Da cosa dipendono le prestazioni luminose dei LED a base di fosforo?
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Le perdite di efficienza dei LED basate sul fosforo sono dovute alle perdite di calore dovute allo spostamento degli Stokes e ad altri problemi di degradazione legati al fosforo. La loro efficacia luminosa rispetto ai LED normali dipende dalla distribuzione spettrale della luce risultante e dalla lunghezza d' onda originale del LED stesso. Ad esempio, l' efficacia luminosa di un tipico LED bianco a base di fosforo giallo YAG varia da 3 a 5 volte l' efficacia luminosa del LED blu originale a causa della maggiore sensibilità dell' occhio umano al giallo che al blu (come modellato nella funzione di luminosità). Grazie alla semplicità di fabbricazione, il metodo al fosforo è ancora il metodo più popolare per produrre LED bianchi ad alta intensità. La progettazione e la produzione di una sorgente luminosa o di un apparecchio di illuminazione che utilizza un emettitore monocromatico con conversione del fosforo è più semplice e meno costosa di un complesso sistema RGB, e la maggior parte dei LED bianchi ad alta intensità attualmente presenti sul mercato sono fabbricati con conversione della luce fosforosa.
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I LED bianchi possono essere realizzati anche con il rivestimento di LED vicino all' ultravioletto (NUV) con una miscela di fosfori a base di europio ad alta efficienza che emettono rosso e blu, più rame e zinco solfuro (ZnS: Cu, Al) color alluminio che emette verde. Questo è un metodo analogo al funzionamento delle lampade fluorescenti. Questo metodo è meno efficiente rispetto ai LED blu con YAG: Ce fosforo, in quanto lo spostamento Stokes è più grande, quindi più energia viene convertita in calore, ma produce luce con migliori caratteristiche spettrali, che rendono il colore migliore. Grazie alla maggiore emissione radiativa dei LED ultravioletti rispetto a quelli blu, entrambi i metodi offrono una luminosità paragonabile. Si teme che la luce UV possa fuoriuscire da una sorgente luminosa difettosa e causare danni agli occhi o alla pelle umana.
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doc-9177
Tra le sfide da affrontare per migliorare l' efficienza delle sorgenti di luce bianca basate su LED vi è lo sviluppo di fosfori più efficienti. A partire dal 2010, il fosforo giallo più efficiente è ancora il fosforo YAG, con meno del 10% di perdita di turni Stoke. Le perdite dovute a perdite ottiche interne dovute al riassorbimento nel chip LED e nell' imballaggio del LED stesso rappresentano in genere un ulteriore 10% - 30% della perdita di efficienza. Attualmente, nell' area dello sviluppo dei LED al fosforo, ci si sta impegnando molto per ottimizzare questi dispositivi per ottenere una maggiore resa luminosa e temperature di funzionamento più elevate. Ad esempio, l' efficienza può essere aumentata adattando una migliore progettazione delle confezioni o utilizzando un tipo di fosforo più adatto. Il processo di rivestimento conforme è spesso utilizzato per affrontare il problema del diverso spessore del fosforo.
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doc-9175
Questo metodo prevede il rivestimento di LED di un unico colore (principalmente LED blu in InGaN) con fosfori di diversi colori per formare luce bianca; i LED risultanti sono chiamati LED a base di fosforo o LED bianchi convertiti in fosforo (pcLEDs). Una frazione della luce blu subisce lo spostamento Stokes trasformandosi da lunghezze d' onda più corte a lunghezze d' onda più lunghe. A seconda del colore del LED originale, è possibile utilizzare fosfori di colori diversi. Se vengono applicati diversi strati di fosforo di colori distinti, lo spettro emesso viene ampliato, aumentando di fatto il valore dell' indice di resa cromatica (CRI) di un determinato LED.
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Ci sono diversi tipi di LED bianchi multicolori: LED bianchi di-, tri- e tetracromatici. Diversi fattori chiave che giocano tra questi diversi metodi includono la stabilità del colore, la capacità di resa cromatica e l' efficacia luminosa. Spesso, una maggiore efficienza significherà una resa cromatica inferiore, presentando un compromesso tra l' efficacia luminosa e la resa cromatica. Ad esempio, i LED bianchi dicromatici hanno la migliore efficacia luminosa (120 lm/W), ma la più bassa capacità di resa cromatica. Tuttavia, sebbene i LED bianchi tetracromatici abbiano un' eccellente resa cromatica, spesso hanno scarsa efficacia luminosa. I LED Trichromatic white white sono in mezzo, avendo sia una buona efficacia luminosa (>70 lm/W) che una discreta capacità di resa cromatica.
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doc-9165
Nel settembre 2003, un nuovo tipo di LED blu è stato dimostrato da Cree che consuma 24 mW a 20 milliamperes (mA). Ne è derivata una luce bianca commercialmente confezionata che produce 65 lm/W a 20 mA, diventando il LED bianco più luminoso disponibile in commercio all' epoca e oltre quattro volte più efficiente degli incandescenti standard. Nel 2006 hanno presentato un prototipo con un' efficacia luminosa LED bianco record di 131 lm/W a 20 mA. Nichia Corporation ha sviluppato un LED bianco con un' efficacia luminosa di 150 lm/W ad una corrente di 20 mA. I LED XLamp XM-L di Cree, disponibili in commercio nel 2011, producono 100 lm/W con una potenza massima di 10 W e fino a 160 lm/W con una potenza in ingresso di circa 2 W. Nel 2012, Cree ha annunciato un LED bianco con 254 lm/W e 303 lm/W nel marzo 2014. L' illuminazione generale pratica richiede LED ad alta potenza, da un watt o più. Le correnti d' esercizio tipiche di tali dispositivi iniziano a 350 mA.
