Как нанести люминофор на светодиод
Способы получения белых светодиодов
Как известно, диоды, в отличие от ламп накаливания, излучают монохромный свет в очень небольшом диапазоне длин волн. Как же удается добиться белого свечения, которое не является монохромным и представляет собой совокупность всех видимых частей спектра? В этой статье мы рассмотрим основные способы получения светодиодов белого цвета.
Как известно, диоды, в отличие от ламп накаливания, излучают монохромный свет в очень небольшом диапазоне длин волн. Как же удается добиться белого свечения, которое не является монохромным и представляет собой совокупность всех видимых частей спектра? В этой статье мы рассмотрим основные способы получения светодиодов белого цвета.
На сегодняшний момент на практике используют две основные методики получения белого света. Первая заключается в нанесении на поверхность светодиода люминофора. Обычно люминофор наносят трех цветов – красного, зеленого и голубого. Либо свечение от голубого светодиода смешивают с излучением зеленого и красного люминофора, либо желто-зеленого. Это самый распространённый способ получения белого свечения на данный момент, так как он не требует больших затрат и позволяет достичь определенного оттенка белого цвета, в зависимости от требований покупателя, от теплого (2500К) до холодного (5000К). Но данный способ имеет недостаток – нанести люминофор равномерно достаточно проблематично, в связи с чем возможно искажение цвета. Так же люминофор значительно менее долговечен, в отличие от диода, что снижает потенциальный срок службы продукции.
Вторая методика заключается в смешивании излучений трех диодов красного, зеленого и голубого цветов. Кристаллы в этом случае располагают на одной матрице, а смешение получают за счет использования оптики. Этот способ более затратный, но в то же время значительно гибче: есть возможность получить различные оттенки белого, изменяя интенсивность и направленность световых лучей диодов. Также эта методика позволяет добиться значительно более яркого света. Но этот способ имеет очень важный недостаток – так как светодиоды при работе нагреваются и со временем изменяется интенсивность свечения каждого из них, при этом кристаллы деградирует с разной скоростью, эффект от смешения постепенно изменяется. Причем исправить последствия «старения» диодов очень сложно и затратно.
Как получить белый свет с использованием светодиодов?
Как получить белый свет с использованием светодиодов?
и синий светодиоды
зеленый и красный
Существует три способа получения белого света от светодиодов. Первый — смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Второй способ заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне (есть и такие), наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа. И, наконец, в третьем способе желто-зеленый или зеленый плюс красный люминофор наносятся на голубой светодиод, так что два или три излучения смешиваются, образуя белый или близкий к белому свет.
Синий светодиод
Синий светодиод — светоизлучающий оптоэлектронный полупроводниковый прибор с синим цветом свечения.
Это светодиод, основанный на полупроводниках с большой шириной запрещённой зоны, поскольку энергия излучаемых фотонов, возникающих при рекомбинации электронов и дырок, зависит именно от этой величины.
Технология дозирования люминофора методом струйного распыления от ASYMTEK
В последнее время рынок светодиодов белого свечения быстро развивается. Прогнозируется сохранение этих тенденций и на обозримое будущее. Наиболее значимым фактором развития рынка является использование светодиодов белого свечения в качестве подсветки экранов ЖК-телевизоров, мониторов, портативных и настольных компьютеров, а также других мобильных устройств. Все шире используются и системы светодиодного освещения, а доля ламп накаливания постоянно сокращается. Производители светодиодов ориентируются на жесткие требования, предъявляемые Международной комиссией по освещению (МКО), вне зависимости от области применения производимых изделий с целью постоянного повышения качества.
Одна из наиболее критичных операций технологического процесса (с точки зрения обеспечения светоизлучающих характеристик светодиода) — дозирование силиконового состава с люминофорным наполнителем. До недавнего времени эта операция проводилась при помощи устройств с обычной дозаторной иглой, однако сейчас все шире применяется струйное распыление. Хотя использование струйного распыления вместо стандартного дозирования посредством игл является относительно новым процессом, сама по себе струйная технология существует уже более 20 лет и имеет много преимуществ. При помощи этой технологии могут быть решены многие проблемы, возникающие при дозировании люминофора стандартными методами, а также снижена конечная стоимость готового светодиода при применении специально разработанных под производство светодиодов автоматических дозаторных систем.
