LED Know-How - Część 3. Białe diody LED

Diody LED są emiterami wytwarzającymi promieniowanie w wąskim zakresie widma częstotliwości – są więc źródłami światła monochromatycznego. Światło białe jest natomiast wrażeniem wzrokowym, które odczuwa człowiek w wyniku pobudzenia siatkówki oka światłem zawierającym fale świetlne z całego widma widzialnego od 425 nm do 675 nm. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, które najczęściej emituje widmo o szerokości połówkowej nie przekraczającej kilkunastu nanometrów (podstawowe informacje o złączu p-n i działaniu diod LED zamieszczone zostały w pierwszej części LED - Know how pt. Elektroluminescencja). Mimo to wytwarza się białe diody LED, i co więcej, są one przyszłością nowoczesnej techniki oświetleniowej.

Żeby wykonać białą diodę LED korzysta się z jednego z podstawowych praw kolorymetrii, a mianowicie sumowania addytywnego podstawowych barw światła. W wyniku dodania barw światła: czerwonej, zielonej i niebieskiej (RGB – ang. Red Green Blue) możliwe jest otrzymanie światła białego. Warunkiem jest, by natężenia poszczególnych barw pozostawały ze sobą w ścisłych stosunkach ilościowych. Wychodząc od prawa addytywności barw stosuje się 3 główne metody otrzymania białej diody LED: mieszanie światła kilku barw, konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda  hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych.


Mieszanie światła

W pierwszej metodzie najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LEDtworzące diodę RGB (rys. 1). W wyniku addytywnego sumowania barw otrzymywany jest kolor biały. Jest to rozwiązanie o największej wydajności, gdyż nie występują tu straty w luminoforze związane z konwersją światła. Rozwiązanie to daje duże możliwości w zakresie elastycznego sterowania temperaturą światła białego i współczynnikiem oddania barw CRI. Przykładowo dzięki zastosowaniu 3 barw podstawowych możliwe jest otrzymanie maksymalnego wskaźnika oddawania barw CRI około 90, natomiast jeżeli dodać jeszcze 2 diody – jedną turkusową i jedną żółtą, to wówczas maksymalne CRI wynosi 99 (!). Niekorzystną cechą tej metody jest duży koszt i komplikacja obwodu zasilająco-sterującego. Każda z diod wymaga osobnego obwodu zasilającego ustalającego odpowiedni punkt pracy. Dodatkowo trzeba uwzględnić różnice w natężeniu oświetlenia poszczególnych barw. Odmienne są też charakterystyki termiczne i starzeniowe dla każdego rodzaju diod, co wymaga uwagi podczas projektowania i wykonywania kompensującego te zmiany systemu sterującego. W metodzie mieszania barw wykorzystuje się również matryce dyskretnych diod: czerwonych, zielonych i niebieskich. Wówczas należy wykorzystywać rozpraszające układy optyczne, które wspomogą efekt mieszania barw. Metoda mieszania RGB jest często nazywana metodą cyfrową otrzymywania światła białego, gdyż w metodzie tej często wykorzystuje się mikroprocesory, które biorą na siebie zadanie związane z odpowiednim wysterowaniem diod i uzyskaniem światła o pożądanych parametrach.

Konwersja światła

Druga metoda otrzymywania światła białego polega na zastosowaniu luminoforu, którym pokrywa się diodę LED promieniującą w paśmie nadfioletu (UV LED). Luminofor pokrywający chip diody składa się z trzech warstw, z których każda realizuje konwersję światła UV na jedną z trzech barw podstawowych. Dalej następuje wymieszanie się barw i w efekcie otrzymujemy kolor biały. Rozwiązanie to charakteryzuje się prostą technologią produkcji białej diody LED i nieskomplikowanym układem zasilania diod w oprawie oświetleniowej. Wrezultacie niskie koszty są atutem tej metody. Jednocześnie, ze względu na straty na konwersję światła w trójkolorowym luminoforze, jest to rozwiązanie najmniej efektywne energetycznie. Rozwiązanie to nie daje możliwości kontrolowania barwy światła białego i CRI, które to parametry ustalane są w trakcie produkcji białej diody. W niektórych zastosowaniach wadą jest też szczątkowe promieniowanie UV, które przedostaje się przez warstwy luminoforu. Obecnie diody białe z wzbudzaniem luminoforu światłem UV są rzadko produkowane ze względu na problemy z odpornością obudowy epoksydowej na promieniowanie ultrafioletowe oraz jego szkodliwe działania na zdrowie.

