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
Gliederung Grundlagen Verhalten Zusammenfassung Farbproben Gliederung
Relative Strahlung und Farbkoordinaten typischer 5-mm-LEDs 0.9 (x,y) - chromaticity diagram, CIE 1931 1 0.9 0.8 0.8 0.7 0.6 530 0.7 0.5 580 rela tive Intenität 0.6 0.5 0.4 y 0.4 0.3 0.2 490 E 620 0.3 0.1 0.2 0.1 0 400 450 500 550 600 650 700 750 Wellenlänge in nm 470 0 400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 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
Abstrahlverhalten im Nahfeld Variation der Intensitätsverteilung mit der: abgestrahlten Wellenlänge mechanischen Position des LED- Chips Grundlagen Abstrahlverhalten
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
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
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 0,001 380 430 480 530 580 630 680 Wellenlänge in nm Grundlagen - Wirkungsgrad
Verhalten von LEDs Verhalten von LEDs
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
Streuung bei InGaN-LEDs Wellenlänge Intensität-Diagramm von #22 (mit 130 LED s) (5.9.2006) 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:23.5.06(30St.) 2.Lieferdatum:26.7.06 (10 St.) Verhalten von LEDs - Streuung
Temperaturverhalten Halbleiterverbindung GaAlAs Wellenlängenbereich in [nm] 630 870 (NIR) λ d /T [nm/k] ca. 0,3 Φ Φ/T [%/K] ca. -1,5 GaAlInP 555 650 0,05-0,1 ca. -0,7 InGaN (UV) 400 525 ca. -0,02 ca. -0,3 Verhalten von LEDs Temperatur
InGaN + YAG-Leuchtstoff 1 0.9 0.8 0.7 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 0.6 0.5 0.4 0.3 räumlich inhomogene Abstrahlung 0.2 0.1 0 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 Wellenlänge in nm 1 0 8 In G a N Y A G 0.31 InGaN + YAG- Spektren unterschiedlich temperaturabhängig λ C in nm 6 4 2 0-2 0 1 0 2 0 3 0 I F in m A y 0.3 0.29 0.28 I F 0.27 0.27 0.28 0.29 0.3 0.31 x xy-farbkoordinaten stark temperaturabhängig Verhalten von LEDs - Weiße LED
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 1 1 0.99 relative Intensität bezogen auf den Versuchsstart 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0 100 200 300 400 500 600 700 Betriebsdauer in h InGaN #7 GaAlAs #14 InGaN #6 GaAlInP #20 0.98 0.97 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Betriebsdauer in h hohe Alterung in den ersten Betriebsstunden Von der Stromdichte und der Temperatur abhängige Alterungsprozesse Verhalten von LEDs - Alterung
Zusammenfassung Halbleiterverbindung Temperaturverhalten Wellenlängenbereich in [nm] Produktionsstabilität Alterung η ext GaAlAs 630 870 -- -- ++ -- GaAlInP 555 650 + - ++ + - ++ InGaN 400 525 ++ ++ ++ + - InGaN Zusammenhänge noch nicht vollständig geklärt Theoretisch für das gesamte sichtbare Spektrum geeignet GaAlInP Ausgereifte Technologie Externer Wirkungsgrad fällt stark mit der Wellenlänge Zusammenfassung
Langzeitstabile Farbproben hohe Stabilität der Farbkoordinaten / dominanten Wellenlänge λ < 1nm / 100h hohe Langzeitstabilität L < 1% / 100h kurze Einschaltzeit t on < 5 min. Farbproben
Selektion geeigneter LEDs 0.9 0.8 0.7 0.6 530 (x,y) - chromaticity diagram, CIE 1931 Messplatz zur Selektion von: spektrale Verteilung Intensität 0.5 580 xy-farbkoordianten y 0.4 0.3 490 E 620 0.2 0.1 470 400 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 x Farbproben Selektion
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 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 LED-Strahlungsquelle 0.0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 optischer Weg Temperatur- & Strahlungssensoren Messanordnung für elektrische, optische und thermische Parameter Wellenlänge λ in nm T S T J S1337-66BR V(λ) BG39 S1337*BG39 (rel.) Leiterkarte Wärmeleitender Isolator Metall Peltierelement Isolationsmaterial Temperatursensor LED-Chip T A Farbproben - Stabilisierung
Optische Mischung und Homogenisierung Reflektor Streuscheibe Leuchtende Fläche = 27mm L < 5% Farbproben - Homogenisierung
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