МКО (или CIE, от французского — Commission internationale de l’éclairage) — организация, утвердившая многие стандарты на цвета, излучение, цветовые пространства и схемы. Цветовое пространство CIE 1931 XYZ — одно из первых, что было математически описано. Двоичное кодирование — это самый простой и короткий метод описания характеристик светодиода. Код состоит из четырех частей: световой поток, оттенок, прямое напряжение и цветность. Конечной целью производства является получение светодиода необходимого белого свечения, а одним из важнейших параметров при производстве является нанесение точного количества люминофора, которое влияет на цвет излучения светодиода.
Многие компании встречаются с серьезными трудностями при производстве светодиодов, соответствующих требованиям МКО, поскольку на конечные характеристики светодиода влияет несколько переменных: качество светодиодного кристалла, качество и количество люминофора, структура нанесения и воспроизводимость технологических режимов.
Люминофор должен быть нанесен чрезвычайно точно. Во многих зарубежных производственных компаниях проходят частые инспекции со стороны МКО. Поэтому там проводят калибровку оборудования для удовлетворения поставленных жестких производственных требований. Зачастую измеряются параметры дозирования для каждой десятой выводной рамки, которая насчитывает сотни светодиодов. Контроль параметров на соответствие требованиям МКО происходит после нанесения люминофора. Эти данные используются для калибровки давления в дозаторах. Например, если в результате тестов выявляется, что цвет свечения светодиодов смещается к желтому, то люминофор следует подавать под меньшим давлением, уменьшается и объем дозирования, что в итоге приводит к возврату к белому свечению и достижению поставленных требований. Однако, сосредоточившись в основном на контроле, безусловно, очень важного процесса нанесения люминофора, нельзя упускать множество других факторов, которые также требуют жесткого контроля и влияют на конечный результат.
Поэтому оборудование дозирования люминофора, соответствующее требованиям МКО, является одной из важнейших составных частей производственного процесса светодиодов.
При выпуске продукции в полном соответствии с требованиями МКО производственные затраты светодиодных компаний должны уменьшиться, поскольку применение строго стандартных материалов и оборудования более экономично, нежели проведение частых инспекционных комиссий и калибровочных процедур.
Если оборудование, используемое для дозирования люминофора, обеспечивает высокий уровень точности и повторяемости, выпускаемые светодиоды будут иметь гораздо меньше отклонений от предъявляемых требований и частота проводимых инспекционных мероприятий может быть существенно снижена.
Процессы дозирования в светодиодном производстве
Силикон — сложное для дозирования вещество, поскольку он обладает высокой вязкостью и адгезионной способностью. При использовании дозаторных игл для отрыва остатков компаунда от иглы требуется возвратное движение иглы с большой амплитудой (рис. 1). Это ведет к лишним потерям времени, а также к браку из-за неконтролируемых «хвостов» материала.
Рис. 1. Нанесение компаунда при помощи дозаторных игл
В компании Nordson ASYMTEK столкнулись с этой проблемой при разработке технологии струйного дозирования. Для ее решения было разработано «активное сопло», предотвращающее образование таких остаточных «хвостов» и способствующее быстрому отделению компаунда без амплитудных движений дозатора.
В этой технологии используется распылительное сопло вместо иглы, которое, благодаря специальной конструкции, имеет множество преимуществ (рис. 2).
Рис. 2. Струйное распыление с использованием «активного сопла»
При помощи струйного распыления необходимый объем может быть заполнен гораздо быстрее, чем при дозировании с помощью иглы, и с гораздо большей точностью. Остатки состава с люминофорным наполнителем, образуемые при дозировании посредством игл, зачастую попадают на поверхность светодиодов, а также приводят к отклонениям реальных доз люминофора от заданных. Системы же струйного распыления сэкономят время и трудозатраты, помогая избежать этих явлений.
