LED Know-How

Od autora

   Wewnętrzne i zewnętrzne układy optyczne dla diod LED są jednym z większych wyzwań dla naukowców, projektantów i inżynierów pracujących nad rozwojem diod LED i ich adaptacją do celów ogólno oświetleniowych. Mowa tu o optyce na czterech poziomach optycznych decydujących o parametrach strumienia świetlnego emitowanego przez lampę LED. Pierwszy poziom do optyka w chipie półprzewodnikowym, poziom drugi znajduje się w obudowie diody, bezpośrednio nad diodą LED umieszczana jest optyka stanowiąca poziom trzeci, a dodatkowa optyka w oprawach oświetleniowych to poziom czwarty. Klasyczne źródła światła – żarówki i lampy fluoroscencyjne świecą w bryle i całą swoją powierzchnią. Diody LED są natomiast punktowymi, kierunkowymi źródłami światła. W konsekwencji wszystkie oprawy oświetleniowe, klosze, reflektory, odbłyśniki, soczewki i inne elementy optyczne przystosowane dla lamp klasycznych nie nadają się w ogromnej większości przypadków do wykorzystania z diodami LED. Pojawia się, więc konieczność opracowania zupełnie nowych rozwiązań pozwalających na wykorzystanie zalet diod LED w technice oświetleniowej.

Optyka na poziomie chipu.
   W przypadku diod LED optyka zewnętrzna jest ważna, lecz nie najważniejsza. W momencie, gdy sprawność wewnętrzna rekombinacji promienistej par elektron – dziura sięga dziś wartości powyżej 75%, a teoretycznie może przybliżyć się do 100% wciąż nie mały problem stanowi wyprowadzenie powstałego w tym procesie światła poza chip. Na przeszkodzie stoi zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia światła na granicy półprzewodnik – ośrodek zewnętrzny (powietrze, żywica epoksydowa, silikon itp.). Powoduje ono, iż cześć promieniowania nie wydostaje się poza chip diody LED i zostaje w nim zaabsorbowana. Zjawisko absorpcji odbitego fotonu może wprawdzie wytworzyć kolejną, wtórną parę elektron-dziura, która z kolei znów może ulec rekombinacji promienistej, ale prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest małe. Fotony, którym nie udaje się wydostać z chipu to te, które wyemitowane z obszaru aktywnego diody padają na granicę ośrodków pod kątem równym lub większym od kąta krytycznego. Nie byłoby kłopotu, gdyby chip diody miał kształt sfery, a obszar aktywny znajdowałby się w jej środku. Wówczas fotony emitowane we wszystkich kierunkach z obszaru aktywnego zawsze padałyby na granicę ośrodków pod katem prostym i zjawisko całkowitego wewnętrznego odbicia nie miałoby miejsca. Mimo, że odpowiednie uformowanie powierzchni chipu na kształt sfery poprzez szlifowanie, a następnie polerowanie jest możliwe, to jest jednocześnie bardzo kosztowne i zupełnie nie przystające do technologii planarnej, w której wykonuje się znamienną większość przyrządów półprzewodnikowych.
 

   Chipy diod w rzeczywistości najczęściej mają kształt prostopadłościanu i w tym przypadku zjawisko całkowitego odbicia wewnętrznego niestety występuje. Można, powiedzieć, że na powierzchni każdej ze ścian chipu diody o kształcie prostopadłościanu występują eliptyczne okna (rys. 1a), przez które swobodnie wydostają się fotony oraz obszary litych ścian, które są „nieprzepuszczalne” dla fotonów. Rozmiar okien jest uzależniony od różnicy pomiędzy współczynnikami załamania półprzewodnika i ośrodka zewnętrznego. Im ta różnica mniejsza tym okno dla fotonów jest większe i w konsekwencji szerszy jest kąt rozsyłu światła w ośrodku zewnętrznym. W przypadku chipów diod o kształcie prostopadłościanu światło emitowane przez okno dolne jest w większości absorbowane w podłożu. Światło z okien bocznych jest w części absorbowane przez podłoże, a w części emitowane z boku diody. Natomiast całe światło emitowane przez okno górne wydostaje się poza chip. Część tego światła może jednak od razu zostać zaabsorbowane przez kontakty zasilające znajdujące się na górnej powierzchni chipu. W przypadku podstawowym znacząca większość światła powstającego w wyniku rekombinacji promienistej nie opuszcza chipu. Problem ten jest jednak znany, od kiedy wytwarzane są diody i w związku z tym do dziś wynaleziono wiele usprawnień pozwalających znacząco zwiększyć sprawność wyprowadzenia światła z chipu. Usprawnienia są wprowadzane na poziomie struktury chipu, w kształcie i rozmiarach chipu oraz w technologii wykonywania kontaktów. Nowoczesne chipy LED posiadają przezroczyste podłoża, które nie absorbują fotonów powstałych w obszarze aktywnym. Właściwość ta umożliwiła wykorzystanie metody flip-chip w montażu chipów w obudowie diody (rys. 2).
 

