Световая отдача современных мощных экспериментальных светодиодов и эффективность синеизлучающих чипов

Анатолий В. Феопентов, январь 2009

Исходные данные

В публикации ¹ параметры экспериментальных светодиодов компаний Osram и Lumileds приводятся для различных токов: от 350 до 2000 мА. Интересно и то, что эти данные получены в стандартных условиях, то есть без принудительного охлаждения светодиода ³ с тем, чтобы температура p-n-перехода составляла, например, около 25 град. С. Для нашей оценки эффективности чипа пока что наиболее полезны данные для стандартного рабочего тока «одноваттных» светодиодов – 350 мА. Они сведены в таблице 1.

Таблица 1

Для того, чтобы рассчитать эффективность чипа воспользуемся данными, предоставленными компанией Osram. Оценка эффективности позволит понять, насколько она уже сейчас близка к диапазону максимальных значений, который можно приблизительно оценить как 90–95 %.

Методика расчета

Для оценки эффективности чипа удобно воспользоваться методом теоретического расчета эффективности преобразования энергии излучения чипа в белом светодиоде^4,5. Здесь важно, что эффективность преобразования энергии может быть представлена как отношение мощностей излучения белого и синего светодиода максимально схожих по конструктивному исполнению. Поэтому, зная мощность излучения белого светодиода и значение эффективности преобразования можно получить значение мощности излучения синего светодиода и уже исходя из нее рассчитать внешнюю квантовую эффективность чипа. Необходимо отметить, что таким образом можно получить только эффективность чипа под линзой, закрытого слоем компаунда, то есть, чипа в составе синего светодиода. К сожалению, без данных о приращении мощности излучения по сравнению с чипом, не закрытым компаундом, не представляется возможным рассчитать эффективность открытого чипа. Плюс расчета внешней квантовой эффективности чипа под слоем компаунда и линзой состоит в том, что ее значение будет ближе к значению внутренней квантовой эффективности, чем значение для чипа, работающего на воздухе.

Для расчета теоретической эффективности преобразования, согласно формуле (1)^4,5, необходимо знать общий параметр эффективности люминофора и цветность излучения светодиода. Цветность излучения известна¹ и составляет около 5000 К или (0,349; 0,393), в координатах (х,у) диаграммы МКО1931. Для этого цвета излучения параметр С составляет около 2,4.

, (1)

где 
С – отношение желтой и синей составляющей в энергетическом спектре излучения белого светодиода;
ξ – общий параметр эффективности люминофора в светодиоде.

Общая эффективность люминофора может быть рассчитана по формуле (2)⁶.

, (2)

где
λ_CE – длина волны излучения чипа,
λ_CP – длина волны излучения люминофора,
R – коэффициент отражения люминофора на длине волны λ_CE,
η – квантовая эффективность люминофора на длине волны возбуждения λ_CE.

Эффективность экспериментального чипа Osram

Максимальная светоотдача в современных светодиодах достигается за счет использования высокоэффективных люминофоров со структурой граната. Подобные люминофоры характеризуются квантовой эффективностью на уровне 90–95 % при возбуждении излучением чипа и коэффициентом отражения синего излучения на уровне 5–10 %. Для расчета примем, что типичная эффективная длина волны (centroid wavelength) желтого излучения люминофора составляет около 590 нм. В таком случае для максимально эффективного люминофора, при возбуждении его излучением с длиной волны около 460 нм, общий параметр эффективности составит 0,70.

Тогда, для данной цветности излучения белого светодиода (5000 К) теоретическая эффективность преобразования составит 0,77. Если конструктивное исполнение светодиода обеспечивает минимальный уровень внутренних потерь энергии излучения, фактическая (экспериментальная) эффективность преобразования отличается от теоретической (для этой цветности излучения) всего на 0,05. Поэтому значение экспериментальной эффективности преобразования в рассматриваемом случае можно оценить как 0,72.

Оценим мощность излучения белого светодиода. При использовании люминофора на основе граната для цветности излучения 5000 К световая эффективность спектра излучения белого светодиода будет составлять 320 ± 20 лм/Вт. Тогда при световом потоке на уровне 155 лм¹ на токе 350 мА мощность излучения составит 484 мВт. При эффективности преобразования 0,72 это дает мощность излучения синего светодиода на уровне 672 мВт. То есть, внешняя квантовая эффективность синего чипа под слоем компаунда и линзой составляет не менее 71 %.

Выводы и заключительная оценка максимально возможных показателей

Полученное значение показывает, что ресурсы повышения эффективности синеизлучающих чипов к настоящему моменту еще не исчерпаны даже для экспериментальных образцов. Если в будущем удастся устранить эффект падения эффективности чипа с повышением тока (так называемый “droop”), то можно ожидать, что внешняя квантовая эффективность даже при токе 350 мА достигнет предельных значений. Допустим, что она составит 95 %.

Попытаемся оценить максимально достижимый световой поток и световую отдачу белого светодиода в этом случае. При использовании чипа с эффективностью 95 % для принятых условий (цветности излучения, характеристик люминофора и т.п.) световой поток при токе 350 мА составит не менее 207 лм. А световая отдача, если прямое напряжение на чипе будет лежать в диапазоне от 2,8 до 3,2 В, может составить от 184 до 211 лм/Вт. Хотя, этот диапазон располагается несколько ниже, чем общеизвестное значение максимальной световой отдачи (220 лм/Вт), он показывает, что все-таки существует реальная перспектива применения мощных белых светодиодов в тех изделиях, для которых требуемое значение светового потока исчисляется десятками тысяч люмен.

добавлено в декабре 2009
В данной работе приведен расчет для люминофора с определенными характеристиками. На момент публикации они представлялись достаточно близкими к максимально достижимым. Однако, уже сейчас на рынке появляются люминофоры с несколько более близкими к значению 100 % квантовой эффективностью и коэффициентом поглощения излучения чипа и, что более важно, с заметно более высокой получаемой световой эффективностью спектра излучения. Для светодиода с таким люминофором (или смесью люминофоров) теоретический максимум для цветовой температуры около 5000 К будет составлять уже 230–250 лм/Вт. А если оптимизировать светодиод по световому потоку, что вероятно, приведет к сдвигу цветности излучения к 6000–6500 К, максимум может составить и 250–270 лм/Вт. Конечно, цвет свечения при этом будет обладать заметным зеленоватым оттенком. Сейчас в разных источниках приводятся различные значения возможного предела светоотдачи, и практически все они относятся к диапазону 220–280 лм/Вт. Например, на конференции LED Forum выставки Интерсвет 2009 представитель компании Nichia называл цифру 265 лм/Вт в качестве значения теоретического предела.

Ссылки

¹ LED chips set new R&D records. LEDs Magazine. Sep/Oct 2008. Is.23. P.25.
² Cree R&D achieves 161 lm/W for high-power LED
³ Compound Semiconductor. Sep 2008. V.14. #8. P.2.
⁴ Светотехника. 2007. №4. С. 32–34.
⁵ Эффективность белых светодиодов
⁶ Overall conversion efficiency of phosphor in white LED