В условиях реального производства достигнута производительность более чем 20 000 шт./ч для выводных рамок с 5630 светодиодами при использовании специализированной системы Nordson ASYMTEK для светодиодного производства, оснащенной всего одной распылительной головкой и конвейером с подачей одновременно двух рамок. Максимальная же производительность для этой технологии была получена в лаборатории ASYMTEK и составила 24 000 шт./ч.
Оседание частиц люминофора в силиконовом компаунде — также одна из задач, которую необходимо решать при дозировании: состав с частичками меньшего размера в среде с высокой вязкостью не является проблемой для дозаторных систем, а вот более крупные частицы люминофора, находящиеся в среде с низкой вязкостью, уже могут образовывать осадок. Для решения этой проблемы дозаторы оснащают разнообразными системами взбалтывания, препятствующими образованию осадка.
Система самокалибровки процесса струйного дозирования
Жидкость силиконового люминофора изменяет свою вязкость с течением времени из-за его застывания и отверждения, изменения комнатной температуры и прочих факторов. Эти изменения серьезно влияют на точность веса дозы люминофора, повторяемость и время дозирования. Самокалибровочный процесс струйного дозирования (Calibrated Process Jetting, CPJ+) — это передовое программное обеспечение, которое было недавно разработано для автоматической подстройки параметров дозирования при применении в производстве светодиодов для удовлетворения требований по допустимым отклонениям от заданного объема дозы люминофора.
Пользователи могут задать все необходимые параметры и допуски на объем (вес) дозы, точность позиционирования дозатора и пр. Затем система выполняет автоматическую калибровку на основе эталонного шаблона, делает корректировку по весу дозы и определяет оптимальные условия дозирования.
При завершении калибровки система начинает дозирование в заданной точке изделия, периодически проводя корректировку параметров, что позволяет всегда находиться в пределах заданных допусков. Настройка проводится с учетом различных изменяющихся во времени показателей, таких как вязкость жидкости, любые изменения параметров сопла и размера частиц дозируемого компаунда при распылении. Основная задача CPJ+ — поддержание точности веса дозы при нанесении люминофора в течение процесса производства десятков тысяч светодиодов. При этом осуществляется контроль и поддерживаются на заданном уровне все важнейшие параметры.
После первоначальной настройки операторами система выполняет операцию дозирования (струйное дозирование) жидкости в автономном режиме до тех пор, пока шприц не опустеет (рис. 3). Без использования ПО CPJ+ компаниям по производству светодиодов необходимо проводить частые проверки всех параметров техпроцесса на соответствие требованиям МКО, специалисты должны вручную осуществлять все корректирующие действия. Такие ручные операции прерывают производственный процесс, вызывая серьезные простои, при этом производство не застраховано от человеческих ошибок: по сравнению с автоматической калибровкой с замкнутой обратной связью ручные операции гораздо менее точны и повторяемы.
Рис. 3. Регулировка веса дозы с помощью ПО CPJ+ при дозировании люминофора
Производственные мощности многих компаний, выпускающих светодиодную подсветку, составляют десятки миллионов светодиодов в месяц. Ошибки в результате так называемого человеческого фактора, затраты времени на настройку оборудования, низкая точность и повторяемость ручной настройки в таких крупносерийных производствах приводят к огромным потерям времени и повышению стоимости конечной продукции.
Сравнение систем с несколькими дозаторными головками и систем с одной головкой
Другой проблемой ручного управления и настройки является подготовка к работе и калибровка машин дозирования с несколькими дозаторными головками. Бытует мнение, что наличие такой дозаторной системы (воздушной или шнековой) значительно ускорит процесс дозирования, особенно для производства светодиодов, где объемы чрезвычайно высоки и производительность является критическим фактором. Некоторые компании используют установки с 8-игольчатыми дозаторными головками с целью достижения производительности до 10 000 шт./ч. Если в теории несколько головок могут работать быстрее, то на практике преимущества в скорости теряются во время настройки, уменьшается повторяемость параметров, надежность и качество.
