Світлодіод білого світла з монокристалічним фосфором

Реферат: Світлодіод білого світла з монокристалічним фосфором містить світлодіодний чип з максимумом випромінювання на довжині хвилі  max = 450 нм, монокристалічний фосфор YAG:Ce з концентрацією церію 0,1-0,2 ат. %, товщиною пластини 0,5-1 мм і рельєфом поверхні. Середньоквадратична шорсткість рельєфу поверхні монокристалічного фосфору складає 0,726,4 мкм. UA 113542 U (54) СВІТЛОДІОД БІЛОГО СВІТЛА З МОНОКРИСТАЛІЧНИМ ФОСФОРОМ UA 113542 U UA 113542 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області люмінесцентних матеріалів, а саме до технології отримання екологічних і економічних білих світлодіодів з використанням монокристалічного фосфору (МКФ). Технічним результатом є можливість створення світлодіодів з широким спектром колірних характеристик (координати кольоровості, корельована колірна температура). Сьогодні проводяться розробки та вдосконалення відомих характеристик люмінесцентних перетворювачів для світлодіодів білого світла. Основні вимоги, що висуваються до таких світлодіодів: біле світло з корельованою колірною температурою (ТCC) ~ 2700-6500 Κ, високі значення індексу кольору та стабільність колірних характеристик в процесі експлуатації. У більшості робіт завдання регулювання основних характеристик світлодіода білого світла вирішується варіюванням складу фосфору або додаванням шарів інших фосфорів, що може призвести до зниження інтенсивності люмінесценції та світловіддачі в цілому, а також до подорожчання світлодіода. Відомий світлодіод білою світла [В.з. US №20050265404, H01S 3/10], який містить елемент, що випромінює світло, конверсійний шар матеріалу (конвертер випромінювання) із заданим рельєфним малюнком поверхні на стороні, протилежній до елемента, що випромінює світло. Рельєф поверхні містить масив "V''-подібних канавок або канавок трапецієподібної форми (з кутами від 0° до 180°), які створюються шляхом пресування, тиснення або штампування. Збільшення яскравості випромінювання відбувається за рахунок зниження внутрішнього відбиття всередині конвертера й кращого добування випромінювання від елемента, що випромінює світло. Застосування як фосфору немонокристалічного композиційного матеріалу призводить до зменшення строку використання світлодіода, оскільки деградація характеристик відбувається швидше. Складність створення чітко заданого рельефу на таких надтвердих монокристалічних фосфорах, як ітрій-алюмінієвий гранат, активований церієм (YAG:Ce) шляхом пресування, тиснення або штампування робить вказаний спосіб отримання світлодіода високозатратним та трудомістким, що підвищить собівартість виробу. Відомий світлодіод білого світла [В.з. США №20140022761, F21K 099/00], в якому над світлодіодним джерелом розташовано напівпрозору пластину, на яку нанесено як мінімум 2 тонкоплівкові шари червоновипромінюючого нітриду фосфору і жовтовипромінюючого YAG:Ce фосфору. Колірні параметри цього білого світлодіода визначають товщина, склад і послідовність шарів фосфорів. Досягнення бажаних значень ТCC CRI і яскравості випромінювання отримують і використанням декількох сильно розсіювальних товстих шарів люмінофора з низьким поглинанням і інших шарів тонких, сильнопоглинаючих і слаборозсіювальних. Отримані значення ТCC знаходяться в межах від 1442 до 2601 Κ, значення CRI=50-65. Недоліком такого білого світлодіода є висока вартість готового білого світлодіода, за рахунок складності та багатостадійності технологічного процесу (багатошаровість структури). Відомий світлодіод з монокристалічним фосфором Y3Al5O12:Ce, Мn [Guorui Gu, Weidong 3+ Xiang. Synthesis and Luminescence properties in H2 annealing Mn-doped Y3АІ5О12:Се single crystal for W-LEDs // CrystEngComm (2015), pp. 1-12], в якому на InGaN чип з максимумом випромінювання 460 нм прикріплено пласку монокристалічну пластинку фосфору (товщиною 0,5 3 мм) Y3АІ5О12:Се солеговану Мn; молярне відношення Се:Мn 0,024:0,036. Отримані значення колірних координат відповідають білому світу з ТCC=5600-7600 K, CRI=73-76. Недоліком такого білого світлодіода є висока вартість готового виробу, яка обумовлена необхідністю проведення солегування кристалу під час його виготовлення. Відомий