16 okt. 2018
5 minuten
Hoewel de technologie achter light emitting diodes (leds) al bestaat sinds de jaren 50 van de vorige eeuw, maakt deze nu een ongekende ontwikkeling door als gevolg van de vraag naar ledverlichtingsoplossingen voor onze woningen, kantoren en auto’s. Dit leidt tot hogere lichtopbrengsten, natuurlijkere kleuren en meer geïntegreerde oplossingen.
Door Mark Patrick. Mouser
De pn-overgang, die de basis voor de diode vormt, is cruciaal voor elke led. Wanneer elektronen en gaten via de overgang recombineren, moet elk elektron naar een lagere energietoestand terugvallen. De vrijkomende energie wordt op dat moment uitgezonden in de vorm van fotonen.
Ledfabrikanten besteden uiteraard veel aandacht aan de verbetering van het rendement. Dit vraagt om doorlopende financiële middelen en toewijzing van aanzienlijke technische resources. Het rendement van een led meet men in lumen per watt (lm/W) en is als zodanig terug te vinden op het gegevensblad van elk betreffend apparaat. Dergelijke metingen vinden echter doorgaans plaats onder ideale laboratoriumomstandigheden, waarbij de overgangstemperatuur zorgvuldig wordt gecontroleerd. Bij toepassingen in de praktijk is het rendement steevast lager dan wat door de fabrikant wordt opgegeven. Het rendement van leds daalt bovendien wanneer er een hogere bedrijfsstroom wordt toegepast.
Massa-acceptatie
Naarmate de ledtechnologie zich ontwikkelde, bleek dat de kosten per lumen met een voorspelbare snelheid daalden. Dit werd met name opgemerkt door Roland Haitz, wat resulteerde in de wet van Haitz. De wet van Haitz, die vergelijkbaar is met de bekendere wet van Moore, stelt dat de kosten per lumen elk decennium met een factor tien dalen. Naast de kostendaling voorspelde de wet ook dat de industrie in 2020 leds zal kunnen leveren die 200 lm/W produceren en dat de grens van 100 lm/W in 2010 zal zijn gepasseerd. Toonaangevende fabrikanten, met name Cree, zijn erin geslaagd om binnen dit tijdsbestek 100 lm/W te leveren.
Het is inmiddels gebruikelijk om meerdere emitters in een module te monteren met behulp van chip-scale packaging (CSP)- of chip-on-board (COB)-technologieën. Witte hoge helderheidsleds zenden nog steeds minder dan 50% van de energie die vrijkomt bij de overgang uit als fotonen. De rest komt vrij als warmte; warmte die de led moet afvoeren om de overgangstemperatuur binnen de bedrijfsgrenzen te houden (normaal maximaal rond 150 °C). Door de toegenomen vraag naar ledverlichting heeft de industrie geïnvesteerd in de ontwikkeling van efficiëntere oplossingen voor warmtebeheer. Deze omvatten nieuwe materialen voor een diëlektrisch medium tussen de led-chip, PCB en een (meestal geleidend) koellichaam. Diëlektrische media op basis van polymere en keramische materialen waaraan nanokristallen zijn toegevoegd, zijn nu ook als haalbare oplossingen in opkomst.
Substraatoorlog
De pioniers van de ledtechnologie ontdekten door middel van experimenten dat een aantal materialen in staat is om de elektroluminescentie te produceren die nodig is om licht te genereren. Hiertoe behoren onder andere galliumarsenide (GaAs), siliciumcarbide (SiC), galliumantimonide (GaSb) en indiumfosfide (InP). Tegenwoordig is galliumnitride (GaN) op een saffiersubstraat de industriestandaard voor blauwe leds om wit licht te maken.
