Spis treści:
1. Elektroluminescencja
2. Diody elektroluminescencyjne - rys historyczny
3. Sposoby wytwarzania białych diod LED
4. Obecne i przyszłe parametry diod LED
5. Zasilanie diod LED
6. Optyka diod LED
7. Zarządzanie ciepłem (chłodzenie diod LED)
Część 6. Układ optyczny diody LED
Wewnętrzne i zewnętrzne układy optyczne dla diod LED są jednym z większych wyzwań dla naukowców, projektantów i inżynierów pracujących nad rozwojem diod LED i ich adaptacją do celów ogólno oświetleniowych. Mowa tu o optyce na czterech poziomach optycznych decydujących o parametrach strumienia świetlnego emitowanego przez lampę LED. Pierwszy poziom do optyka w chipie półprzewodnikowym, poziom drugi znajduje się w obudowie diody, bezpośrednio nad diodą LED umieszczana jest optyka stanowiąca poziom trzeci, a dodatkowa optyka w oprawach oświetleniowych to poziom czwarty. Klasyczne źródła światła – żarówki i lampy fluoroscencyjne świecą w bryle i całą swoją powierzchnią. Diody LED są natomiast punktowymi, kierunkowymi źródłami światła. W konsekwencji wszystkie oprawy oświetleniowe, klosze, reflektory, odbłyśniki, soczewki i inne elementy optyczne przystosowane dla lamp klasycznych nie nadają się w ogromnej większości przypadków do wykorzystania z diodami LED. Pojawia się, więc konieczność opracowania zupełnie nowych rozwiązań pozwalających na wykorzystanie zalet diod LED w technice oświetleniowej.
Optyka na poziomie chipu diody LED
W przypadku diod LED optyka zewnętrzna jest ważna, lecz nie najważniejsza. W momencie, gdy sprawność wewnętrzna rekombinacji promienistej par elektron – dziura sięga dziś wartości powyżej 75%, a teoretycznie może przybliżyć się do 100% wciąż nie mały problem stanowi wyprowadzenie powstałego w tym procesie światła poza chip. Na przeszkodzie stoi zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła na granicy półprzewodnik – ośrodek zewnętrzny (powietrze, żywica epoksydowa, silikon itp.). Powoduje ono, iż cześć promieniowania nie wydostaje się poza chip diody LED i zostaje w nim zaabsorbowana. Zjawisko absorpcji odbitego fotonu może wprawdzie wytworzyć kolejną, wtórną parę elektron-dziura, która z kolei znów może ulec rekombinacji promienistej, ale prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest małe. Fotony, którym nie udaje się wydostać z chipu to te, które wyemitowane z obszaru aktywnego diody padają na granicę ośrodków pod kątem równym lub większym od kąta krytycznego. Nie byłoby kłopotu, gdyby chip diody miał kształt sfery, a obszar aktywny znajdowałby się w jej środku. Wówczas fotony emitowane we wszystkich kierunkach z obszaru aktywnego zawsze padałyby na granicę ośrodków pod katem prostym i zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia nie miałoby miejsca. Mimo, że odpowiednie uformowanie powierzchni chipu na kształt sfery poprzez szlifowanie, a następnie polerowanie jest możliwe, to jest jednocześnie bardzo kosztowne i zupełnie nie przystające do technologii planarnej, w której wykonuje się znamienną większość przyrządów półprzewodnikowych.
Usprawnienia w zakresie kształtu i rozmiaru chipu są kolejnym sposobem zmniejszającym straty wynikające na skutek całkowitego wewnętrznego dobicia. Jeżeli chodzi o zmianę kształtu chipu, to problem nie stanowi wyznaczenie kształtów o lepszej ekstrakcji światła z chipu. Problemem jest uzyskanie w wyniku procesu technologicznego takich kształtów, które są tanie i powtarzalne i mogą być wykonywane na poziomie obróbki substratów (ang. wafer-scale process). Takim procesem jest np. trawienie suche, trawienie mokre oraz cięcie laserem. Na rysunku 1b pokazany jest prosty sposób na zwiększenie ekstrakcji przez okna boczne. Jeszcze lepszym rozwiązaniem są chipy o kształcie odwróconej piramidy ze ściętym szczytem (rys. 3). Taka struktura jest optymalizowana pod kątem minimalizowania strat optycznych, a co najważniejsze może być stosunkowo łatwo wykonywana w procesie trawienia mokrego.
