Белый светодиод с изолированным несплошным слоем люминофора

Были исследованы белые светодиоды высокой эффективности с превосходной цветопередачей. Предполагается, что структура с изолированным и неполным слоем люминофора могла бы улучшить равномерность углового распределения коррелированной цветовой температуры (CCT) и помочь достижению высокой хроматической стабильности в широком диапазоне рабочего тока, по сравнению с обычной структурой с изолированным люминофором (remote phosphor). В этом эксперименте для создания несплошного слоя люминофора использовался метод импульсного напыления для нанесения люминофора на поверхность корпуса с оставлением свободных промежутков. Область промежутка, свободное пространство без покрытия не только повышает эффективность синего излучения на большых углах, но и улучшает стабильность угловой зависимости CCT. Кроме того, с помощью этого метода отклонение CCT может быть снижено с 1320 К до 266 К, можно контролировать и существенно снизить паразитное синее и желтое излучение, направленное внутрь корпуса. Конструкция была проверена экспериментально и теоретически.

Введение

Твердотельные источники света (SSL) в виде высокоэффективных белых светоизлучающих диодов (СИД) были разработаны для замены традиционных источников освещения [1]. Как правило, белые светодиоды изготавливаются тремя способами:
1) смешиванием индивидуальных цветов: использование светодиодов разных цветов для создания широкой видимой области спектра, таких как синий (B) + зеленый (G) + красный (R), или B + G + R + желтый (Y) светодиоды [2];
2) использованием ультрафиолетовых (УФ) светодиодов в комбинации с люминофорами различного цвета: коротковолновые светодиоды обеспечивают достаточную энергию активации для возбуждения различных люминофоров с преобразованием длины волны исходного излучения и создания белого спектра [3];
3) использованием синих светодиодов в сочетании с желтым люминофором, метод получения так называемых люминофорных светодиодов (phosphor-converted white light-emitting diodes - PC-WLEDs).
Среди этих трех технологий, первая имеет высокие производственные затраты и трудности в стабильном смешивании цветов, что не является благоприятным для массового производства. Вторая страдает низкой эффективностью преобразования для всех вариантов люминофоров. Кроме того, такая технология пока не позволяет изготовить приборы большой мощности. Третий метод может предложить не только высокую эффективность преобразования, но и хорошую технологичность и, следовательно, представляет собой один из самых эффективных методов для применения.

Для PC-WLEDs, синий или УФ InGaN светодиодный чип может возбудить YAG : Ce3+ люминофор и излучить видимый свет широкого спектра. В стандартной конструкции PC-WLEDs, порошок желтого люминофора смешивается с прозрачной герметизирующей смолой и затем наносится на поверхность отражателя или непосредственно на поверхность светодиодного чипа. Хотя последний метод прямого нанесения является наиболее распространенным подходом в серийном производстве, однако для некоторых типов люминофора, повышение температуры светодиодного устройства может измениться длину волны возбуждения и повлиять на снижение эффективности процесса преобразования. Эффективность преобразования в такой конструкции страдает от неравномерности распределения энергии и тепловыделения светодиодного чипа. Было показано, что около 60% переизлученного желтого света направляется обратно на светодиодный чип, что серьезно уменьшает световой поток [4]. Чтобы решить эту проблему, очень важно увеличить эффективность извлечения как обратного излучения, так и исходного излучения чипа. Для этого были разработаны перевернутая конусная герметизирующая линза и кольцо с изолированным слоем люминофора. Это так называемая структура с "удаленным кольцом" люминофора могла бы уменьшить вероятность обратного излучения от слоя люминофора на светодиодный чип [5,6]. Для того, чтобы получить низкий нагрев в условиях высоких значений тока, вызвающего тепловые проблемы, была предложена конструкция корпуса с термоизолированным слоем люминофора [7]. Теплоизолирующий герметизирующий материал может эффективно снизить передачу тепла от чипа светодиода к слою люминофора, таким образом, слой люминофора с таким способом охлаждения может быть эффективным вариантом повышения светового выхода и уменьшения цветовых искажений. Кроме того, корпус с рассеянием фотонов (scattered photon extraction - SPE), который был разработан Narendran и соавт. может повысить эффективность выхода на 61% по сравнению с обычными люминофорными белыми светодиодами [8]. Ким и др. [9] также показали, что корпус с рассеивающей линзой может увеличить световую эффективность и снизить процесс реабсорбции в конструкции с изолированным люминофором.