світлодіод білого світла з монокристалічним фосфором [Патент США №7859000, І [OIL 33/00], що включає світлодіодний чип з максимумом на довжині хвилі max = 450 нм, розташований на ньому монокристалічний фосфор ітрій-алюмінієвий гранат, активований церієм (YAG:Ce), з концентрацією церію 0,1-0,2 ат. %, товщиною пластини 0,5-1,0 мм, в який введені частинки, що об'ємно розсіюють світло, розміром від 200 пм до 5 мкм. Розподіл концентрації легуючої домішки за об'ємом у фосфорі (наприклад, Се в YAG:Ce) може бути градієнтним, наприклад, по товщині зразка або його ширині, або комбінацією обох варіантів. Для збільшення виходу світла може бути виконано текстурування поверхні фосфору. Отримані значення колірних координат відповідають білому світлу з ТCC=4500 К, CRI=73-76. Складність отримання в об'ємі кристала однорідного або градієнтного розподілу включень, що розсіюють світло, із заданою концентрацією, забезпечення монодисперсності розмірів включень, відсутність їх коагуляції, від чого істотно залежить характеристика результуючого 1 UA 113542 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання білого світлодіода може призвести до поганої відтворюваності характеристик фосфору такого виду і високої вартості готового виробу. Створення поверхневої текстури з впорядкованою морфологією на кристалі фосфору є складним, що також збільшує загальну собівартість технології отримання світлодіода. Як прототип був вибраний останній із наведених аналогів. В основу корисної моделі поставлена задача розробки світлодіода білого світла з монокристалічним фосфором YAG:Ce із заданою морфологією поверхні, який має необхідні світлотехнічні параметри, корельовану колірну температуру й індекс передачі кольору, та низьку собівартість. Поставлена задача вирішується тим, що світлодіод білого світла з монокристалічним фосфором, який містить світлодіодний чип з максимумом випромінювання на довжині хвилі max = 450 нм, монокристалічний фосфор YAG:Ce з концентрацією церію 0,1-0,2 ат. %, товщиною пластини 0,5-1мм і рельєфом поверхні, в якому згідно з корисною моделлю, середньоквадратична шорсткість рельєфу поверхні монокристалічного фосфору складає 0,726,4 мкм. Під час проходження випромінювання світлодіодіного джерела (синє світло) через пластину монокристалічного фосфору YAG:Ce певна частина інтенсивності емісії світлодіода поглинається цим фосфором, збуджуючи люмінесценцію церію в об'ємі монокристала (зеленожовте світло). Випромінювання на виході фосфору являє собою суму двох компонент залишкового випромінювання світлодіода (що залишилось після поглинання його частини у фосфорі) і люмінесцентного випромінювання фосфору. При зміні шорсткості Rq координати кольоровості системи світлодіод-МКФ змінюються в широкій області колірного простору МКО 1931р. Як показали дослідження, варіювання шорсткості поверхні МКФ дозволяє керувати комплексом параметрів випромінювання світлодіода, зокрема розташовуванням координат кольоровості, значенням корельованої колірної температури, а також дозволяє розширювати діаграму спрямованості випромінювання світла, не використовуючи спеціальну оптику для формування розподілу випромінювання світлодіода, що додатково знижує вартість його виготовлення. Шорсткість поверхні може бути сформовано хімічним, плазмо-хімічним травленням, лазерною аббляцією, механічним шліфуванням і поліруванням твердими абразивами. Як показали експерименти, діапазон значень жорсткостей Rq=0,72-6,4 мкм забезпечує розташовування координат кольоровості системи світлодіод-МКФ поблизу або всередині області колірного простору, яка відповідає "нейтральному білому" світлу (див. фіг. 1) з корельованою колірною температурою ТСС=6930 Κ. При шорсткості поверхні МКФ Rq6,4 мкм спостерігається сильне розсіювання синього світла, зменшення його інтенсивності до мінімальних значень і збільшення внеску жовтозеленого випромінювання в сумарний спектр системи світлодіод-МКФ. При цьому координати кольоровості також виходять за межі області колірного простору, що відповідає білому світу. На фігурі 1 наведена діаграма кольоровості МКО 1931 р. для системи світлодіод-МКФ для МКФ різної товщини, шорсткості поверхні та концентрації