LED színét, de spektru 0 mának kiszélesítése fizikai képtelenség. Pedig a jó hatásfokú, hideg fehér fén~1 sugárzó eszközre már régen szüksége van az iparnak A fejlesztők elóu kél út állt: • három alapszínű chip

összeépítése, a fehér fény kikeverésére, • szekunder sugárzó alkalmazása. Az első út volt a kézenfekvőbb, hiszen ezen az elven gyártanak a nagyobb cégek R-G-B fénypontokat, főként nagyobb méretben. amivel fényújságok, nagyméretű színes display-k építhetők. Ezt ugyan kémtik kis méretben is (pl Kinghright Electronic SMT chíp LED-je). de itt az alapvető cél a három LED áramának beállításával a tetszdleges sún kíkcverése. Ha ezt csak fehér fény elé,áUítás.ira alkalmazzuk draga eszközhöz jutunk Járulékos probléma hogy az egyes LED-ek fényeró:sségének időbeli stabilitása nem hozható össze, idóve] az egyes diódák más-más öregedési mértékének megfelelően a fehér szín elmegy valamilyen irányban. Az út járhatatlannak hizonrnlt A Siemens fejlesztői a második utat válaszwtták. és 1998 júniusában megalkották a kék alapú. de lurnineszcem, konverzióval fehéren sugárzó LED-et Az eJektro1umineszcencia

jelenségét először H. J Ronnd írta le 1-ro9-ben. és lényege hogy fényt közvetlen energiaátalakítással, sugáT7.ás révén gerjesztett atomokkal áUítunk elő 281 AI-KATRÉSZEK A Siemens fehér LED-jének alapanyaga GaN vagy InGaN bázisú, kéken világító LED, amelynek közvetlen sugá,L.ási útjába olyan anyagot helyeznek, amely a LED diszkrét energiacsomagjaitól néhány nanoszekund t1míg m21gasabl gerjesztell energiaállapotba kerül. k szekunder s1.1gárrisként látható zöld, sárga, vagy piros fényt bocsát ki. A lesugirzotl fény hatására az anyag eredeti stabil energiaállapotba kerül. A leírt ciklus ter1ué,2etesen folyamatosan meg v végbe, tehát a szekunder luminesv:cru rug-irzás iSc fol~fillli!tos Az alapelv egyébként hasonlít a fénycsövek .l<lfil katód,ugárcsövek fényporos bevonataihoz, de ott a plazmakisillés, vagy az elektronsugár gerjeszti a lumi• ne=ens fénypmt A Siemens mérnökei azt oldották meg. hogy a kék LED

sugárenergiája gerjessze a S7ekunder sugárzót Persze meg kellett találni a megfelelő anyagot is, amely a maga sárga fényével a primer kék fénnyel kikeveri a fehéret (Tudvalévő, ho gy a s.árga fény a vörös és zöld additív keveréke) Jgy előáll a h,rrom alapszínból kikevert fehér. A konverzió útján előáUó szekunder fény {a sárga) nem diszkrét hullámbossz-tartományú, így az öregedés nem okoz észrc•ehetó színeltoiódást. A fejlesztés smán - szoros együttműködésben az Osram fejlesztőivel - megtalálták az ideális luminesz cens-kom•erziós anyagot, amely Y,Al-.O 12 alapú pigment Ce>· ionnal adalékolva Ezt az anyagot - ismét szellemes fejlesztési öt lettel - azzal a l}lúgyantával keverik, ame!ybdl a LFD tokja készül. Igy a kék LED által gerjesztett egész tok bocsátja ki a fehér fényt (lásd L ábra). 1. ábra Fehér LED A mei,·alósítoH fehér LED Az els.:i - kereskedelmi forgalomba hozott - fehér LED a Siemens

ismert Hyper TOPLED® tokban. SMD kivitelben került forgalomba. Típusa LW T67ó Tokrajzát a 2. áhra mutatja 120"-os sugárzá.<ri térswge kifejezetten világítási·· alkalmazástechnikát sugall. Valójában ez így is van 2.1 1.7 0.1!twll D.9 D.7 ,, ., :: ,~- ,,/ . ., PI, --:: U! -o ,, "" ~-#,,,, ,,,,:r--. ,, 0.11 11.12 Katódje161ése Tömeg: 0,03 g világítástechnika forradalmian új eszközt kapott (a normál izzólámpa élettartama mintegy 50.D óra, a kompakt fénycsóé ennek többszörose). Az LW T676 villamos paramétereit a 3. táblázat tartalmazza. A színkoordioáták értetmezéséhez azonban a spektrális tulajdonságok vizsgálata szükséges 3. táhlárar Az LW T676 típusú lED villamos paraméterei Jdiilés Pamnéter D.6 0.4 Katód 2. ábra Fehér LED tokrajza elso""ként az autóipar érdeklődik iránta. és nagy meny-llyiségben használja múszerfal--megilágítás céljára Sugárzási