Предыдущие подходы для получения структур с изолированным слоем люминофора используют двухступенчатый метод. На первом этапе корпус частично заполняется прозрачной смолой, а затем запекается в камере для затвердевания герметика. На втором этапе на застывшую смолу наносится слой люминофора, так чтобы частицы люминофора находились в некотором удалении от синего светодиодного чипа. Тем не менее, в ходе процесса, поверхность герметика, как правило, становится вогнутой из-за капиллярных явлений, которые могут привести к неоднородности толщины люминофора. Кроме того с увеличением угла к нормали, увеличивается оптический путь, что вызывает увеличение доли обратного излучения желтого света, и соответственно к увеличению желтой составляющей света по периметру корпуса светодиодов [10,11]. В дополнение к эффекту желтого кольца, так как люминофор полностью покрывает поверхность корпуса, большáя часть синих и/или обратно излученных желтых фотонов поглощаются в корпусе. Если же в конструкцию корпуса добавляются дополнительные линзы для снижения угловой зависмости CCT, это приводит к удорожанию и снижению светового выхода.

В этом исследовании мы предложили структуру с изолированным слоем люминофора несплошной формы как развитие концепции корпуса с изолированным люминофором. Наиболее очевидным различием между обычным слоем люминофора и слоем в виде пятна является то, что слой люминофора в последней конструкции имеет зоны без покрытия люминофором по периметру корпуса. Эти чистые зоны предназначены не только для улучшения выхода синих лучей на больших углах, но и для уменьшения угловой зависимости CCT.

Эксперимент

В этой работе традиционная и несплошная структуры с изолированным люминофором были получены методом импульсного напыления. Цель метода состоит создании акцента на процессе удобном, без загрязнения окружающей среды химическими реагентами и на пригодности для изготовления систем освещения больших площадей плоской формы [12]. Поскольку способ импульсного напыления дает равномерный слой суспензии люминофора, можно легко корректировать ССТ. Прежде всего, порошок люминофора YAG : Ce3+ тщательно смешивается с силиконовым связующим и алкильным растворителем в соотношении 1:1:2.5 для получения суспензии люминофора. Сопло распылителя испускает суспензию при помощи сжатого воздуха, направление движения воздуха в камере было сформировано для достижения высокой равномерности напыления. Корпуса светодиодов имеют размер 5 мм на 7 мм, а размер кристалла составляет 24 mils (тысячная доля дюйма) квадратной формы с толщиной 220 мкм. Синие светодиодные чипы были закреплены содержащим серебро клеем на кристаллодержатель с золотыми проводниками. Затем был измерен поток излучения. Были выбраны корпуса светодиодов с голыми синими чипами с выходом 123 мВт при 150 мА для обеспечения одинаковых начальных условий. Обычные структуры были получены непосредственным нанесением слоя люминофора YAG : Ce3+ на поверхность прозрачной смолы семь раз. Структура с пятном люминофора была сформирована путем распыления люминофора, содержащего растворитель на поверхность отвердевшей смолы с помощью маски круглой формы. Таким образом, на краях корпуса поверхность выглядела чистой и прозрачной. Поскольку коэффициент преобразования люминофора в этих двух структурах был различным, слой люминофора одинаковой толщины не может дать одинаковую CCT.

Чтобы лучше сравнить эти две структуры, мы контролировали цветовые хроматические координаты (0,33 ± 0,003, 0,34 ± 0,003) на базе системы CIE 1931, цвет RGB при токе 150 мА. Поскольку световой выход светодиодных изделий зависит не только от цветовой температуры, но и от хроматических координат цветности. При слишком большой разнице цветовых хроматических координат, образцы не должны считаться репрезентативными для сравнения, даже если они имеют ту же CCT.