активатора, світлодіод із max =450 нм (координати кольоровості, корельована колірна температура). Координати кольоровості в просторі кольоровості МКО 1931 р. для системи InGaN-чип/МКФ при варіюванні структурних параметрів МКФ: Δ - Rq=0,026,40 мкм (ССе= 0,15 % ат. %, d=0,55 мм); □ - ССе = 0,050,25 % ат. % (Rq=0,72 мкм, d=0,55 мм); ● - ССе= 0,050,25 % ат. % (Rq=0,72 мкм, d=1,1 мм). Як можна бачити, колірні властивості випромінювання світлодіода з МКФ YAG:Ce в значній 3+ мірі визначаються морфологією поверхні, концентрацією активатора Сe та товщиною конвертера, за зміни одного з цих параметрів результуюче випромінювання світлодіода також змінюється. Вибір оптимальних значень ССе. Rq та d дозволить отримати світлодіод з координатами кольоровості, що відповідають білому світлу. Нa фігурі 2 наведена конструкція світлодіода білого світла з МКФ, що має задану шорсткість поверхні: 1 - світлодіодний чип InGaN, 2 - корпус світлодіода, 3 - контакти живлення світлодіодного чипу, 4 - МКФ з заданою поверхнево шорсткістю, 5 - прозорий шар оптичного контакту, 6 - сферична захисна колба. 2 UA 113542 U 5 У таблиці наведена залежність колірних характеристик отриманих світлодіодів на основі InGaN чипа ( max = 450 нм) і МКФ YAG:Ce за варіації концентрації церію від 0,05 % до 0,25 % ат. % і товщини МКФ від 0,55 мм до 1,1 мм за однакової шорсткості поверхні Rq=0,72 мкм (зразки №№1-5), а також за варіації шорсткості поверхні МКФ від Rq=0,02 мкм Rq=6,4 мкм для зразків (№№6-9) з СCe=0,15 ат. % і товщиною d=0,55 мм. Таблиця № 0,10 0,72 0,15 0,72 4 0,20 0,72 5 0,25 0,72 6 7 8 25 0,72 3 20 0,05 2 15 Rq, МКМ 1 10 СCe, ат. % 0,15 0,15 0,15 0,02 1,34 6,4 d, mm 0,55 1,10 0,55 1,10 0,55 1,10 0,55 0,72 1,10 0,55 1,10 0,55 0,55 0,55 (x, у) (СІE 1931 г.) 0,17; 0,07 0,20; 0,14 0,23; 0,20 0,31; 0,36 0,31; 0,38 0,35; 0,44 0,36; 0,48 0,34; 0,42 0,37; 0,47 0,33; 0,39 0,37; 0,49 0,18; 0,10 0,26; 0,27 0,30; 0,35 ТCC, К >10000 >10000 >10000 6600 6476 5100 5035 5300 4700 5600 4700 9300 6900 Світлодіод містить світлодіодний чип InGaN та МКФ з заданою поверхнево шорсткістю. Світлодіод працює наступним чином. Випромінювання від InGaN чіпа з max =450 нм проходить через МКФ YAG:Ce, що встановлений впритул до чипа. Частина випромінювання від 3+ чипа поглинається та перетворюється іонами Се на жовте світло, інша частина проходить через МКФ без поглинання. Інтенсивність пропускання "синього" світла істотно залежить як від концентрації поглинаючих центрів, так і від шорсткості поверхні зразка. Як видно з таблиці, запропонований ряд світлодіодів білого світла з різною колірною температурою від "білою теплого" до "білого холодного" за допомогою варіації одного зі структурних параметрів МКФ - товщини d, шорсткості поверхні Rq або концентрації активатора ССе. Наприклад, за зміни шорсткості поверхні МКФ від Rq=0,72 мкм до Rq=6,40 мкм, але постійних СCe=0,15 ат. % і d=0,55 мм, корельована колірна температура може бути змінена в 4 межах від 10 К до ~6000К без зміни складу матеріалу фосфору. Зокрема, для системи lnGaNчіп/МКФ з товщиною 0,55 мм, концентрацією активатора 0,15-0,2 ат. % і шорсткістю поверхні 0,72 мкм був отриманий білий світлодіод з корельованою колірною температурою TCC5000 К, що відповідає "нейтрального білому" світлу з індексом передачі кольору СRI62-71. Запропонований світлодіод може бути також використаний для фосфорів інших типів і складів: керамічних, скляних, склокристалічних і т.п., на поверхні яких можна створити шорсткість або задану морфологію поверхні. Запропонований світлодіод мінімум в 1,5 разу дешевший за світлодіоди, в яких застосовується фосфор багатокомпонентного складу або фосфор з текстурованою поверхнею. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 30 35 Світлодіод білого світла з монокристалічним фосфором, який містить світлодіодний чип з максимумом випромінювання на довжині хвилі max =450 нм, монокристалічний фосфор YAG:Ce з концентрацією церію 0,1-0,2 ат. %, товщиною пластини 0,5-1 мм і рельєфом поверхні, який відрізняється тим, що середньоквадратична шорсткість рельєфу поверхні монокристалічного фосфору складає 0,72-6,4 мкм. 3 UA 113542 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4