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doc-9166
Il sintomo più comune di guasto LED (e laser a diodi) è il graduale abbassamento dell' emissione luminosa e la perdita di efficienza. Anche i guasti improvvisi, sebbene rari, possono verificarsi. I primi LED rossi erano notevoli per la loro breve durata. Con lo sviluppo di LED ad alta potenza i dispositivi sono sottoposti a temperature di giunzione e densità di corrente più elevate rispetto ai dispositivi tradizionali. Ciò provoca stress sul materiale e può causare una precoce degradazione dell' uscita della luce. Per classificare quantitativamente la vita utile in modo standardizzato è stato suggerito di utilizzare L70 o L50, che sono i tempi di funzionamento (tipicamente dati in migliaia di ore) in cui un determinato LED raggiunge rispettivamente il 70% e il 50% della potenza luminosa iniziale.
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doc-9196
Molti sistemi di sensori fanno affidamento sulla luce come fonte di segnale. I LED sono spesso ideali come sorgente luminosa a causa delle esigenze dei sensori. I LED sono utilizzati come sensori di movimento, ad esempio nei mouse ottici del computer. La barra sensore di Nintendo Wii utilizza LED a infrarossi. I pulsossimetri li utilizzano per misurare la saturazione di ossigeno. Alcuni scanner a lastra piana utilizzano array di LED RGB piuttosto che la tipica lampada fluorescente a catodo freddo come sorgente luminosa. Il controllo indipendente di tre colori illuminati consente allo scanner di calibrarsi per un bilanciamento più accurato dei colori e non è necessario il riscaldamento. Inoltre, i suoi sensori devono essere solo monocromatici, poiché in qualsiasi momento la pagina sottoposta a scansione è illuminata da un solo colore di luce. Poiché i LED possono essere utilizzati anche come fotodiodi, possono essere utilizzati sia per l' emissione che per il rilevamento delle foto. Questo potrebbe essere utilizzato, ad esempio, in un touchscreen che registra la luce riflessa da un dito o da uno stilo. Molti materiali e sistemi biologici sono sensibili o dipendenti dalla luce. Le lampade Grow Light utilizzano i LED per aumentare la fotosintesi nelle piante e batteri e virus possono essere rimossi dall' acqua e da altre sostanze utilizzando i LED UV per la sterilizzazione.
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doc-9232
Negli ultimi anni i diodi luminosi (LED) stanno diventando sempre più efficienti, con un aumento straordinario dell' utilizzo dell' illuminazione a stato solido. In molte situazioni, il controllo dell' emissione luminosa dei LED può essere effettuato nel modo più efficace utilizzando i principi dell' ottica senza immagini.
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doc-9161
I primi LED commerciali sono stati comunemente utilizzati come sostituti di lampade ad incandescenza e indicatori al neon, e in display a sette segmenti, prima in apparecchiature costose come attrezzature di laboratorio ed elettroniche di prova, poi in apparecchi come televisori, radio, telefoni, calcolatrici e orologi (vedi elenco degli usi del segnale). Fino al 1968, i LED visibili e a infrarossi erano estremamente costosi, dell' ordine di 200 USD per unità, e quindi poco pratici. La Monsanto Company è stata la prima organizzazione a produrre in serie LED visibili, utilizzando il fosfuro di arseniuro di gallio (GaAsP) nel 1968 per produrre LED rossi adatti per gli indicatori. Hewlett Packard (HP) ha introdotto i LED nel 1968, utilizzando inizialmente GaAsP fornito da Monsanto. Questi LED rossi erano abbastanza luminosi da poter essere utilizzati solo come indicatori, in quanto l' emissione luminosa non era sufficiente per illuminare un' area. Le letture nelle calcolatrici erano così piccole che le lenti in plastica sono state costruite sopra ogni cifra per renderle leggibili. Più tardi, altri colori divennero ampiamente disponibili e apparvero in apparecchi e attrezzature. Negli anni' 70 Fairchild Optoelectronics produceva dispositivi LED di successo commerciale a meno di cinque centesimi ciascuno. Questi dispositivi impiegavano chip di semiconduttori composti fabbricati con il processo planare inventato dal Dr. Jean Hoerni alla Fairchild Semiconductor. La combinazione di lavorazione planare per la fabbricazione di trucioli e metodi di confezionamento innovativi ha permesso al team di Fairchild, guidato dal pioniere dell' optoelettronica Thomas Brandt, di ottenere le necessarie riduzioni dei costi. Questi metodi continuano ad essere utilizzati dai produttori di LED.
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doc-9171
Alla fine degli anni' 90, i LED blu sono diventati ampiamente disponibili. Hanno una regione attiva costituita da uno o più pozzi InGaN quantum inseriti tra strati più spessi di GaN, detti strati di rivestimento. Variando la frazione In/Ga relativa nei pozzetti quantistici InGaN, l' emissione luminosa può in teoria variare da viola a ambra. Il nitruro di gallio all' alluminio (AlGaN) di varia frazione di Al/Ga può essere utilizzato per la produzione di rivestimenti e strati quantici per LED ultravioletti, ma questi dispositivi non hanno ancora raggiunto il livello di efficienza e maturità tecnologica dei dispositivi InGaN/GaN blu/verde. Se in questo caso viene utilizzato GaN non legato per formare gli strati attivi del pozzo quantistico, il dispositivo emetterà luce ultravioletta con una lunghezza d' onda di picco centrata intorno ai 365 nm. I LED verdi prodotti dal sistema InGaN/GaN sono molto più efficienti e luminosi rispetto ai LED verdi prodotti con sistemi di materiali non al nitruro, ma i dispositivi pratici mostrano ancora un' efficienza troppo bassa per le applicazioni ad alta luminosità.
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