Рис. 1. Рентгеновская фотография двух моделей распределения люминофора:
(а) обычная структура с изолированным люминофором, видно слой люминофора на поверхности герметика,
(б) структура с изолированным люминофором в виде пятна, осталось место без напыления люминофора.

В связи с инженерно-техническими ограничениями, даже когда мы использовали импульсный способ напыления для получения структуры с изолированным люминофором, сохранять равномерность толщины люминофора на большой площади по-прежнему трудно. Реальный вид слоя люминофора обычной структуры показан на рис. 1 (а), похоже, он в центре толще, чем на периферии. Предположительно, эта неоднородность приводит к появлению желтого кольца при включении светодиода. Несмотря на это, желтое кольцо может быть убрано с помощью вторичной оптики и рассеивателя, таких как рассеивающие линзы или линзы Френеля, но это будет стоить дополнительных затрат и потери энергии в этих  конструкциях. Структура с изолированным слоем люминофора в виде пятна позволяет получить бóльшую угловую стабильность CCT. На рис. 2 показана угловая зависимость CCT от -80 до 80 градусов для обычных структур и структур с несплошным слоем люминофора. CCT были 1302 К и 266 К, соответственно. Очевидно, что по данным измерений, угловая зависимость CCT структуры с пятном более равномерна в большем диапазоне угла распределения. Когда синее излучение проходит слишком длинный путь в смоле, что происходит при больших углах дифракции фотонов, часть обратного излучения желтого света будет расти за счет увеличения пути света и увеличения поглощения люминофором. Если желтая составляющая будет увеличиваться, на периметре корпуса появится свет с низкой CCT, который обычно называют "желтым кольцом". В нашем варианте исполнения с точечной маской, большая часть синего излучения под большим углом и желтого излучения обратного рассеяния выходят из пакета через окно, которое не было полностью покрыто слоем люминофора. Таким образом, мы смогли получить отношение интенсивности желтого и синего излучений (Iyellow/Iblue) с хорошим постоянством по сравнению с обычной структурой в бóльшем диапазоне углов. Следовательно, явление желтого кольца может быть убрано с помощью структуры с несплошным слоем люминофора.

Рис. 2. Угловая зависимость цветовой температуры, две структуры распределения люминофора.

Для более глубокого понимания оптических характеристик для структуры с изолированным слоем люминофора, мы измеряли зависимость светового выхода от прямого тока и рассчитывали световую эффективность. На рис. 3 видно, что световой выход и эффективность образцов с слоем люминофора в виде пятна немного снизились на 1,38% и 1,12% соответственно при токе 150 мА, по сравнению с обычными образцами. Для достижения той же цветовой характеристики для сравнения вариантов, образец с изолированным люминофором в виде пятна имеет более толстый слой люминофора, чем изготовленный традиционно, как показано на рис. 1. Поскольку пятно люминофора не распространяется по всей поверхности корпуса, было нанесено дополнительное количество силиконово-люминофорной композиции с помощью маски и можно увидеть более толстый слой люминофора в центре корпуса (как показано на рис. 1 (б )). Когда синее излучение проходит через толстый слой люминофора, часть желтого обратного излучения может поглощаться в слое люминофора, что может привести к несколько меньшим значениям общего светового выхода и эффективности. В будущем, структура с изолированным люминофором в виде пятна может быть оптимизирована в части формы, толщины слоя и снижения его концентрации для увеличения общего светового выхода.

Рис. 3. Зависимость светового выхода и световой эффективности от прямого тока для структур с обычным изолированным слоем люминофора и слоем в виде пятна.

