Małgorzata Górczewska Politechnika Poznańska, Zakład Techniki Świetlnej i Elektrotermii LED PODSTAWOWE PARAMETRY, KIERUNKI ROZWOJU Streszczenie: Lampy LED od wielu lat są jednym z podstawowych źródeł światła wykorzystywanych w dekoracyjnym oświetleniu wnętrz i obiektów architektonicznych. Niewielkie rozmiary, różnorodność barw, łatwość sterowania, możliwość prawie dowolnego kształtowania opraw oraz wyjątkowa efektywność i trwałość, przesądzają o ich szerokim stosowaniu. W ostatnich latach, dzięki zastosowaniu efektywnych diod oraz coraz efektywniejszych luminoforów, uzyskuje się źródła światła białego o dobrych i bardzo dobrych parametrach jakościowych, co umożliwia coraz szersze stosowanie tego rodzaju lamp i opraw do użytkowego oświetlenia zarówno zewnętrznego, jak i do oświetlenia wnętrz. 1. Wprowadzenie Diody elektroluminescencyjne są, obok OLED, najszybciej rozwijającym się źródłem światła. Trudno uwierzyć, że pierwsza dioda emitująca światło, wytworzona w 1962 roku w laboratoriach firmy General Electric przez Holonyaka, miała strumień świetlny na poziomie zaledwie tysięcznych części lumena, widoczny jedynie w ciemności. Jeszcze trudniej uwierzyć, że GE zarzuciła dalsze prace nad tą technologią, nie dostrzegając bezpośredniej możliwości komercyjnego wykorzystania wynalazku... Dalsze prace jednak były kontynuowane w innych laboratoriach, doprowadzając kolejno w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku do wytworzenia diod elektroluminescencyjnych, emitujących światło bursztynowe, żółte, zielone. Pierwsze praktyczne zastosowania nowych źródeł światła na szerszą skalę to były sygnalizatory uliczne. Prawdziwy przełom nastąpił w roku 1993, w którym Shuji Nakamura opracował technologię otrzymywania LED światła niebieskiego, uzupełniając w ten sposób ogniwo, brakujące do uzyskania światła białego. Kolejnym ważnym etapem rozwoju oświetlenia ledowego było wyprodukowanie, w roku 1999 przez firmę Philips, LED dużej mocy. W 2003 roku na rynek wprowadzono efektywne diody elektroluminescencyjne, emitujące promieniowanie w zakresie UV. Ostatnie dziesięciolecie to okres dynamicznego rozwoju technologii zarówno w odniesieniu do samych diod elektroluminescencyjnych, jak i w odniesieniu do luminoforów, których parametry jakościowe często decydują o możliwości uzyskania światła o określonych cechach użytkowych. 2. Otrzymywanie światła białego Emisja promieniowania w diodach powstaje dzięki zjawisku elektroluminescencji. Długość fali emitowanego promieniowania jest charakterystyczna dla danego 26
typu złącza półprzewodnikowego. Praktyczne wykorzystanie tego źródła światła w oświetleniu funkcjonalnym wymaga wytworzenia światła białego o określonych cechach jakościowych. Istnieje szereg coraz doskonalszych metod, otrzymywania światła białego. Do najczęściej wykorzystywanych należą: metoda addytywna polegająca na mieszaniu światła otrzymywanego z chipów LED o różnych barwach, co w efekcie daje promieniowanie będące mieszaniną sumą wykorzystanych barw, metoda hybrydowa polegająca na zmieszaniu częściowo przepuszczonego promieniowania diody o barwie niebieskiej z promieniowaniem luminoforu, pobudzonego pochłoniętą częścią promieniowania diody. Najczęściej wykorzystuje się luminofor emitujący światło w zakresie barwy żółtej. Coraz częściej, dla uzyskania ciepłej barwy światła o wysokim wskaźniku oddawania barw, wykorzystuje się mieszaninę luminoforów, emitujących światło w zakresie barwy bursztynowej i w zakresie barwy czerwonej, metoda konwersji promieniowania diody n-uv (near-uv promieniowanie w pobliżu zakresu UV) lub bliskiego UV na zakres widzialny dzięki zastosowaniu luminoforów, podobnie jak to ma miejsce w świetlówkach, określana często jako LED III generacji. Stosowane są również metody łączone, polegające na mieszaniu promieniowania chipów LED o różnych barwach i promieniowania luminoforu lub luminoforów. Każda z wymienionych metod ma swoje zalety i wady. Metoda addytywna, najwcześniej wykorzystywana, charakteryzuje się brakiem strat w luminoforze, związanych z przetworzeniem wzbudzającego promieniowania diody na promieniowanie o innym rozkładzie widmowym. W najprostszych układach wykorzystuje się diody elektroluminescencyjne o barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej rys. 1. Rys. 1. Addytywne otrzymywanie światła białego LED RGB (dioda: R czerwona, G zielona, B niebieska) Nr 179 27