Na rysunku 7a przedstawiony jest chip diody XLamp, który jest stosowany w 1W diodach LED mocy emitujących kolory: zielony, cyjanowy, niebieski, royal blue i UV. W celu poprawienia wydajności optycznej firma CREE wykonuje diody LED na podłożach z przezroczystego węglika krzemu SiC (widać na zdjęciu). Dzięki temu promienie przechodzą bez strat optycznych przez podłoże i ulęgają odbiciu na teksturowanym mini zwierciadle, na którym zamontowany jest chip. Ścięte ściany boczne przezroczystego podłoża ułatwiają ucieczkę z chipu światła odbitego od spodniego lustra. Na górnej powierzchni chipu znajdują się gwiaździste, bardzo cienkie elektrody, które równomiernie rozprowadzają prąd w chipie, a jednocześnie nie stanowią przeszkody optycznej dla wychodzącego światła. Ostatnim znaczącym usprawnieniem jest teksturowanie górnej powierzchni chipu, która nie jest gładka, lecz chropowata. Dzięki temu światło z większym prawdopodobieństwem nie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.
Optyka na poziomie obudowy diody LED
Chipy diod LED pokrywa się zawsze przezroczystymi substancjami, które pełnią funkcje optyczne i zabezpieczające. Stosuje się takie transparentne substancje o specjalnych parametrach, jak żywice epoksydowe, polimery akrylowe i żele silikonowe. Jednym z ważniejszych parametrów tych substancji jest wartość współczynnika załamania, który ma wpływ na wartość kąta krytycznego dla fotonów wydostających się z chipu. Materiały na przezroczyste obudowy chipów mają na ogół współczynnik załamania z zakresu 1.5 - 1.6. Ogólna zasada jest taka, że współczynnik załamania ośrodka zewnętrznego powinien mieć możliwie zbliżoną wartość do współczynnika materiału warstwy chipu, z której emitowane jest światło. W efekcie zwiększa się wartość kąta krytycznego i zwiększa się prawdopodobieństwo wyjścia fotonu z chipu. Stosowanie substancji pokrywających chip, to więc jeden ze sposobów na zwiększenie sprawności ekstrakcji światła z diody i ogólnej sprawności diod LED. Materiały na pokrycie chipów oprócz możliwie wysokiej wartości współczynnika załamania muszą również charakteryzować się odpornością na wysokie temperatury (powyżej 150º) oraz szoki temperaturowe, odpornością na oddziaływanie światła o wysokiej intensywności oraz odpornością na wilgoć i penetrację przez wodę. Powinny również charakteryzować się maksymalnie niskim poziomem tłumienia światła. Pokrycia chipów diod, w których wykorzystuje się pompowanie luminoforu promieniami UV (mogą uszkadzać wzrok) powinny absorbować to promieniowanie i przepuszczać jedynie widmo światła widzialnego. Obudowy diod LED powinny być również zabezpieczone przed oddziaływaniem promieniowania UV pochodzącego ze Słońca (UV-A, UV-B). Większość produkowanych z żywic epoksydowych diod nie jest zabezpieczona przed tym typem promieniowania i w konsekwencji początkowo przezroczysty materiał ulega matowieniu lub żółknięciu, gdy dioda jest wystawiona na działanie promieni słonecznych. Problem ten nie ma miejsca, gdy obudowa jest wykonana z silikonu lub szkła. Ważne jest też żeby substancje pokrywające chip charakteryzowały się wysoką wytrzymałością mechaniczną. To właśnie tej części obudowy chipu zawdzięcza się bowiem bardzo dużą wytrzymałość diod LED na uszkodzenia mechaniczne, wstrząsy, wibracje i oddziaływania środowiskowe. Dobrze zatopiona w żywicy, polimerze czy silikonie dioda jest całkowicie odizolowana od wpływów zewnętrznych, a bardzo cienkie druciki łączące wyprowadzenia obudowy z kontaktami na strukturze diody są całkowicie unieruchomione tak, że żadne wstrząsy im nie szkodzą (pozostaje jeszcze kwestia odpowiedniej jakości montażu elektronicznego diody na obwodzie drukowanym).