   Kolejnym usprawnieniem są zwierciadła Bragg’a - DBR (ang. Distributed Bragg Reflector), które są wykonane w chipie poniżej obszaru aktywnego. Zwierciadła Bragg’a odbijają fotony wyemitowane w kierunku dolnego okna w stronę okna górnego i dzięki temu część światła, która normalnie byłaby zaabsorbowana ma szansę na wydostanie się z chipu. Wadą klasycznych zwierciadeł Bragg’a jest to, że odbijają one głównie fotony, które padają na nie prostopadle oraz te, które mają ściśle określoną długość fali. Wady tej pozbawione są wielokierunkowe zwierciadła ODR (ang. Omnidirectional Reflector), które odbijają fotony padające na nie pod różnymi kątami. Zwierciadła ODR to usprawnienie z ostatnich kilku lat, a pierwsze naukowe publikacje na ich temat pojawiły się w 2003 roku.

   Usprawnienia w zakresie kształtu i rozmiaru chipu są kolejnym sposobem zmniejszającym straty wynikające na skutek całkowitego wewnętrznego dobicia. Jeżeli chodzi o zmianę kształtu chipu, to problem nie stanowi wyznaczenie kształtów o lepszej ekstrakcji światła z chipu. Problemem jest uzyskanie w wyniku procesu technologicznego takich kształtów, które są tanie i powtarzalne i mogą być wykonywane na poziomie obróbki substratów (ang. wafer-scale process). Takim procesem jest np. trawienie suche, trawienie mokre oraz cięcie laserem. Na rysunku 1b pokazany jest prosty sposób na zwiększenie ekstrakcji przez okna boczne. Jeszcze lepszym rozwiązaniem są chipy o kształcie odwróconej piramidy ze ściętym szczytem (rys. 3). Taka struktura jest optymalizowana pod kątem minimalizowania strat optycznych, a co najważniejsze może być stosunkowo łatwo wykonywana w procesie trawienia mokrego.
 

   Kolejną metodą zwiększenia wyprowadzenia światła z chipu jest teksturowanie powierzchni chipu, metalowych kontaktów oraz powierzchni podłoża (substratu) (rys. 4b). Wzory wykonane na powierzchni chipu znacząco zwiększają prawdopodobieństwo ekstrakcji fotonu z chipu ze względu na to, iż zwiększa się prawdopodobieństwo, że w wyniku ewentualnego wielokrotnego odbicia na trójwymiarowych wzorach foton trafi w okno umożliwiające wyjście z chipu. Z kolei teksturowanie warstwy metalowych kontaktów lub podłoża ma za zadanie wytworzenie mikro luster lub mikro reflektorów, które odbijają światło w kierunkach zwiększających prawdopodobieństwo wyprowadzenia światła z chipu. Teksturowanie chipów LED wykonuje się głównie metodą trawienia suchego.
 

   Dodatkowym czynnikiem zmierzającym do zmniejszenia strat optycznych jest zastosowanie technologii cienko warstwowej (ang. thin-film). Chipy wykonane w tej technologii są praktycznie dwuwymiarowymi strukturami i w konsekwencji nie powstają w nich straty na ścianach bocznych (rys. 5). W takiej sytuacji trzeba zapewnić maksymalnie duży poziom odbicie światła od spodniej warstwy chipu oraz maksymalny poziom transmisji warstwy górnej chipu stosując wymienione wcześniej metody (np. mikro lustra).
 

