+7 (962) 934-44-16

  Главная » Светотехника » Статьи » Последние разработки в технологии светодиодов
Воскресенье, 17 Дек 2017

Последние разработки в технологии светодиодов

Полупроводники произвели революцию в освещении.  Неорганические и органические светодиоды (в английском варианте LED и OLED) – это два источника света, из которых состоят светодиодные источники света. В перспективе они могут заменить другие источники света, такие как газоразрядные и люминесцентные лампы, излучающие энергию в видимом диапазоне и, где видимый свет выделяется в основном люминофором, который, в свою очередь светится, под воздействием разряда ультрафиолетового излучения.

 

 

Развитие светодиодов (LED), которые выдают концентрированный луч света, началась за 10 лет до разработки органических светодиодов (OLED). Основа светодиодов (LED) –это неорганические (неуглеродные) материалы, которые обеспечивают рассеянный свет. Органический светодиод (OLED) состоит из слоя полупроводникового полимера. Полимер находится между двумя проводящими слоями, которые действуют как электроды. Когда ток проходит между электродами, полимер излучает свет. Свет создается электронами, которые освобождаются из одного электродного слоя, попадая в положительно заряженные отверстия, которые были получены в результате взаимодействия полимера с другим слоем.

 

Закон Хайтца

Тенденции в компьютерной индустрии описываются законом Мура, который гласит, что количество транзисторов в интегральных схемах удваивается каждые 2 года. Светодиодная же промышленность сделала следующий шаг после открытия закона Хайтца, названного в честь доктора Роланда Хайтца, бывшего научного сотрудника компании Agilent. Он предсказал, что эффективность светодиодов - количество света, которое может быть произведено диодом - увеличивается в двадцать раз каждые десять лет, а стоимость этого освещения уменьшается в десять раз. То же самое бывает с эффективностью производства, где на протяжении последних трех десятилетий происходит  сокращение расходов на полупроводниковые компьютерные чипы, что способствует росту рынка светодиодного освещения.

 

Хотя светодиоды высокой яркости (HBLED) в настоящее время при выходе из производства имеют рентабельность около 30% а также некоторые недостатки в работе, в число их преимуществ входит направленный свет, компактный размер, ударопрочность, управляемость, мгновенное включение, отсутствие инфракрасного или ультрафиолетового излучения, относительно длительный срок службы и производительности, отсутствие тепла при излучении и ртути в их содержании.

 

Понимание светодиодного чипа

 

До сих пор светильники состояли из сменного источника света удерживаемого патроном внутри металлического корпуса. Таким образом, первым крупным рынком для продаж светодиодов  будет рынок ламп PAR и ламп накаливания, которые скоро могут быть запрещены. Следовательно, производители предлагают лампы высокой яркости (HBLED лампы) как энерго-эффективную замену для миллионов патронов, используемых сейчас под нерентабельные и непродуктивные источники освещения, и это тот рынок, который будет открыт для светодиодов на протяжении многих лет.

 

Министерство энергетики США (DOE) занимается развитием технологий светодиодов высокой яркости через отраслевые союзы, мастерские, разработку стандартов качества, тестирование их в специальных программах сертификации, таких как SSL, ENERGY STAR, Alliance (NGLIA). Прикладывая эти усилия, министерство энергетики содействует разработке и производству новых систем освещения, которые позволяют оптимизировать все характеристики светодиодов.

 

HBLED источники, которые разрабатываются сегодня, сильно отличаются друг от друга по своей конструкции и особенностям. Их производители находятся в постоянном поиске способов получения большей яркости в крошечных кристаллах и увеличения цветостойкости. Они монтируют диоды в матрицы, панели, линейки чтобы добиться соответствия или превосходства светоотдачи и энергоэффективности над традиционными источниками, которые обладают более равномерным распределением света.

 

Мы находимся у истоков HBLED развития, поэтому относительно производительности светодиодов высокой яркости неоднократно делались ложные заявления, и предоставлялась недостоверная информация, замедляя их вступление в светотехнический рынок. Понятно, что единственный способ избежать путаницы и подтвердить заявленные производителем характеристики, заключается в применении определенных стандартов. Таким образом, в 2008 году были утверждены 3 стандарта качества, отражающие уникальные эксплуатационные характеристики светодиодов: световой поток, управление температурным режимом внутри светильника и насыщенность цвета.

 

  • Первые и основные руководящие технические принципы, разработанные Обществом светотехники Северной Америки (IESNA), называются IESNA LM-80, «Утвержденный метод измерения светового потока светодиодных источников света".  Этот доклад устанавливает процедуры тестирования и определения количества люменов в светодиодных устройствах, и это не прямое измерение светового потока всего прибора. Так как главной проблемой является чувствительность светодиодов к высоким температурам, LM-80 требует тестирования в трех основных температурах: 50 ° C (122 ° F), 85 ° C (185 ° F) и третьей температуре, выбранной производителем.