Мы также исследовали отклонение хроматических координат цветности в зависимости от прямого тока. Как показано на рис. 4, в обычным и "пятнистом" образцах имеется некоторое различие в изменении координат цветности в диапазоне тока от 0 до 250 мА. Так как обе структуры соответствуют модели с изолированным люминофором, температурное изменение цвета должно быть снижено [13]. Мы связываем зависимость координат цветности с различной толщиной покрытия люминофора. Образец с изолированным слоем люминофора в виде пятна с более толстым слоем люминофора показывает меньшее изменение цвета, что указывает на бóльшую стабильность такой структуры при высоких значениях интенсивности возбуждающего света. Эта меньшее изменение CIE координат от прямого тока может быть обосновано следующим образом. Количество оратно излученного желтого света меняет CCT при различных токах, а поскольку в нашем образце слой люминофора неполный, большинство синего излучения под большим углом не преобразуется ни при каких значениях тока. Эти свободные синие фотоны могут скомпенсировать изменение цвета по оси светодиода. Таким образом, обычная структура с изолированным тонким слоем люминофора имеет худшие показатели цветности, хотя световой поток и световая эффективность обычных структура немного выше, чем в структуре с неполным слоем люминофора. В настоящее время приложения освещения требуют не только световой поток (люмен на ватт), но и качество света, такое как угловая зависимость CCT. Поэтому, очень важно сохранить постоянство CCT во всех режимах работы светодиодного устройства.

Рис. 4. Отклонение цвета светодиода с обычной структурой с изолированным слоем люминофора
и с неполным слоем люминофора при различных токах возбуждения.

Симуляция

Мы использовали программу Speos, базирующуюся на методе Монте-Карло для моделирования излучения как обычной структуры с изолированным слоем люминофора, так и для образца с неполным слоем. При моделировании трассировки лучей, мы предполагали, что параметры Nphosphor = 1,82, Nsilicone = 1,54, Nfree_space = 1,0 (над корпусом) и коэффициент отражения серебра RAg = 95%, Nblue_chip = 2.4, светодиодный чип толщиной 220 мкм, площадью 24 mils. Для структуры с неполным слоем изолированного люминофора, показанной на рис. 5 (б), мы видим что синий свет выходит свободно при больших уголах излучения и часть обратно излученного желтого света также выходит сквозь прозрачную поверхность. С другой стороны, в случае обычной структуры с изолированным и тонким слоем люминофора, синие лучи концентрируются в нормальном направлении и проходят без конвертации в желтый свет. Мы также рассчитали угловую зависимость соотношения интенсивностей желтого и синего света (Iyellow/Iblue), что показано на рис. 6. Структура с обычным слоем люминофора имеет неоднородную зависимость. Тогда как, структура с неполным слоем люминофора сохраняет высокую стабильность от нуля до 70 градусов. Эти результаты хорошо согласуются с тем, что мы наблюдали в эксперименте, и обычные структуры имеет худшие геометрические показатели смешивания цветов по сравнению со структурой с неполным слоем люминофора.

Рис. 5.Трассировка лучей и результаты моделирования:
(а) Слева - обычная структура (с тонким слоем люминофора на всей поверхности) и
(б) справа - структура с неполным слоем люминофора (с толстым покрытием люминофором только в центре области).

Рис. 6. Угловая зависимость соотношения интенсивностей желтого и синего излучения. Обычная структура имеет серьезные отклонения. В то же время, структура с неполным слоем изолированного люминофора сохраняет высокую согласованность даже до углов около 70 градусов.

Заключение

В этом исследовании, мы эффективно уменьшили угловую зависимость CCT с помощью метода неполного изолированного слоя люминофора. Мы считаем, что при больших углах излучения, отклонение CCT может быть изменено с помощью отражении и/или непосредственного выхода синего света от поверхности чипа, и открытая область окна может помочь. Несмотря на то, что световой поток и люмен на ватт были несколько ниже, чем у обычной конструкции, они все еще в пределах допуска. С другой стороны, равномерность угловой зависимости CCT значительно улучшилось, что очень важно для достижения высокого качества освещения. Мы считаем, что благодаря реализации этого нового дизайна, а также улучшения производительности чипа, в ближайшем будущем могут быть созданы более качественные твердотельные источники света.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить LiteOn Technology Corporation, Helio Opto., Kismart корпорации за техническую работу и поддержку. Исследования финансировались Национальным научным советом Тайваня по гранту NSC98-3114-E-009-002-С2. Наконец, авторы хотели бы выразить искреннюю признательность проф. Вэнь-Feng Се Национального университета Цзяотун за плодотворные предложения.