   Bardziej zaawansowaną metodą jest wykorzystanie struktur z fotonicznych kryształów. Wytworzone w górnych warstwach chipu fotoniczne kryształy mogą służyć do rozpraszania światła w kierunkach zapewniających wyjście z chipu (rys. 6). Rozważania teoretyczne wskazujące na wykorzystanie fotonicznych kryształów do wyprowadzania światła ze sprawnością na poziomie bliskim 100%. Istnieje jednak kilka problemów, które wymagają jeszcze rozwiązania zanim fotoniczne kryształy będą powszechnie wykorzystywane w diodach LED.
 

   Ostatnim problemem na przeszkodzie ekstrakcji światłą z chipu są metalowe kontakty, które zasłaniają część powierzchni emitującej światło. Problem ten nie występuje w przypadku technologii montażu flip-chip, ale metoda ta nie zawsze jest korzystna ze względu na większy koszt montażu i brak idealnie transparentnych podłoży. Przy montażu klasycznym, gdy jedna lub dwie elektrody umieszczane są na świecącej powierzchni chipu sprawa strat optycznych na kontaktach zaczyna być kluczowa. Z jednej strony, elektrody powinny pokrywać maksymalny obszar chipu w celu zwiększenia sprawności wstrzykiwania nośników elektrycznych i równomiernego ich rozkładu i rozsyłu w chipie. Z drugiej strony elektrody powinny być możliwie małe, aby fotony wydostające się z chipu nie były w nich absorbowane. Jest to sprzeczne i w konsekwencji trzeba szukać kompromisu. Są dwa podejścia do tego problemu. Pierwsze to stosowanie kontaktów z materiałów przynajmniej w części przezroczystych (np. tlenek cyny i indu: InSnO lub tlenek niklu i cyny: NiSnO). Drugie rozwiązanie to kontakty o optymalizowanych kształtach. Szczytowym osiągnięciem w wykonywaniu kontaktów, są kontakty ażurowe (ang. mesh contacts) (rys. 7b), które pokrywają praktycznie całą powierzchnię chipu, a jednocześnie przepuszczają zdecydowanie większość światła.
 

   Na rysunku 7a przedstawiony jest chip diody XLamp, który jest stosowany w 1W diodach LED mocy emitujących kolory: zielony, cyjnanowy, niebieski, royal blue i UV. W celu poprawienia wydajności optycznej firma CREE wykonuje diody LED na podłożach z przezroczystego węglika krzemu SiC (widać na zdjęciu). Dzięki temu promienie przechodzą bez strat optycznych przez podłoże i ulęgają odbiciu na teksturowanym mini zwierciadle, na którym zamontowany jest chip. Ścięte ściany boczne przezroczystego podłoża ułatwiają ucieczkę z chipu światła odbitego od spodniego lustra. Na górnej powierzchni chipu znajdują się gwiaździste, bardzo cienkie elektrody, które równomiernie rozprowadzają prąd w chipie, a jednocześnie nie stanowią przeszkody optycznej dla wychodzącego światła. Ostatnim znaczącym usprawnieniem jest teksturowanie górnej powierzchni chipu, która nie jest gładka, lecz chropowata. Dzięki temu światło z większym prawdopodobieństwem nie ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu.