Kolejnym wymaganiem stawianym substancjom na obudowy chipów LED jest możliwość formowania ich w kształty zwiększające sprawność zewnętrzną diody oraz możliwość wytwarzania soczewek, które kształtują wiązkę światła i wyjściowy kąt rozsyłu. Tym wymaganiom żywice epoksydowe, polimery akrylowe i silikony są w stanie sprostać bez problemu. Są one łatwe w obróbce i praktycznie pozwalają na wykonywanie dowolnych kształtów. Umożliwiają wykonywanie soczewek o najróżniejszych parametrach, kątach rozsyłu, kształtach i wymiarach. Soczewki zwykłe są formowane na kształt sferyczny o różnych promieniach krzywizny. Na uwagę zasługują mikroukłady optyczne w powłokach otaczających chipy LED wykonywane za pomocą laserów i innych zaawansowanych technologii. Znajdują one zastosowanie zwłaszcza w przypadku zintegrowanych matryc chipów LED, jak również w przypadku chipów diod o dużej powierzchni, gdzie wykonywanie klasycznej optyki wiązałoby się z dużymi stratami optycznymi (nie wszystkie chipy lub części dużego chipu znajdowałyby się na dokładnie osi optycznej klasycznej soczewki). Mikro soczewki i matryce tych soczewek umożliwiają ponadto uzyskanie innych wiązek niż koliste czy eliptyczne w przekroju - np. prostokątnych.
Ostatnim elementem optycznym wykonywanym na poziomie obudowy diody są reflektory. Wykonywane są one z metalu lub są częścią plastikowej obudowy (np. w P-LCC). Ich zadanie to głównie kształtowanie wiązki diody oraz odbicie w kierunku świecenia diody fotonów emitowanych przez boczne ściany chipu.
Optyka instalowana nad obudową diody LED
Diody LED dużych mocy najlepiej nadają się do celów oświetleniowych. Większość diod LED dużych mocy ma szerokie kąty rozsyłu światła – od 90º do 150º. W wielu zastosowaniach jednak wymagana jest wiązka światła o ściśle zdefiniowanych kątach rozsyłu i często dużo węższych (np. 30º, 10º, 5º). Odpowiedzią na to zapotrzebowanie są układy optyczne instalowane zaraz nad diodą LED. Bogata oferta takich układów optycznych jest od kilku lat dostępna dla emiterów LED dużych mocy z pojedynczym chipem. Dzięki temu, że diody LED typu emiter mocy są prawie punktowymi źródłami światła dodatkowe układy optyczne mogą charakteryzować się niewielkimi rozmiarami, a w konsekwencji niską ceną. Standardowo taki układ optyczny składa się 2 elementów: soczewki lub reflektora oraz tzw. holdera, czyli uchwytu, która utrzymuje w odpowiedniej odległości soczewkę czy reflektor ponad diodą. Zewnętrzne układy optyczne dla diod LED są w większości wykonywane z polimerów, rzadko spotyka się soczewki szklane. Większość produkowanych soczewek dla diod LED składa się z trzech układów optycznych: soczewki klasycznej od strony diody LED (1), refletora z całkowitym odbiciem wewnętrznym (ang. TIR - Total Internal Reflection) oraz z soczewki Fresnela lub matrycy mini soczewek od strony emitującej światło do otoczenia (3). również Przykłady różnych soczewek oraz holderów zamieszczono na rys. 8.
(źródło: Opto Tech).
Optyka na poziomie oprawy oświetleniowej
