Ultrafrühindikatoren für LED-Farbortverschiebungen

Eines der zentralen Probleme in der LED-Technologie stellen die derzeit noch unzureichenden Erfahrungswerte hinsichtlich des Langzeitverhaltens von LED-Modulen dar. Dabei spielt bei Weißlicht-LEDs neben der Änderung des Lichtstroms in zunehmende Maße auch die Verschiebung des Farborts eine Rolle, die sich insbesondere bei Verwendung mehrerer Einzel-LEDs bemerkbar macht (Abb. 1). Da im heutigen LED-Markt in kurzen Abständen immer wieder neue LED-Typen herausgebracht werden, gestaltet sich der Austausch veralteter LED-Typen aus logistischen Gründen oft schwierig.

Es wird daher nach möglichen Frühindikatoren gesucht, die nach möglichst kurzer Betriebszeit eine Prognose über die langfristige Farbortstabilität unter gegebenen Betriebsbedingungen ermöglichen, so dass frühzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden können (Wahl eines anderen LED-Typs, Änderung von Betriebsstrom und -temperatur, usw.).

In der vorliegenden Studie wurden 8 LED-Typen (2 Low-power-LEDs, 4 High-power-LEDs und 2 COB-LED-Arrays) über einen Zeitraum von 8000 Stunden gleichbleibenden, unterschiedlichen Strom- und Temperaturbelastungen ausgesetzt  und in festgelegten Intervallen spektrale und elektrische Daten aufgenommen. Unter den gegebenen Belastungsbedingungen zeigten 3 High-Power-LED-Typen insgesamt die stärksten Farbortänderungen und wurden in einer weiteren Untersuchung spektral und elektrisch in wesentlich kürzeren Messintervallen untersucht. Zudem wurden eine Reihe destruktiver Untersuchungen durchgeführt, nämlich EDXS-Untersuchungen zum Nachweis von Änderungen in der chemischen Zusammensetzung sowie elektronenmikroskopische Bildgebung zur  Messung geometrischer Degradationseffekte des Farbkonversionselements während der Belastungsperiode. Alle destruktiven Untersuchungen ergaben keine statistisch signifikanten Auffälligkeiten.

Jedoch ergab sich bei den 3 untersuchten LED-Typen ein empirischer Zusammenhang zwischen ihrer spektralen Dynamik während der ersten Betriebsstunden (<1.000 Stunden, zum Teil <100 Stunden) und der langfristigen (>5.000h) Verschiebung des Farborts:

Abb. 1: Farbortverschiebung eines untersuchten Hochleistungs-LED-Typs bei verschiedenen Strom- und Temperaturbelastungen (Amb. = Raumtemperatur, Temp. = 72°C Umluft) innerhalb der ersten 8000 Betriebsstunden.

Abb. 2: Farbtemperaturen eines untersuchten Hochleistungs-LED-Typs bei 330mA (P1), 500mA (P2) und 800mA auf 100°C-Heizplatte (P3) innerhalb der ersten 1000 Betriebsstunden.

Üblicherweise steigt die korrelierte Farbtemperatur (CCT) einer Weißlicht-LED zu Beginn ihres Lebens bis zu einem Maximalwert an, um danach wieder abzufallen, meist unter ihren Anfangswert (Abb. 2). Die Geschwindigkeit dieses Prozesses steigt mit zunehmender thermischer und elektrischer Belastung. Setzt man den Zeitraum, innerhalb dessen die CCT zu ihrem Anfangswert zurückkehrt („resurfacing time interval“), ins Verhältnis zur Langzeitdegradationsrate des Blaulichtanteils am Lichtstrom, ergibt sich bei den untersuchten 3 LED-Typen eine Korrelation, die sich durch eine mathematische Formel ausdrücken lässt, vgl. Abb. 3.

Abb. 3. Korrelation zwischen dem Resurfacing Time Interval und der Langzeitdegradationsrate des Blaulichtanteils.

Sollte sich dieser zunächst rein empirische Zusammenhang bei weiteren LED-Typen und bei anderen Belastungsszenarien bestätigen und ggf. durch ein physikalisches Modell untermauern lassen, bestünde die Aussicht auf einen Frühindikator, mit dem sich das Ausmaß langfristiger Farbortverschiebungen von LEDs innerhalb der ersten Betriebstage und –monate abschätzen ließe.

Autor des Artikels

Dr. Frank Reil,Research Scientist
JOANNEUM RESEARCH Forschungsgesellschaft mbH
MATERIALS - Institute for Surface Technologies and Photonics
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