Optyka na poziomie obudowy diody.
   Chipy diod LED pokrywa się zawsze przezroczystymi substancjami, które pełnią funkcje optyczne i zabezpieczające. Stosuje się takie transparentne substancje o specjalnych parametrach, jak żywice epoksydowe, polimery akrylowe i silikony. Jednym z ważniejszych parametrów tych substancji jest wartość współczynnika załamania, który ma wpływ na wartość kąta krytycznego dla fotonów wydostających się z chipu. Materiały na przezroczyste obudowy chipów mają na ogół współczynnik załamania z zakresu 1.5 - 1.6. Ogólna zasada jest taka, że współczynnik załamania ośrodka zewnętrznego powinien mieć możliwie zbliżoną wartość do współczynnika materiału warstwy chipu, z której emitowane jest światło. W efekcie zwiększa się wartość kąta krytycznego i zwiększa się prawdopodobieństwo wyjścia fotonu z chipu. Stosowanie substancji pokrywających chip, to więc jeden ze sposobów na zwiększenie sprawności ekstrakcji światła z diody i ogólnej sprawności diod LED. Materiały na pokrycie chipów oprócz możliwie wysokiej wartości współczynnika załamania muszą również  charakteryzować się odpornością na wysokie temperatury (powyżej 130º) oraz szoki temperaturowe, odpornością na oddziaływanie światła o wysokiej intensywności oraz odpornością na wilgoć i penetrację przez wodę. Powinny również charakteryzować się maksymalnie niskim poziomem tłumienia światła. Pokrycia chipów diod, w których wykorzystuje się pompowanie luminoforu promieniami UV (mogą uszkadzać wzrok) powinny absorbować to promieniowanie i przepuszczać jedynie widmo światła widzialnego. Obudowy diod LED powinny być również zabezpieczone przed oddziaływaniem promieniowania UV pochodzącego ze  Słońca (UV-A, UV-B). Większość produkowanych diod nie jest zabezpieczona przed tym typem promieniowania i w konsekwencji początkowo przezroczysty materiał ulega matowieniu lub żółknięciu, gdy dioda jest wystawiona na działanie promieni słonecznych. Ważne jest też żeby substancje pokrywające chip charakteryzowały się wysoką wytrzymałością mechaniczną. To właśnie tej części obudowy chipu zawdzięcza się, bowiem bardzo dużą wytrzymałość diod LED na uszkodzenia mechaniczne, wstrząsy, wibracje i oddziaływania środowiskowe. Dobrze zatopiona w żywicy, polimerze czy silikonie dioda jest całkowicie odizolowana od wpływów zewnętrznych, a bardzo cienkie druciki łączące wyprowadzenia obudowy z kontaktami na strukturze diody są całkowicie unieruchomione tak, że żadne wstrząsy im nie szkodzą (pozostaje jeszcze kwestia odpowiedniej jakości montażu elektronicznego diody na obwodzie drukowanym).

   Kolejnym wymaganiem stawianym substancjom na obudowy chipów LED jest możliwość formowania ich w kształty zwiększające sprawność zewnętrzną diody oraz możliwość wytwarzania soczewek, które kształtują wiązkę światła i wyjściowy kąt rozsyłu. Tym wymaganiom żywice epoksydowe, polimery akrylowe i silikony są w stanie sprostać bez problemu. Są one łatwe w obróbce i praktycznie pozwalają na wykonywanie dowolnych kształtów. Umożliwiają wykonywanie soczewek o najróżniejszych parametrach, kątach rozsyłu, kształtach i wymiarach. Soczewki zwykłe są formowane na kształt sferyczny o różnych promieniach krzywizny. Na uwagę zasługują mikroukłady optyczne w powłokach otaczających chipy LED wykonywane za pomocą laserów i innych zaawansowanych technologii. Znajdują one zastosowanie zwłaszcza w przypadku zintegrowanych matryc chipów LED, jak również w przypadku chipów diod o dużej powierzchni, gdzie wykonywanie klasycznej optyki wiązałoby się z dużymi stratami optycznymi (nie wszystkie chipy lub części dużego chipu znajdowałyby się na dokładnie osi optycznej klasycznej soczewki). Mikro soczewki i matryce tych soczewek umożliwiają ponadto uzyskanie innych wiązek niż koliste czy eliptyczne w przekroju - np. prostokątnych.

   Ostatnim elementem optycznym wykonywanym na poziomie obudowy diody są reflektory. Wykonywane są one z metalu lub są częścią plastikowej obudowy (np. w P-LCC). Ich zadanie to głównie kształtowanie wiązki diody oraz odbicie w kierunku świecenia diody fotonów emitowanych przez boczne ściany chipu.

Optyka instalowana nad obudową diody.
   Diody LED dużych mocy najlepiej nadają się do celów oświetleniowych. Większość diod LED dużych mocy ma szerokie kąty rozsyłu światła – od 100º do 150º. W wielu zastosowaniach jednak wymagana jest wiązka światła o ściśle zdefiniowanych kątach rozsyłu i często dużo węższych (np. 30º, 10º, 5º). Odpowiedzią na to zapotrzebowanie są układy optyczne instalowane zaraz nad diodą LED. Bogata oferta takich układów optycznych jest od kilku lat dostępna dla emiterów LED dużych mocy z pojedynczym chipem. Dzięki temu, że diody LED typu emiter mocy są prawie punktowymi źródłami światła dodatkowe układy optyczne mogą charakteryzować się niewielkimi rozmiarami, a w konsekwencji niższą ceną. Standardowo taki układ optyczny składa się 2 elementów: soczewki lub reflektora oraz tzw. holdera, czyli uchwytu, która utrzymuje w odpowiedniej odległości soczewkę czy reflektor ponad diodą. Zewnętrzne układy optyczne dla diod LED są w większości wykonywane z polimerów, rzadko spotyka się soczewki szklane. Większość produkowanych plastikowych układów optycznych składa się z dwóch soczewek: soczewki klasycznej (wklęsłej lub wypukłej) od strony diody LED i najczęściej soczewki Fresnela lub matrycy mini soczewek od strony emitującej światło. Przykłady różnych soczewek oraz holderów  zamieszczono na rys. 8.
 