W zależności od liczby zastosowanych diod uzyskuje się szerokie możliwości tworzenia zróżnicowanych barw, w tym światła białego o różnych temperaturach barwowych i wysokich wskaźnikach oddawania barw, nawet powyżej Ra 90. Należy jednak podkreślić, że otrzymanie dobrej jakości światła białego o ciepłej barwie jest trudne i wymaga stosowania dodatkowych diod. W praktyce metoda ta jest obecnie wykorzystywana głównie w systemach oświetlenia dynamicznego, ponieważ wymaga drogich, skomplikowanych układów zasilania. Każda z grup diod danej barwy wymaga osobnego zasilania i sterowania, co wynika z różnej efektywności, różnych charakterystyk starzeniowych i różnego wpływu temperatury na ich parametry (rys. 2). poprawić Rys. 2. Wpływ temperatury złącza na parametry LED RGB (dioda: R czerwona, G zielona, B niebieska) Jak wynika z wykresów przedstawionych na rysunku 1, najmniej wrażliwa na oddziaływanie temperatury jest dioda emitująca światło niebieskie. Cecha ta jest jedną z istotnych zalet kolejnej metody otrzymywania światła białego. Metoda hybrydowa, obecnie najczęściej stosowana, wykorzystuje mieszanie światła o barwie niebieskiej, emitowanego przez diodę, z światłem emitowanym przez żółty (najczęściej) luminofor, którym pokryta jest dioda rys. 3. Rys. 3. Otrzymywanie światła białego metodą hybrydową (B emisja światła niebieskiego, Y emisja żółtego luminoforu) 28
Dużą zaletą tej metody jest stosunkowo niewielka zależność parametrów od temperatury oraz prosta konstrukcja. Wadą tego rozwiązania jest stosunkowo niski wskaźnik oddawania barw, w dużej mierze zależny od proporcji pomiędzy przepuszczonym promieniowaniem niebieskiej diody i promieniowaniem luminoforu. W uproszczeniu można określić to promieniowanie jako dwupasmowe rysunek 4. Im większy jest udział promieniowania samej diody i mniejszy udział promieniowania emitowanego przez luminofor, tym wyższa temperatura barwowa światła i niższy wskaźnik oddawania barw. W wielu zastosowaniach wadą są również wyraźne braki emisji promieniowania w obszarach widma, odpowiadających barwie niebiesko-zielonej i czerwieni, zaznaczone strzałkami na rysunku 4. Mniejsze straty w luminoforze mogą być jednak istotną zaletą, ponieważ skutkują zwiększeniem skuteczności świetlnej lamp oraz zwiększeniem ich trwałości, zależnej również od starzenia się luminoforu. W wielu zastosowaniach, przykładowo w oświetleniu drogowym, korzystniejsze jest stosowanie lamp LED o wysokiej skuteczności świetlnej, wyższej temperaturze barwowej i przeciętnym wskaźniku oddawania barw, zwykle na poziomie około Ra = 70. Rys. 4. Względne widmowe rozkłady promieniowania LED o wyższej (linia ciągła) i niższej (linia przerywana) temperaturze barwowej Metoda konwersji promieniowania z zakresu n-uv (rzadziej UV) jest metodą umożliwiającą otrzymywanie rozkładów widmowych promieniowania LED dostosowanych do wysokich wymogów jakościowych. Nr 179 29
W metodzie tej do otrzymania światła białego są wykorzystane luminofory, wzbudzone promieniowaniem diody fioletowej, najczęściej oznaczanej jako n-uv, lub diody UV, promieniującej w zakresie bliskiego ultrafioletu rys. 5. Emitują one promieniowanie w takim zakresie długości fali, że nie stanowi to praktycznie żadnego bodźca dla oka. Stają się natomiast źródłem stosunkowo bezpiecznego jeszcze promieniowania, wykorzystywanego do wzbudzania emisji odpowiednio dobranych luminoforów. Rys. 5. Otrzymywanie światła białego metodą konwersji promieniowania n-uv (UV) przez luminofor Przy zastosowaniu tej metody można uzyskać światło o barwie bardzo dobrej jakości. Ta jakość oraz skuteczność świetlna zależą głównie od jakości, trwałości stabilności paramerów luminoforów. Rys. 6. Rozkład widmowy promieniowania diody n-uv + luminofor RGB [2] Ra > 90, R9 > 85 (czerwień) Oprócz wymienionych, podstawowych metod otrzymywania światła białego z diod elektroluminescencyjnych, wykorzystywane są również metody mieszane. Takie rozwiązania sprowadzają się do uzupełniania promieniowania w określonych zakresach widma przez zastosowanie dodatkowych diod lub luminoforów, emitujących w zakresach widma pożądanych z uwagi na zastosowanie lamp LED np. do oświetlania akwariów, roślin, zwierząt, produktów spożywczych. 30
