Verhalten von Farbproben mit Hochleistungs-Leuchtdioden

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1 Verhalten von Farbproben mit Hochleistungs-Leuchtdioden 12. Workshop Farbbildverarbeitung M.Sc. Dipl.-Ing. Hochschule für angewandte Wissenschaft und Kunst Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/Göttingen Fakultät Naturwissenschaften und Technik Göttingen Oktober 2006

2 Gliederung Grundlagen Verhalten Zusammenfassung Farbproben Gliederung

3 Relative Strahlung und Farbkoordinaten typischer 5-mm-LEDs 0.9 (x,y) - chromaticity diagram, CIE rela tive Intenität y E Wellenlänge in nm x λ 0,5 von einigen 10 nm hohe Farbsättigung Weiß durch Mischung blauer LED mit gelbem Leuchtstoff (z.b. YAG:Ce 3+ ) Grundlagen - Übersicht

4 Abstrahlverhalten im Nahfeld Variation der Intensitätsverteilung mit der: abgestrahlten Wellenlänge mechanischen Position des LED- Chips Grundlagen Abstrahlverhalten

5 Typischer Aufbau von LEDs Golddraht Reflektor Linse LED-Chip Epoxydharz Gehäuse n-elektrode (Au) N-Ga 1-x AlxAs (x>0,6) p-ga0,65al 0,35As P-Ga 1-xAl xas (x>0,6) p-elektrode (Au) p-gaas Substrat Anode Kathode Grundlagen Aufbau

6 η ext =η int η Opt η int Anode Kathode Reflektor Golddraht LED-Chip η Opt 12 % Epoxydharz Gehäuse x Leckstrom (n p» n i2 ) Störstellenkonzentration (τ R «τ NR ) n-elektrode (Au) N-Ga 1-xAl xas (x>0,6) p-ga0,65al 0,35As P-Ga 1-xAl xas (x>0,6) p-elektrode (Au) p-gaas Substrat Aufbau und Energieband-Ortsdiagramm einer Doppel-Heterostruktur LED W C U>0 P p N W V W FC W FV x Interne Reflexion η Opt 1 4 n 2 außen 2 HL n Transmissionsgrad des Epoxydharz Gehäuse Grundlagen - Wirkungsgrad

7 η ext im sichtbaren Spektrum P elektrisch bis 5 W ca. alle 4 Jahre Verdopplung Lücke bei Grün 1,000 externer Wirkungsgrad 0,100 0,010 GaAlInP InGaN GaAlP GaAlAs 0, Wellenlänge in nm Grundlagen - Wirkungsgrad

8 Verhalten von LEDs Verhalten von LEDs

9 Streuung bei GaAlInP-LEDs Schwerpunktwellenlänge und Intensität von insgesamt 94 LED s aus zwei Chargen 100,0 relative Intensität bez. auf die LED mit max. Int. in % 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 70,0 65,0 60,0 603,5 604,0 604,5 605,0 605,5 606,0 606,5 Wellenlänge in nm Verhalten von LEDs - Streuung

10 Streuung bei InGaN-LEDs Wellenlänge Intensität-Diagramm von #22 (mit 130 LED s) ( ) 100,00 relative Intensität bezogen auf die LED s mit der maximalen Intensität in % 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 503,00 504,00 505,00 506,00 507,00 508,00 509,00 510,00 511,00 512,00 513,00 Wellenlänge λ in nm 1.Lieferdatum:23,7,06(90 St.) 3.Lieferdatum: (30St.) 2.Lieferdatum: (10 St.) Verhalten von LEDs - Streuung

11 Temperaturverhalten Halbleiterverbindung GaAlAs Wellenlängenbereich in [nm] (NIR) λ d /T [nm/k] ca. 0,3 Φ Φ/T [%/K] ca. -1,5 GaAlInP ,05-0,1 ca. -0,7 InGaN (UV) ca. -0,02 ca. -0,3 Verhalten von LEDs Temperatur

12 InGaN + YAG-Leuchtstoff weiß 3W S treuscheibe warm-weiß 1W S treuscheibe weiß 3W U-Kugel wa rm-weiß 1W U-Kugel weiß 5W U-Kugel Warm-weiß mit zweitem Leuchtstoff für Rotanteil relative Intensitä räumlich inhomogene Abstrahlung Wellenlänge in nm In G a N Y A G 0.31 InGaN + YAG- Spektren unterschiedlich temperaturabhängig λ C in nm I F in m A y I F x xy-farbkoordinaten stark temperaturabhängig Verhalten von LEDs - Weiße LED

13 Alterung Annahme: freie Diffusion von Störstellen in Festkörpern 2 Modell: I = I0 (1 + α t) mit 1 α = α 0 I C F I e C T T j relative Intensität bezogen auf den Versuchsstart relative Intensität bezogen auf den Versuchsstart 0,9 0,8 0,7 0,6 0, Betriebsdauer in h InGaN #7 GaAlAs #14 InGaN #6 GaAlInP # Betriebsdauer in h hohe Alterung in den ersten Betriebsstunden Von der Stromdichte und der Temperatur abhängige Alterungsprozesse Verhalten von LEDs - Alterung

14 Zusammenfassung Halbleiterverbindung Temperaturverhalten Wellenlängenbereich in [nm] Produktionsstabilität Alterung η ext GaAlAs GaAlInP InGaN InGaN Zusammenhänge noch nicht vollständig geklärt Theoretisch für das gesamte sichtbare Spektrum geeignet GaAlInP Ausgereifte Technologie Externer Wirkungsgrad fällt stark mit der Wellenlänge Zusammenfassung

15 Langzeitstabile Farbproben hohe Stabilität der Farbkoordinaten / dominanten Wellenlänge λ < 1nm / 100h hohe Langzeitstabilität L < 1% / 100h kurze Einschaltzeit t on < 5 min. Farbproben

16 Selektion geeigneter LEDs (x,y) - chromaticity diagram, CIE 1931 Messplatz zur Selektion von: spektrale Verteilung Intensität xy-farbkoordianten y E x Farbproben Selektion

17 Regelung der Intensität und der Temperatur an den spektralen Hellempfindlichkeitsgrad angepasste Fotodiode kleiner thermischer Widerstand Regelung der LED-Temperatur Regelung des LED-Stroms Kühlung LED s Empfindlichkeit und relative Transmission LED-Strahlungsquelle optischer Weg Temperatur- & Strahlungssensoren Messanordnung für elektrische, optische und thermische Parameter Wellenlänge λ in nm T S T J S BR V(λ) BG39 S1337*BG39 (rel.) Leiterkarte Wärmeleitender Isolator Metall Peltierelement Isolationsmaterial Temperatursensor LED-Chip T A Farbproben - Stabilisierung

18 Optische Mischung und Homogenisierung Reflektor Streuscheibe Leuchtende Fläche = 27mm L < 5% Farbproben - Homogenisierung

19 Langzeitstabilität weißer LED- Farbproben Leuchtdichte in cd/m 2 180,10 180,00 179,90 179,80 179,70 179,60 179,50 179,40 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 Betriebsdauer in h über 250 Stunden L < 0,3% x < 0,0004 y < 0,0006 xy-komponenten 0,3000 0,2998 0,2996 0,2994 0,2992 0,2990 0,2988 0,2986 0,2984 0,2982 0,00 50,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 Betriebsdauer in h x y Farbproben - Langzeitstabilität