   Kształt układów optycznych jest zazwyczaj taki, że tworzy on reflektor dla promieni o szerokim kącie rozsyłu. Wykonywane są również specjalne reflektory, które mają właściwości skupiające, lecz nie korzystają z soczewek, a specjalnych profilowanych luster (rys. 10a). Holdery dla układów optycznych są wykonywane z przezroczystych lub nieprzezroczystych polimerów. Posiadają kształt okrągły lub kształt heksagonalny znacznie ułatwiający montaż kilku holderów obok siebie. Obowiązkowym elementem holderów dla optyki są nóżki do montażu holdera w podłożu, na którym zamontowana jest dioda LED. Zarówno parametry holderów jak i plastikowych układów optycznych powinny być zbliżone do tych, jakie posiadają obudowy diod LED. Trzy najważniejsze właściwości to odporność na wysoką temperaturę, sprawność minimum 80% oraz odporność na długotrwałe naświetlanie światłem o bardzo dużym natężeniu. Plastikowe układy optyczne dla diod LED są produkowane technologią wtryskową, wykrawania specjalnym diamentowymi narzędziami i/lub za pomocą precyzyjnie sterowanego lasera. Technologie te są elastyczne i w razie potrzeby można zamówić układ optyczny o dowolnych parametrach. W niewielkim asortymencie i głównie w stadium prac prototypowych znajduje się optyka dla zintegrowanych matryc chipów. Dla tych ostatnich problem stanowi rozmieszczenie punktowych źródeł światła na stosunkowo dużej powierzchni, co z kolei wymusza stosowanie dużych soczewek i reflektorów (rys. 9 b i c). Podejściem omijającym ten problem jest stosowanie mikro układów optycznych montowanych bezpośrednio nad każdym chipem znajdującym się w matrycy.
 

Optyka na poziomie oprawy oświetleniowej.
   Ostatni poziom optyczny dla diod LED to oprawa oświetleniowa. Do zadań opraw oświetleniowych należy między innymi  rozprowadzenie w otoczeniu światła wytwarzanego poprzez diody LED. Wyzwaniem dla projektantów opraw z diodami LED jest przede wszystkim wytworzenie jednolitego strumienia świetlnego pochodzącego z wielu punktowych źródeł światła, jakimi są poszczególne diody (rys. 10). Przykład rozwiązania tego problemu pokazano na rysunku 11. Z problemem punktowych źródeł światła będą musiały radzić sobie oprawy oświetleniowe do czasu, gdy pojedyncze diody nie będą wytwarzać wystarczająco dużej ilość światła. Póki co nawet najwydajniejsze i najsilniejsze diody będące w masowej produkcji emitują zaledwie 1/6 ilości światła wytwarzanego przez 60W żarówkę.
 

   W przypadku wytwarzania światła białego z diod o trzech barw podstawowych RGB oprawa oświetleniowa powinna zapewnić odpowiednie wymieszanie się i rozproszenie światła. Ponieważ diody LED są źródłami punktowymi mogą ze względu na dużą jaskrawość powodować olśnienie, gdy patrzy się na nie bezpośrednio. Oprawy oświetleniowe stosowane do oświetlania szerokokątnego powinny być tak skonstruowane by redukować to przykre zjawisko, a do tego celu powinny być stosowane wysokiej sprawności rozpraszające dyfuzory.
 

   Optyka diod LED jest niewątpliwie jednym z ważniejszych zagadnień przy konstrukcji lamp LED. W następnym odcinku cyklu „LED Know How” równie ważne – odprowadzenie ciepła.

Zapraszam wszystkich Czytelników do zadawania pytań oraz do zgłaszania swoich opinii na nowym forum dystusyjnym wortalu LIGHTING.PL w dziale: Źródła światła – diody LED.