Представьте, сколько нужно затратить усилий, чтобы установить и настроить работу восьми головок на машине по сравнению с одной. Оператор должен произвести абсолютно идентичную настройку всех головок, чтобы их работа была полностью согласована: каждая из них должна наносить одинаковое количество дозируемого вещества одинаковой вязкости с одинаковой скоростью, а все они должны работать полностью синхронно. Если с одной головкой что-либо произойдет (например, засорился канал), то прервется весь процесс, и придется снова производить ручную калибровку каждой из восьми головок. Комбинация ручной работы и мультидозаторных систем в этом случае делает производство светодиодов чрезвычайно сложным и трудозатратным процессом.
При использовании же одной головки струйного распыления можно достигать производительности вдвое большей, чем у систем с 8-игольчатыми головками, при этом точность и повторяемость дозирования будут существенно выше (рис. 4).
Рис. 4. Работа головки струйного дозирования
Стоимость эксплуатации
Многие светодиодные компании при подсчете инвестиций в производство рассматривают и сравнивают оборудование для дозирования по системе «цена на число изделий в час» ($/шт. в час). Это простой и быстрый способ для грубого сравнения, но он не дает точного результата, поскольку не включает в себя сравнение предполагаемой прибыли, времени простоя оборудования, необходимых площадей, рабочей силы, материалов, времени эксплуатации оборудования и т. д.
Лучшим методом является сравнение затрат на эксплуатацию определенной системы на единицу выпускаемой продукции, то есть расчет расходов на обслуживание оборудования за все время его эксплуатации на один светодиод (расходы/шт.).
Было обнаружено, что системы, которые на момент покупки стоили дороже, на самом деле обошлись на 30% дешевле по системе расход/шт., чем системы с несколькими головками и более низкой закупочной стоимостью. Это произошло из-за того, что реальная стоимость эксплуатации является основным фактором в расчете, и при уменьшении затрат на эксплуатацию даже на 1% может быть достигнута огромная выгода. На сайте Nordson ASYMTEK можно найти калькулятор стоимости эксплуатации и произвести самостоятельные расчеты: http://www.nordson.com/en-us/divisions/asymtek/support/Pages/Tech-Tools.aspx.
Заключение
Светодиодные компании стремятся к передовым технологиям, производству, соответствующему самым жестким современным требованиям, и к низкой стоимости производства. Автоматические системы струйного дозирования люминофоров на основе технологии струйного распыления, с системами взбалтывания и современным программным обеспечением, проводящим самокалибровку оборудования, являются простым в использовании и экономически выгодным решением для дозирования люминофоров в светодиодном производстве (рис. 5).
Рис. 5. Система Spectrum S-920 с модулем автоматической загрузки/выгрузки MH-900
Результаты дозирования и производительность улучшаются при использовании технологии струйного дозирования, а стоимость эксплуатации снижается.
Применение данной технологии и современного автоматизированного оборудования ASYMTEK минимизирует потери времени и средств на обеспечение качества процесса инкапсуляции светодиодов, что позволяет сосредоточиться на других задачах, чтобы сделать производство еще эффективнее.
Светлый угол — светодиоды
Итак, — Друзья, Коллеги, — возник такой вопрос относительно целесообразности применения — Нового вида люминофора на синих светодиодах!
Наша команда совместно с научно-практической группой — разработала Новый тип, но главное новый Вид — люминофора.
Люминофор в виде тонюсенькой — пленочки, которая приделывается к самому обыкновенному Синему светодиоду, то есть светодиоду, но без обычного геля-люминофора.
Прикладываю фото как есть, демонстрационного образца с нашим Люминофором
Есть синий отдельно и те же синие, но с наклееными пленками с фотолюминофорами соотвествующих цветов.
Понятно что фотоаппарат не передает цвета толком, но где то приблизительно так.
И что интересно на этих светодиодах кажется что установлена линза, хотя приклеена плоская пленка.
Хотелось бы узнать мнения — было б такое решение востребовано, ну или — интересно!?