 

 

 

У светодиодов срок службы превышает 50 000 часов, что составляет 5,6 лет, поэтому полное тестирование срока службы не практично. По этой причине доклад под названием ТМ-21 " Метод вычисления сроков снижения  яркости у светодиодных источников света", описывает, как экстраполировать краткосрочные тестовые данные, чтобы предсказать снижение светового потока в течение всего времени работы. Световой поток измеряется каждые 1000 - 6000 часов. Снижение объемов производства в этих шести точках заносятся в таблицу и экстраполируются на 36 000 часов. Если светодиод проверяется  каждые 10000 часов, экстраполяция может быть расширена до 60000 часов. Когда световой поток падает, оставшиеся 30% считается концом срока полезного использования светодиодных источников. Т.к. чрезмерное изменение цветовой температуры является еще одной единицей измерения срока службы, LM-80 рекомендует также тестирование цветности источника света.

 

  • Второе техническое руководство под названием IESNA LM-79, «Утвержденный метод для электрического и фотометрического тестирования полупроводниковых осветительных приборов", заявляет, что SSL-продукты не поддаются традиционному фотометрическому тестированию, в результате чего в лампах и светильниках измерения происходят отдельно, сравнительным фотометром. Тестирование LM-79 проверяет электрические характеристики, световой поток, распределение силы света и цветовых характеристик, а также информирует о типичном времени и  сроках распределения световой интенсивности в форматах  таблицы и графика. Для описания цветовых характеристик, спектральное распределение мощности продукта (SPD) представлено в формате графика (рис. 1), таким образом, чтобы пользователь мог оценить относительную величину мощности излучения (в милливатт на нанометр или мВт / нм) во всем диапазоне длин волн в видимой области спектра (в нанометрах или нм).

 

  • Для определения уникальных цветовых характеристик светодиодов, Американский национальный институт стандартов (ANSI) опубликовал "Технические требования к цветности полупроводниковых осветительных приборов” или ANSI C78.377-2008.  В отличие от существующих источников света, излучающих ненасыщенные цвета, светодиоды обеспечивают цветовую насыщенность. Два слоя кристаллических материалов, используемых в матрице, определяют длину волны или цвет светодиода. Например, красный цвет исходит из алюминия-галлия арсенида (AlGaAs), синий из индия-галлия нитрида(InGaN), а зеленый из алюминия-галлия фосфида (AlGaP).

 

Определение характеристик цвета светодиода

 

Свет это излучаемая солнцем энергия, которая охватывает часть электромагнитного спектра,  называемого видимым спектром света. Он распространяется вверх по длине волны от фиолетового (380 нм) до красного (620 нм до 760 нм), а равномерный баланс этих длин волн составляет чистый белый видимый свет.

 

В прошлом, из-за ограничений в технологии люминофора, производители флуоресцентных ламп призвали пользователей принять "белый" цвет этих ламп с субъективными условиями, такими как «теплый белый» или «холодный белый». А чтобы конкретизировать «тепло» или «холод» света создали сравнение с лампами накаливания. Светодиодные источники света имеют те же проблемы: ограничение люминофора в светодиоде в процессе производства, и, вследствие этого, возникающие трудности в получении точной длины волны в одной светодиодной матрице, а также ненасыщенный свет ею излучаемый. Таким образом, два условия используемых в индустрии освещения - цветовая температура и индекс цветопередачи - играют важную роль в новых стандартах, принятых для производства светодиодов высокой яркости (HBLED). Давайте рассмотрим эти два условия для того, чтобы лучше понять их значение.

 

Цветовая температура выражает сравнительный внешний вид цвета белого источника света. Он может быть более желтым / золотым (теплым) или более синим (холодным) с точки зрения диапазона оттенков белого цвета. Надо учитывать, что дневной свет содержит все цвета видимого спектра, но мы судим о дневном свете, как о «теплом» на восходе и закате солнца и "холодном" в полдень в пасмурный день.

