КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОДИОДА С ЛЮМИНОФОРОМ
LIGHT-EMITTING DIODE DESIGN WITH LUMINOPHOR

Область техники.
Предлагаемое изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к светодиодной технике, в частности к мощным светодиодам (СД) белого свечения, предназначенным для освещения.
Уровень техники.
В последнее время широкое распространение получили СД, в которых излучение p-n-гетероструктуры преобразуется люминофором (ЛФ). На этом принципе производятся СД белого и зеленого цветов свечения. В связи с этим для повышения световой отдачи СД с ЛФ важное значение имеет конструкция светопреобразующего узла. Эта конструкция должна быть оптимизирована с целью повышения эффективности преобразования излучения и снижения потерь излучения. В настоящем предлагаемом изобретении предложена конструкция СД с ЛФ, не привязанная к конкретному ЛФ, а эффективно работающая с любым ЛФ.
Впервые СД с ЛФ был описан в работе (R.M.Potter / US pat. 35292000 от 15.09.1972 г.), в которой инфракрасное излучение p-n-структуры GaAs: Si с длиной волны в максимуме спектра 870-950 нм трансформировалось в зеленое излучение с помощью антистоксового ЛФ на основе оксисульфита иттрия. Мелкодисперсный ЛФ был распределен в полимере, нанесенным на излучающий кристалл. Этот СД имел низкую эффективность вследствие антистоксового характера преобразования излучения.
Далее описан СД белого свечения (S.Nakamura. The blue lazer diode. Springer Verl., Berlin, 1997), содержащий излучающий кристалл синего свечения на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAlN и ЛФ на основе алюмоиттриевого граната. Белое свечение возникает вследствие смешения синего излучения кристалла и широкой полосы переизлучения ЛФ, содержащей зеленую, желтую и красную области спектра. ЛФ распределен в прозрачном полимере, причем слой ЛФ расположен вплотную к излучающему кристаллу. Недостатком этого СД является низкая эффективность, т.к. значительная часть излучения ЛФ поглощается излучающим кристаллом и его омическими контактами.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения рассмотрим СД белого свечения (Kim J.K., Luo H., Schubert E.F. et al. - Jpn. J. Appl. Phys. - Express Letter 44, L.649, 2005), в котором ЛФ расположен удаленно от кристалла на расстоянии, превышающем поперечные размеры кристалла. В конструкцию входит также отражатель бокового излучения кристалла. В этом случае снижается вероятность попадания излучения ЛФ на полупроводниковый кристалл, поглощающий излучение, что приводит к повышению светового потока СД примерно на 20-30%.
Однако и эта конструкция имеет недостатки. Недостаточно эффективно используется боковое излучение кристалла (кристаллов), неэффективно используется излучение ЛФ, направленное в нижнюю часть СД. Вследствие неравномерного отражения синего свечения от отражателя не обеспечивается равномерность цветности излучения СД, т.е. цветовая температура белого излучения отличается для различных направлений излучения.
Раскрытие изобретения.
Эффективное техническое решение, представленное в настоящем предлагаемом изобретении, содержит следующие основные положения:
+5
-10
- вокруг кристалла (кристаллов) установлен конический отражатель из белого материала (см. чертеж, на котором: 1 - излучающий кристалл, 2 - отражатель с внутренним диаметром d, наружным диаметром D, высотой h и углом наклона стенок α, 3 - слой полимера с ЛФ, 4 - прозрачный полимер, 5 - основание) с углом наклона стенок α=60  град; высота отражателя равна 2-3 поперечным размерам излучающего кристалла; на поверхность отражателя нанесен слой полимера с распределенным в нем ЛФ; толщина слоя с ЛФ составляет 100±50 мкм;
- лунка отражателя полностью заполнена прозрачным полимером с плоской или почти плоской поверхностью, на которую нанесен слой полимера толщиной 100±50 мкм с распределенным в нем ЛФ (см. чертеж);
- использованный полимер имеет показатель преломления n≥1,5, что повышает вывод излучения из кристалла.
0,5
Использование плоской (или почти плоской) световыводящей поверхности обеспечивает Ламбертовскую диаграмму направленности излучения СД с углом излучения 2θ≈120 град, что необходимо для многих светодиодных осветительных устройств. При использовании полусферической полимерной линзы над отражателем можно получить угол излучения в диапазоне 20-120 град.
Представленное техническое решение позволяет получить следующие результаты:
- увеличивается эффективность использования бокового излучения кристалла (кристаллов), которое преобразуется в излучение ЛФ, нанесенного на наклонную поверхность отражателя; это излучение ЛФ практически не попадает на излучающий кристалл и не поглощается в нем; в связи с широкой диаграммой направленности излучения ЛФ удается получить равномерную цветность белого свечения СД в различных направлениях; белая поверхность отражателя существенно отражает направленное вниз излучение ЛФ, расположенного на отражателе, что способствует увеличению вывода излучения из СД;
- излучение верхнего слоя ЛФ, направленное вниз, в основном падает на наклонную поверхность отражателя и существенно отражается от его белой поверхности; доля излучения верхнего слоя ЛФ, падающего на кристалл, не превышает 5% и поэтому поглощение излучения в кристалле незначительно.