Saffiersubstraten zijn duur in vergelijking met silicium, maar dat geldt nog meer voor GaN. Omdat silicium zowel kostenbesparingen oplevert als mogelijkheden voor verdere integratie van CMOS-schakelingen biedt, heeft de industrie getracht om galliumnitride-op-silicium-leds te produceren. Hoewel de meeste fabrikanten zijn teruggekeerd naar saffier, is Plessey Semiconductors doorgegaan met de ontwikkeling. Het bedrijf noemt verschillende voordelen van de technologie, waaronder lagere bedrijfstemperaturen en hogere stuurstromen. Bovendien biedt silicium betere thermische eigenschappen dan saffier, wat het warmtebeheer eenvoudiger maakt. Bij deze benadering moet GaN echter nog steeds op een siliciumsubstraat worden aangebracht, wat zijn eigen uitdagingen met zich meebrengt. GaN kan ook als substraat worden gebruikt, maar omdat dit veel duurder is dan zowel silicium als saffier, wordt deze mogelijkheid veelal genegeerd. Er is echter een onderneming die tegen de stroom ingaat en zich toch bezighoudt met de ontwikkeling van GaN-op-GaN-leds. Soraa beweert dat de rendementsverhoging de extra kosten van het gebruik van een GaN-substraat compenseert; er wordt maximaal vijf keer meer licht uitgestraald per oppervlakte-eenheid. Het bedrijf zegt bovendien violet licht te kunnen genereren, dat beter wit licht oplevert dan een blauwe led. De voordelen van het gebruik van GaN-op-GaN zijn voornamelijk te danken aan het feit dat er geen mismatch van verschillende materialen bestaat, die normaal gesproken een barrière voor de fotonen zou vormen. Hierdoor kunnen meer fotonen het oppervlak bereiken en als licht ontsnappen.
De oprichters van Soraa zijn van mening dat het ledfabrikanten veel moeite zal kosten om het rendement van GaN-op-saffier te verbeteren. Daarom moedigen ze anderen aan om in de ontwikkeling van GaN-op-GaN te investeren. Ze stellen dat het rendement van hun technologie dichter bij die van lasers ligt en dat er minder droop (sterke afname van efficiëntie) optreedt dan bij leds die op saffiersubstraat worden geproduceerd.
Huidige en toekomstige toepassingen voor solid-state verlichting
Hoewel ledfabrikanten zich momenteel vooral op witte hoogvermogens-leds voor verlichtingsdoeleinden richten, komt er steeds meer aandacht voor verschillende andere toepassingsgebieden. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van leds in de tuinbouw en meer in het bijzonder voor het telen van groenten in kunstmatige omgevingen die volledig gesloten en volkomen afhankelijk van een kunstmatige lichtbron zijn. Dergelijke ontwikkelingen maken het mogelijk om ‘microboerderijen’ dicht bij dichtbevolkte gebieden zoals stadscentra te vestigen. Dit geldt ook als een oplossing die ons in staat zal stellen om aan de toenemende vraag naar voedsel te voldoen.
Ook veelbelovend zijn de ultraviolette (uv) leds, toegepast in de biogeneeskunde om infecties te bestrijden en verder toepassing vinden in de zuivering van lucht en water, de desinfectie van oppervlakken en in de hardingsprocessen voor in de industriële en productiesectoren.
De toegenomen belangstelling voor beveiliging zorgt ervoor dat ook het gebruik van Li-Fi in een stroomversnelling komt. Hierbij wordt licht gebruikt om data met hoge snelheid tussen twee apparaten te versturen. Bij Li-Fi is, in tegenstelling tot bij communicatie via radiogolven, geen elektromagnetische straling detecteerbaar, zodat wordt aangenomen dat Li-Fi veel beter bestand is tegen hackers. Onderzoekers en commerciële bedrijven zijn actief bezig met de ontwikkeling van deze technologie, die bandbreedten van honderden Gbit/s zou kunnen leveren en vrijwel geen grenzen stelt aan het aantal gelijktijdige verbindingen.
Tot slot
Ledverlichting is hard op weg om de meest kostenefficiënte vorm van verlichting te zijn die in 2020 beschikbaar is. Het is dan ook niet verrassend dat de belangstelling voor ledverlichting op een recordhoogte ligt, aangezien deze voordelen biedt voor vrijwel alle meetbare parameters. Naarmate de kosten dalen, zal ledverlichting andere vormen van (minder milieuvriendelijke en minder betrouwbare) verlichting snel voorbijstreven.
De ontwikkeling van andere toepassingsgebieden voor leds stimuleert ook verdere investeringen in nieuwe technologieën en verzekert fabrikanten van een zonnige toekomst.
Dit artikel komt uit Elektronica#11/12 , met meerdere artikelen over fotonica en Leds.
Anderen lazen ook