 

Светодиод

Понимание температуры цвета начинается с понимания излучения нагреваемого объекта, называемого «абсолютным черным телом» и температурной шкалы Кельвина. Теоретические черное тело является объектом, который не имеет цвета, и черное потому, что впитывает в себя все излучения, падающие на его поверхность, и само ничего не излучает при температуре цвета 0 К. На температурной шкале, 0 Кельвинов соответствует -273 ° C, или абсолютному нулю, когда все молекулярное движение прекращается. В природе абсолютно черных тел не существует. Теоретическое черное тело создается искусственно из тугоплавкого черного металла из углерода и вольфрама с небольшим отверстием, через которое пропускается электрический ток, и на начальном этапе ничего не излучает. Однако когда черное тело нагревается, оно излучает видимый спектр – со сменой цвета поверхности с красного на оранжевый, затем на желтый и, наконец, сине-белый цвет, переходя от 1000 К до 6500 К.

 

Таким образом, цветовой температурой источника света является температура, при которой нагреваемый объект, называемый «абсолютным черным телом-излучателем» совпадает с цветом источника света. Это означает, что если мы сравним цвет лампы с черным телом при 6500 К (цвет пасмурного неба), для наблюдателя они будут одинакового цвета. Другой термин определения температуры цвета - это цветность.

 

Обозначение температуры цвета в точности действительно только для ламп накаливания, поскольку, как упоминалось выше, они излучают непрерывный спектр цвета с единой температурой 2700 К. Все остальные источники света, лампы дугового типа или индустриальные газоразрядные лампы, существовавшие до изобретения светодиодов высокой яркости, излучающие прерывистый спектр цвета, имеют так называемую относительную цветовую температуру (CCT). Стандарт ANSI C78.377-2008 определяет восемь приемлемых световых температур для светодиодной продукции, начиная от 2700 K (по аналогии с лампами накаливания) до 6500 К (по аналогии с лампами дневного света).

 

Это изменение цвета в видимом спектре с использованием температуры цвета, измеряемой в Кельвинах, отображаются на диаграмме цветности Международной комиссии по освещению (CIE в английском варианте) основа которой - траектория абсолютного черного тела. По сути, с помощью графика с осями X и Y, диаграмма имеет полный спектр цветов, которые представлены их длинами волн и расположенными по всему краю "треугольника" или "цветового пространства", как показано на рис. 2

 

Рис. 2

 

Периметр треугольника охватывает спектрально чистые цвета в диапазоне от красного до синего (выделить конкретный спектральный цвет без использования приборов в природе невозможно, так как видимый солнечный спектр непрерывен, и в нём можно найти многочисленные оттенки цвета).  Цветовая диаграмма представляет все возможные цвета, которые могут быть получены из спектрально чистых цветов. Цветовой путь черного тела отображается "линией черного тела" в диаграмме цветности. Если температура "черного тела" повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает.

 

Индекс цветопередачи (CRI) – ключевая характеристика в выборе источника света - использовался для сравнения люминесцентных и газоразрядных ламп на протяжении более чем 40 лет. Он характеризует уровень соответствия естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света, используя шкалу от 0 до 100. Чтобы получить индекс цветопередачи средняя разница, полученная при измерении, вычитается из 100. Если тестируемая лампа имеет цветовую температуру менее 5000 K, то черное тело приравнивается по свечению к лампе накаливания.

 

Индекс цветопередачи ссылается на лампы накаливания, потому что вольфрамовая нить похожа на абсолютное черное тело. Таким образом, источник лампы накаливания имеет очень высокий индекс цветопередачи - около 100. В настоящее время CRI также используется для определения возможности цветопередачи  у светодиодов высокой яркости, и результаты этих измерений используются для целей создания спецификаций и сертификации в рамках программы Energy Star.

 

Тем не менее, в техническом отчете 177:2007 "Цветопередача белых светодиодных источников света", комиссия по освещению пришла к выводу, что существующий индекс цветопередачи не является оптимальным для определения возможности цветопередачи светодиодных источников белого цвета. Исследования показывают, что даже светодиоды с низким CRI могут излучать визуально привлекательный свет. В результате, Национальный Институт Стандартов и Технологий (NIST) разработал новый стандарт измерения, в котором изменения цветового тона и насыщенности не будут оцениваться одинаково.

 

Новый стандарт, который называется шкалой оценки качества спектрального состава света (в английском варианте CQS) предполагает более точно отражать видимые проявление белого цвета, в том числе и у нескольких светодиодов, создающих при одновременном включении белое свечение. Новый стандарт будет применяться для всех существующих источников белого света, как полупроводниковых, так и традиционных ламп. Это решение имеет большое значение для производителей наружного освещения, которые пытаются создавать светодиоды с теми же стандартами цветопередачи, как у других источников света.

 

Теперь, когда мы рассмотрели основы  светодиодных технологий, а также последние разработки стандартов в этой сфере, обратимся к изготовлению деталей, получению максимального светового потока и электронному управлению этими технологиями, которые будет рассмотрены в следующей статье.