karakterisztikái át a 3 ábrán láthatjuk Ér1ék • !pikw; ; M3Xll11ális S1Íllkoordiruita X Színkoordináta Sugárzási szög Nyítóirán~·ú fes.i:illtség Záróáram X koordináEa y 21 . 0300 0,320 120 fok UF 3.5 4.2 TR 0.01 10 TCli: o,m TCy Q25 TCv -3.1 V µA hőmérsékleti együtthatója Y koordináta 10-IK hőmérsékleti egyi1Uhauja UF hőmérsékleti együtthatója roV,K Spektrális tulajdonsá,:ok 3. ábra LW T676 fehé< lED sugarzési diagramja A fehér LED villamos határadatait az J. tábkíznt mutatja laamém- Jelölés Múködési hóroérséklct Tárolási hómén;éklel Rétegh6mér.lékle! Nyitóirányú áram Záróirányú fes:zfilts.ég Veszteségi teljesítmény Top Ts1g E~ég j Értél . -40 +100 "C C "C --4ü. +100 +100 Ti lr mA :ro 011. P,,11 V mW 5 CXI R,tuA K/W 500 Tennikus ellenállás Beültetve {pad ? ] 6mml) Sugárzási adatait pedig a 2. ráblázaton tanulmányozhatjuk lípus

Emihilt !ZÍI UD F~ Ir =10 mA ~ Iv (mcdJ féaye:d1lÍIÓ Fenyáram lO mA lf= <l>v {mlm) LWTh76 LWI676-U LW 1616--Ml LWT676-M2 l.WTh~~l Fehér 12.i 2!iíl Színes. diffúz 16JL25,0 20.0 320 2i.0 40,0 50 60 &i 100 Láthatóaa a fehér LED meg!eheto""sen aagy fényerejú, és ha hozzávesszük, hogy várhaió élettartama 100 OIX) óra, valamint hatásfoka W%-al nagyobb, mint az izzólámpáé, akkor meg lehetünk győződve, hogy a Az új, Siemens fehér LED spektrális tulajdonságainak megértéséhez egy kissé fel kell eleveaíteni fénytani ismereteinket. Szemünk nem egyforma erősséggel 1átja a szfueket. tehát a fizikai sugárenergiát, vagy az absrolút fényerősséget a színskálán korrigálni kelL Az emberi g,em ér.zékenységi maximuma a it = 555 nm--es hullámhossznál van, itt az átszánútás: i W = 682 lm Ez egy zöld szín. ami azt jelenti hogy azonos sugárteljesítményú fényforrások közül a zöldet Járjuk

ero""sebbnek. Egy tetszőleges színű fény három alapszínre: pirosra, zöldre és kékre bontható feL Egy öszszetett szín e három komponens tets:m7eges arányú keveréke, de nem feltétlenül szerepel benne mind-egyik. A három komponens egyen16 arán}1Ú keveréke adja a fehér színt Egy színt tisztaságával is jellemezhetünk. agyis annak mértékével, hogy milyen kevés benne a fehér-tartalom. Nyilvánvaló, hogy egy vagy két alapszínt tartalmazó szín 100%-os tisztaságú, viszont 0% tisztaságú a teljesen fedetlen fehér szín. A keverékszmeknek nagy jelenhJSége van a LED-ekaél is. Egy LED spektrális sugárdiagramja rendszerint tartalmaz a főmaximmnán (alapszínén) kívül egy vagy több mellékmaximum ot is. Ha ez a mellékmaximum a láthatatlan (infravörös vagy ultraibolya) tarwmányba esik akkor c:supán a fényhasznosítási hatf1sfok csükken, ellenben ha ez egy másik látható fény. akkor kismértékben módosíthatja a LED eredő

stinét. Ez tapasztalható a fehér LED-nél is, ahol fő­ ként a 57,ekm1der sugárzó elektrolumineszc ens konverter színe á1toztatható adagolással amível a dióda eredo"" színe a hideg-fehér tónusoktól a meleg-fehér tónusokig állítható. Az egyes színeket a három alapszínből (R G. R azaz vörös. zöld és kékJ lehet additíve, vagy ezek komplementer színeiból (M. Y C azaz l;nbor, sárga és kéke:sszöld) szubsztraktíve kikeverni. lgy egy-egy színt háromdimenziós koordináta-rends zerben lehetne ábrázolni, azonban ez túlságosan komplikált lenne. 1 ALKATRÉSZEK .~ ■ ELEKTROnet 1999/1 Ezért nemzetközi sr.hványban elfogadott színtábla ( CJE: Commission I ntemationale de L Eclairage, azaz Nemzetközi Világítástedmikai Bu.ot1ság DIN 5033) szerint x-y koordináta-rend.17erben kétdimenziósan ábrázolhatunk mjnden szfnt. amelynek diagramját a 4. ábrán Játhatjul: A patkó alakú görbe a spektrális színeket kö-ti Ö5SZe. R