Metoda hybrydowa

W trzeciej metodzie połączono zalety obu powyższych rozwiązań. Zastosowano wzbudzenie żółtego luminoforu za pomocą światła diody niebieskiej 470nm (lub granatowej 460nm). Światło niebieskie jest częściowo przepuszczane, a częściowo pochłaniane poprzez luminofor, który konwertuje je w światło o barwie żółtej (kolor powstający w wyniku sumowania addytywnego barwy czerwonej i zielonej). Następnie dokonuje się mieszanie barw niebieskiej i żółtej, co w efekcie daje barwę białą. Dzięki temu uzyskano białą diodę charakteryzującą się prostotą wykonania i prostym obwodem zasilania, o zwiększonej wydajności energetycznej oraz nie promieniującą w paśmie UV, co w konsekwencji przesądziło o dużej popularności tego rozwiązania. Wadą jest jednak często zimna temperatura barwy otrzymywanego światła białego oraz współczynnik oddania barw na poziomie 75-80. Istnieje kilka odmian metody hybrydowej. W jednej z nich stosuje się dwuwarstwowy zielono-czerwony, co pozwala na uzyskanie światła o cieplejszej barwie i wyższym CRI (diody „Warm White”). Rozwinięciem tego podejścia jest sposób, w którym stosuje się w jednej obudowie chip niebieskiej diody pokryty zielonym luminoforem oraz nie pokryty luminoforem chip czerwonej diody. Dzięki temu otrzymujemy źródło światła białego, które wymaga mniej złożonego układu zasilania, niż metoda mieszania RGB, a jednocześnie umożliwia sterowanie barwą światła i jest wysoce wydajne energetycznie.

Poza wymienionymi trzema podstawowymi metodami stosuje się także zamianę monochromatycznego światła diod LED w światło białe wykorzystując konwertery półprzewodnikowe, konwertery z barwników organicznych oraz konwertery z kropek kwantowych. Są to jednak technologie znajdujące się obecnie w stadium rozwoju lub wykorzystywane na niewielką skalę.

Technologia konwerterów półprzewodnikowych teoretycznie może pozwolić na osiągnięcie wyższej wydajności niż w przypadku białych diod LED z luminoforem fosforowym. Jednocześnie zostanie uproszczona technologia wykonywania białych diod LED, gdyż z cyklu produkcyjnego odpadną procesy związane z pokryciem chipu luminoforem. Półprzewodnikowe konwertery wykonuje się poprzez umieszczenie powyżej obszaru aktywnego (złącza p-n) emitującego światło niebieskie dodatkowej warstwy z półprzewodnika o szerokości przerwy zabronionej odpowiadającej barwie żółtej (rys. 4a). Dodatkowa warstwa absorbuje część promieniowania, a następnie pobraną energię oddaje w postaci światła o zmienionej długości fali. Suma światła żółtego i niebieskiego daje barwę białą. Diody tego typu noszą nazwę PRS-LED (ang. Photon-recycling Semiconductor LED). Zastosowanie większej ilości warstw, o różnych szerokościach przerwy zabronionej i reemitujące światło o różnych barwach pozwala na osiągnięcie światła białego o wyższym współczynniku CRI, jednak podraża koszt wykonania diody.

 

Metoda otrzymaywania białego światła:

1. Dzięki zastosowaniu konwektora półprzewodnikowego.

2. Pierwsze diody LED wykorzystujące konwertery z kropek kwantowych 

Konwertery z barwników organicznych charakteryzują się blisko 100% wydajnością kwantową konwersji, przez co minimalizowane są straty energetyczne. Ich wadą jest jednak krótki czas życia i dopóki parametr ten nie zostanie ulepszony, dopóty barwniki organiczne nie będą konkurencją dla luminoforów fosforowych. Obecnie są one wykorzystywane przy produkcji diod organicznych OLED (ang. Organic Light Emitting Diode).

Konwertery z kropek kwantowych są najnowszym rozwiązaniem pozwalającym na otrzymanie białego światła na drodze konwersji (rys. 4b). Kropki kwantowe są to cząsteczki o rozmiarach w skali nanometrowej. Wykonane ze specjalnych materiałów mają właściwości absorpcji światła UV i reemisji światła w paśmie widzialnym. Długość emitowanych przez kropki kwantowe fal świetlnych jest uzależniona od ich rozmiarów oraz chemicznych właściwości ich powierzchni. Operując tymi parametrami można wytworzyć kropki kwantowe, które konwertują światło UV w światło o dowolnej barwie z zakresu widzialnego. Mieszając ze sobą kropki kwantowe reemitujące w barwach niebieskiej, zielonej i czerwonej otrzymujemy luminofor, który emituje światło białe i ma zewnętrzną sprawność na poziomie 60%. W porównaniu luminofory fosforowe mimo wysokiej sprawności kwantowej (teoretycznie nawet 100%) mają obniżoną zewnętrzną sprawność poniżej 50%, ze względu na straty rozproszeniowe i odbiciowe od cząsteczek fosforu, które tworzą stosunkowo duże aglomeraty, które absorbują światło, lecz go nie reemitują. Metodą tą obecnie bardzo interesują się firmy produkujące diody LED i wygląda na to, że będzie to rozwiązanie wykorzystywane na szeroką skalę w nieodległej już przyszłości.

Podsumowując trzeba zauważyć, że obecnie żadna z metod wykonywania białej diody LED nie została uznana za najlepszą i najlepiej nadającą się dla techniki oświetleniowej. Jest wysoce prawdopodobne, że omówione metody będą się nawzajem uzupełniać w różnych zastosowaniach światła białego, a to ze względu na szereg odmiennych wymagań jakościowych i ilościowych stawianych źródłom światła.

Ciekawe, jak będą wyglądać miasta nocą za kilkanaście lat, gdy białe diody LED o wysokim CRI > 80 i miłej dla oka temperaturze bieli będą stosowane na dużą skalę w latarniach ulicznych zamiast lamp sodowych i rtęciowych. Świat nocą będzie ładniejszy i bardziej realny. A to tylko jedna z wielu zmian na lepsze, jakie wprowadzają półprzewodnikowe źródła światła.