Излучение кристалла, не поглощенное в верхнем слое ЛФ и отраженное вниз, преобразуется в излучение ЛФ, расположенного на отражателе.
В результате вышеизложенного увеличивается световая отдача СД (на 20-30%) и равномерность цветности излучения.
В результате использования предложенной конструкции создается возможность создания СД с увеличенной площадью излучающей поверхности (в 20-25 раз превышающую площадь излучающих кристаллов) без ухудшения равномерности цветности излучения и световой отдачи; увеличение площади излучающей поверхности снижает габаритную яркость и улучшает восприятие светильника.
Осуществление изобретения.
Разработаны несколько конструкций высокоэффективных СД белого свечения по предполагаемому изобретению. Применен излучающий кристалл синего свечения на основе p-n-гетероструктуры в системе InGaAlN типа SL-V-B45AC фирмы "SemiLEDs" размером 1,2×1,2 мм, с длиной волны излучения 457,5-462,5 нм и с мощностью излучения более 400 мВт при токе 350 мА. В одной из конструкций СД использован кристалл размером 1,52×1,52 мм с мощностью излучения более 800 мВт при токе 700 мА.
Конический отражатель выполнен из белой керамики. В качестве полимера использован прозрачный силикон типа LPS-5544 фирмы Shin Etsu с показателем преломления n 1,53-1,54.
В качестве ЛФ использован мелкозернистый алюмоиттриевый гранат.
Разработаны следующие СД:
СД типа У-130Бл с 1 кристаллом размером 1,2×1,2 мм. Размеры отражателя СД: d=1,9 мм, D=7,8 мм, α=56 град и h=2 мм;
СД типа У-133Бл с 3 кристаллами того же размера. Размеры отражателя СД: d=3,9 мм, D=13,6 мм, α=60 град и h=2,8 мм;
СД типа У-137Бл с 3 кристаллами размером 1,52×1,52 мм. Размеры отражателя СД: d=4,9 мм, D=13,4 мм, α=60 град и h=2,5 мм.
Работают высокоэффективные СД белого свечения по предлагаемому изобретению (см. чертеж) следующим образом. При пропускании электрического тока через кристалл (кристаллы) генерируемый синий свет направляется как на поверхность отражателя, покрытого ЛФ, так и на плоскую световыводящую поверхность, также покрытую ЛФ. На обоих поверхностях синее излучение преобразуется в широкую полосу излучения ЛФ (примерно 130 нм) с максимумом в диапазоне 550-570 нм. Эффективно используется боковое излучение кристаллов. Минимальны потери излучения на поглощение в кристалле (кристаллах). Излучение ЛФ эффективно выводится из СД за счет дополнительного отражения излучения от белой поверхности отражателя, повторного преобразования синего излучения, отраженного от световыводящей поверхности, ЛФ, нанесенным на отражатель. Конструкция обеспечивает равномерность цветности излучения, а также дает возможность создания СД с увеличенной световыводящей поверхностью без потери равномерности цветности излучения и световой отдачи.
Типичные параметры разработанных высокоэффективных СД приведены в таблице.
Таблица
Тип
Входные электрические параметры
Световые параметры
Световая отдача, η<sub>v</sub>, лм/Вт, макс.
J<sub>f</sub>, мА
Р<sub>е</sub>, Вт
Световой поток, Ф<sub>е</sub>, лм
Сила света, J<sub>v</sub>, кд
КЦТ, K
У-130Бл
350
1,1
90-130
35-42
120
У-133Бл
350
3,2
240-320
70-100
4500-6000
100
У-137Бл
700
6,6
450-520
140-160
80
У-130Бл-Т
350
1,1
75-80
20-25
3000-3700
70
0,5
Примечание: Угол излучения СД 2θ~120 град.
е
е
v
е
е
v
е
е
v
е
v
Как следует из таблицы, СД с естественным белым свечением (КЦТ 4500-6000 К) с Р=1,1 Вт (тип У-130Бл) характеризуется световым потоком (Ф) до 130 лм и световой отдачей (η) до 120 лм/Вт. СД с Р=3,2 Вт (тип У-133Бл) имеют Ф до 320 лм и η до 100 лм/Вт. СД с Р=6,6 Вт (тип У-137Бл) имеют Ф до 520 лм и η до 80 лм/Вт. СД с «теплым» свечением (КЦТ 3000-3700K) имеют Ф до 80 лм и η до 70 лм/Вт.
Для сравнения изготовлены СД в конструкции прототипа с 1 излучающим кристаллом. Световой поток составил 70-90 лм, а световая отдача 65-85 лм/Вт, что значительно ниже, чем при использовании предложенного технического решения (см. данные таблицы для прибора У-130Бл).
Как видим, предложенное техническое решение позволяет существенно повысить световые параметры СД с ЛФ.