G, és B pontjai a monokromatikus alapszínek a görbén 100%-os telítettségű színek vannak A görbe két végpontját összekötó egyenes {R-B) az ún bíbmvonal amely nem monukromatikns, hanem ke•erékszíneket képll·isel L• 11 l lTI 1111 11 1 1 b. " . ,. . llari ~ I -lED ~ ~ ~ u r. "~ "►. ~· ~~a~~~ 1,1 y 11 1, 11 m • -· ~-~ 5. ábra LW T676 fehér LED relativ spektrális emissziója 0.8 es keskeny tartományban ad, mfg a kon,•erter a laposan elnyújtott sárga hu1lámtanományban ( 530 nm). A1. eredő szín s:,emünkben íntegrá,ódik, ~ fehfuet ií tuok. A diagramba berajzoltuk az emberi szem relatí. s:,Jnérzékenységét is, a jobb összehasonlíthatóság érdekében. 0.1 t,1 . 0,1 1,4 Fe1h8llzná1ási temetek G.3 0,2 0,1 0,3 0.4 a,1 o.e 0.1 a,1 u X 1.0 11 4. ábra Szinlábla-diagram A görbén belül látható az R-G-B ebnéleti háromszög. ameJyből azonban - az emberi szem nemlineáris

érzékenysége miatt - nem lehet előállítani a fehéret Erre szolgál a színtáb]a görbéje A diagram közepén helyezkedik el a fehér szín pontja, az elméleti x = y = 0,33 pontban. A diagramba berajzoltuk a Siemens fehér LED-görbéjét., amelyen helyezkednek el a LED lehetséges pontjai A gyártó ugyanis - igény esetén - négy osztályba sorolva gyártja ( váJogatja) a LED-eket a 4. táblá:mt szerint: Csoport y II. ··- --------··· Max. 02&) O~,()(} {),2.R"i 3 0,285 0,295 0,325 0.330 0340 4 0,270 0,315 1 2 Min. Min. 0,33(} 0,345 Max. 0,350 0~1&1 0~195 OJ.35 Nem közömbös megvizsgálni ennek a LED-nek a spektrális intenzitását. Az 5 ábra mutatja a kisugár70tt fényteljesítményt a hullámhossz függ•ényében Látható, hogy a primer sugárzó kék LED a 410 nm- A fehér LED eL<;é alkalmazási területe az autóipar. Itt belső világításra és a múszerfal hátsó megvilágítására használják. Az eszköz

kivá1óan alkalmas külső­ és helsó téri információs kijelzők megvilágítására, mű­ szerek. ke1eJószervek (kapcsolók nyomógombok) helyzelének. és állapotának jelzésére (pl pilóta-múszerfal) vagy éppenséggel alfanumerikus és grafikus LCD panelek hátsó megvilágítására. Jó fényhasznosítási hatásfoka és végtelennek tűnő élettartama miatt az izzólámpák jó alternatívája. ami az egyszcn1 zseblámpát61 az olvasólámpán át a vészvilágításig bezárólag minden lerületen használható A tavaly nyári megjelenése óta most kez.<li felismemí az ipar a hasznosítási fe]Ü]eteket A t&váhbi fejlesztés lelletó1ézei A kidolgozott elv, a lumineszcens konverzió további fejlesztésre ad lehetóséget. A meglévő eS7köz paramétereinek további ja<itása mellett (nagyobb fényerósség más kiviteli forrna, stb) újabb szekunder sugárzó keresésével ]ehetóség nyílik Cg)chipes UV-sugánó LED megalkotására is. lrodalom:

11 J A. lJebroy K Hohn- Langlebige Beleuchnmg mit hohem Wirkungsgrad, Siemens Componcnt~ :5NS. p JIJ J2l r3] Bnnw 1iuná.<: Videote,;:bnika a gyakorlatban l 91-18 Tel.-funk~ri h•chhuch: Farbfensehtechnili: G6RN relécsalád Ol1IR0l1 OMRON EJectronics Kft. 1046 Bp Kiss Emó u 1-3 Tet: 399-3050 Fax: 399--3060 - ALKATRÉSZEK