3. Podstawowe parametry Diody elektroluminescencyjne stają się rozwiązaniem łączącym wszystkie pożądane cechy lamp stosowanych w oświetleniu wnętrz i w oświetleniu zewnętrznym, tj.: wysoką skuteczność świetlną, trwałość, jakość i efektywność otrzymywania pożądanej barwy światła, w szerokim zakresie, niezależność od warunków zasilania. Skuteczność świetlna lamp i opraw LED jest już porównywalna lub wyższa od skuteczności świetlnej dotychczas stosowanego sprzętu oświetleniowego. Problemem w ocenie tego parametru jest brak danych dotyczących warunków jego oceny. Często podawane są dane odnoszące się do wyników pomiarów laboratoryjnych samych diod, podczas gdy na rzeczywistą skuteczność świetlną oprawy wpływ ma szereg czynników takich jak rodzaj i jakość zasilacza, prąd zasilania, temperatura pracy, efektywność rozpraszania i odprowadzania ciepła z modułów i oprawy LED. Trwałość lamp LED jest ich istotną zaletą. W odniesieniu do diod elektroluminescencyjnych przyjęto spadek strumienia do określonego poziomu jako podstawowe kryterium oceny trwałości. Najczęściej jest to 70% początkowej wartości oznaczone symbolem L 70, Podawane obecnie, według tego kryterium, trwałości lamp LED wynoszą przeważnie 30 80 tys. godzin. Zwykle jednak brakuje dokładnych informacji dotyczących warunków przeprowadzenia badań, stanowiących podstawę dla tych oszacowań. Brakuje również wyników ocen eksploatacyjnych w określonych warunkach środowiskowych. Rodzaj i jakość barwy światła lamp LED zależy od rodzaju zastosowanej technologii. W odniesieniu do światła białego barwę opisują dwa podstawowe parametry temperatura barwowa oraz ogólny wskaźnik oddawania barw. Jak wynika z wielu badań i obserwacji, ogólny wskaźnik oddawania barw Ra, szczególnie w oświetleniu wnętrz, nie stanowi właściwego kryterium oceny jakości i atrakcyjności oddawania barw przedmiotów kolorowych oświetlonych światłem LED. Wykorzystywana najczęściej do otrzymywania światła białego metoda hybrydowa, zwykle daje światło o stosunkowo dużej zawartości promieniowania z zakresu niebieskiej części widma. Nawet jeśli ogólny wskaźnik oddawania barw spełnia zalecenia normy, dotyczącej oświetlenia miejsc pracy we wnętrzach [1], to jednak wygląd ludzkiej skóry może nie być zbyt atrakcyjny, co wpływa na samopoczucie osób przebywających w tak oświetlonym wnętrzu. Problem ten został dostrzeżony. Prace nad metodą i kryteriami oceny jakości i atrakcyjności barw w oświetleniu LED trwają. Dopóki jednak nie zostaną opracowane wymagania dotyczące parametrów jakościowych światła diod elektroluminescencyjnych, praktycznym sposobem może być ocena poziomu szczególnego wskaźnika oddawania barw R9, odpowiadającego próbce o barwie czerwonej. Wartość tego wskaźnika powinna być jak najwyższa, a przynajmniej nie powinna być mniejsza od zera [3]. Nr 179 31
4. Podsumowanie Skuteczność świetlna pierwszych typów diod światła białego była uzależniona od jakości samych diod. Efektywność tych źródeł przy obecnych metodach, wykorzystujących konwersję promieniowania diod na promieniowanie z całego zakresu widma, w równym stopniu zależy od postępu w technologiach produkcji efektywnych luminoforów. Postęp, jaki się dokonał w technologii produkcji diod elektroluminescencyjnych powoduje, że stają się one nie tylko źródłem światła efektywnym energetycznie, ale również źródłem światła o bardzo dobrych cechach jakościowych, co przesądza o ich coraz szerszym stosowaniu zarówno w dekoracyjnym i funkcjonalnym oświetleniu zewnętrznym, jak i w oświetleniu wnętrz. Przy różnorodności oferowanych produktów zasadniczym problemem jest jednak brak jednoznacznie określonych wymogów dotyczących rodzaju i sposobów przeprowadzania ocen parametrów lamp i opraw LED. 5. Literatura 1. PN-EN 12464-1:2012 Światło i oświetlenie. Oświetlenie miejsc pracy. Część 1: Miejsca pracy we wnętrzach. 2. Lighting Technology VxRGB TM http://www.verbatimlighting.com/article/ VxRGB-violet-chip. 3. Gui-Rong Zhou. Key Metrics for Understanding Color Quality for LED Ligh- -ting. http://www.ecnmag.com/articles/2012/02/key-metrics-understandingcolor-quality-led-lighting. Artykuł był publikowany w formie referatu na V Konferencji Naukowo-Technicznej z cyklu Energooszczędność w oświetleniu, która odbyła się 13 maja 2014 r. w Poznaniu. 32