С уважением, —
Altyc
Re: НОВЫЙ ЛЮМИНОФОР (нужны советы, мнения)
iurii » 22 авг 2015, 13:51
Re: НОВЫЙ ЛЮМИНОФОР (нужны советы, мнения)
Altyc » 22 авг 2015, 14:59
День добрый! И что б смеха не было от не знания вопроса:
На данный момент большинство коммерческих LED производится на основе синих чипов InGaN и желтого люминофора – конвертора. Белый свет получается за счет аддитивного смешения синего и желтого излучений.
Недостаток: избыток синего и нехватка зеленого и красного цветов в спектре. Низкий уровень цветопередачи.
Решение проблемы: комбинация синего чипа и смеси новых люминофоров конверторов- зелёного и красного (что дает видимый полный солнечный спектр).
Для этого разработан:
новый тип зелёного люминофора, с параметрами:
• Область поглощения 440-470 nm
• Пик высвечивания500-511 nm
• Конверсионная эффективность90 %
(смотреть приложенное изображение — Зеленый люминофор)
и новый тип красного люминофора, с параметрами:
• Область поглощения 400-470 nm
• Пик высвечивания 652-660 nm
• Конверсионная эффективность 80 %
(смотреть приложенное изображение — Красный люминофор)
На этой основе изготовлен новый тип широко спектрального LED
•Использовался синий чип Semiled-457 нм
• Имеем — RGBспектр высвечивания
• Получена эффективность не менее 100 lm/watt
•Цветовая температура 3500 K
• ЦветопередачаCRI> 95
(смотреть приложенное изображение — Широко спектральный LED)
Таким образом — есть над чем дальше работать!
Re: НОВЫЙ ЛЮМИНОФОР (нужны советы, мнения)
vadimka » 22 авг 2015, 15:58
Re: НОВЫЙ ЛЮМИНОФОР (нужны советы, мнения)
Altyc » 22 авг 2015, 17:40
Доброго дня уважаемый — vadimka
Вы спросили, чем наш Люминофор — лучше, ну так хотя бы этим:
Новый тип высокоэффективного композита для конверторов синих светодиодов
В композите для коммерческих светодиодов (LED) в качестве связки для люминофора (конвертора) используется оптический силикон. Однако:
•Силикон имеет низкую теплопроводность (не более 0.1 Вт/М*К) и низкую радиационную стойкость, что приводит к перегреву кристаллов LED, помутнению силикона и сегрегации люминофора, и как следствие ухудшается CRI, падает конверсионная эффективность люминофора. Эффект ThermalQuenchingofluminescence. Силиконовые (органические) наполнители начинают ускоренно разлагаться при температуре выше 90°С.
•Из-за отражений света на границах перехода сред вследствие разницы коэффициентов преломления (GaN-2.2, Люминофор-1.84, Силикон- 1.56) потери света достигают порядка 20 %.
•Стоимость коммерческого оптического силикона превышает $ 1 за 1г и составляет больше половины стоимости LED.
Разработан состав композита, в котором в качестве связки для люминофора используется новый тип геля и имеющий лучшие параметры:
• Повышенная температуростойкость. Новый тип геля выдерживает длительно температуру до 150 °С
• Коэффициент преломления геля достигает – 1.7, что повышает полный световой поток по сравнению с композитом на силиконе на 20%
• Компоненты геля выпускаются Российским производителем и стоимость его на порядок ниже, чем у оптического силикона DowCorning
•Композит технологичен. Может наноситься непосредственно на чип светодиода, распылением на плоскости (удаленный люминофор), формоваться в виде линз.
Судите и сравните сами:
Коммерческий светодиод с композитом на оптическом силиконе
• Полный световой поток для светодиода
мощностью один ватт: 100 Лм
•Цветовые координаты: попадают в бин белого цвета
•Коррелированная цветовая температура: 5400 К
(смотрите приложенное изображение — Светодиод с композитом на оптическом силиконе)
Светодиод с нашим композитом, Нового состава
• Полный световой поток для светодиода
мощностью один ватт: 120 Лм
•Цветовые координаты: попадают в бин
белого цвета
• Коррелированная цветовая температура:
5000 К
(смотрите приложенное изображение — Светодиод с композитом нового состава)