Авторы

Hao-Chung Kuo, Cheng-Wei Hung, Hsin-Chu Chen, Kuo-Ju Chen, Chao-Hsun Wang, Chia-Chi Yeh, Department of Photonics and Institute of Electro-Optical Engineering, National Chiao Tung University, Hsinchu 30010, Taiwan
Chien-Chung Lin, Institute of Lighting and Energy Photonics, National Chiao Tung University, 301 Gaofa 3rd Rd., Guiren Township,
Tainan County 711, Taiwan
Chin-Wei Sher, Cheng-Huan Chen, Department of Power Mechanical Engineering, Tsing Hung University, Hsinchu 30010, Taiwan, China
Yuh-Jen Cheng, Research Center for Applied Sciences, Academia Sinica, Taipei 11529, Taiwan, China

Литература

1. M. R. Krames, O. B. Shchekin, R. Mueller-Mach, G. O. Mueller, L. Zhou, G. Harbers, and M. G. Craford, “Status and future of high-power light-emitting diodes for solid-state lighting,” J. Disp. Technol. 3(2), 160–175 (2007).
2. N. Narendran, N. Maliyagoda, L. Deng, and R. Pysar, “Characterizing LEDs for general illumination applications: mixed-color and phosphor-based white sources,” Proc. SPIE 4445, 137–147 (2001).
3. T. Nishida, T. Ban, and N. Kobayashi, “High-color-rendering light sources consisting of a 350-nm ultraviolet light-emitting diode and three-basal-color phosphors,” Appl. Phys. Lett. 82(22), 3817–3819 (2003).
4. N. Narendran, “Improved performance white LED,” Proc. SPIE 5941, 1–6 (2005).
5. M. T. Lin, S. P. Ying, M. Y. Lin, K. Y. Tai, S. C. Tai, C. H. Liu, J. C. Chen, and C. C. Sun, “Ring Remote Phosphor Structure for Phosphor-Converted White LEDs,” IEEE Photon. Technol. Lett. 22(8), 574–576 (2010).
6. M. T. Lin, S. P. Ying, M. Y. Lin, K. Y. Tai, S. C. Tai, C. H. Liu, J. C. Chen, and C. C. Sun, “Design of the Ring Remote Phosphor Structure for Phosphor-Converted White-Light-Emitting Diodes,” Jpn. J. Appl. Phys. 49(7), 072101 (2010).
7. B. F. Fan, H. Wu, Y. Zhao, Y. L. Xian, and G. Wang, “Study of phosphor thermal-isolated packaging technologies for high-power white light-emitting diodes,” IEEE Photon. Technol. Lett. 19(15), 1121–1123 (2007).
8. N. Narendran, Y. Gu, J. P. Freyssinier-Nova, and Y. Zhu, “Extracting phosphor-scattered photons to improve white LED efficiency,” Phys. Status Solidi 202(6), 60–62 (2005) (a).
9. J. K. Kim, H. Luo, E. F. Schubert, J. Cho, C. Sone, and Y. Park, “Strongly enhanced phosphor efficiency in GaInN white light-emitting diodes using remote phosphor configuration and diffuse reflector cup,” Jpn. J. Appl. Phys. 44(21), 649–651 (2005).
10. Z. Y. Liu, S. Liu, K. Wang, and X. B. Luo, “Analysis of Factors Affecting Color Distribution of White LEDs,” 2008 International Conference on Electronic Packaging Technology & High Density Packaging, Vols 1 and 2, 386–393 (2008).
11. Z. Liu, S. Liu, K. Wang, and X. Luo, “Optical Analysis of Color Distribution in White LEDs with Various Packaging Methods,” IEEE Photon. Technol. Lett. 20(24), 2027–2029 (2008).
12. H. T. Huang, C. C. Tsai, and Y. P. Huang, “Conformal phosphor coating using pulsed spray to reduce color deviation of white LEDs,” Opt. Express 18(S2 Suppl 2), A201–A206 (2010).
13. S. Ye, F. Xiao, Y. X. Pan, Y. Y. Ma, and Q. Y. Zhang, “Phosphors in phosphor-converted white light-emitting diodes: Recent advances in material, techniques and properties,” Mater. Sci. Eng. Rep. 71(1), 1–34 (2010).