Study of phosphor layer structure for improving the luminous efficiency of white LEDs

Thao Thi Phuong Nguyen

Doctoral thesis

Abstract:

LED světla jsou v posledních letech jedním ze specializovaných směrů v oboru osvětlení, který přitahuje širokou pozornost vědců a výrobců díky svým mimořádným výhodám ve srovnání s tradičními světelnými zdroji. LED je potenciální osvětlovací technologie s velkými výhodami, jako je úspora energie, šetrnost k životnímu prostředí a kompaktnost. LED světla však nedosáhl a úrovně fyzikálního potenciálu co do účinnosti osvětlení a kvality barev ve srovnání s konvenčními světly. Motivována tímto nenaplněným potenciálem, navrhuji řešení pro zlepšení světelné účinnosti a kvality barev. V tomto výzkumu je podrobně popsána teorie funkce LED diod, dale pak pojmy jako je optický výkon, světelná účinnost, struktura luminoforu. Podrobněji se pak zabývám fyzikálním modelováním, a take možnou aplikací v oboru bílých LED diod. Na tomto základě jsou navrženy optimální strukt ury luminoforu a nových materiálů pro bílé LED diody tak, aby se zlepšil a zajistil vyšší světelný tok, index podání jasných barev, dlouhá životnost a nízké výrobní náklady. Kromě toho je pro optimalizaci bílých LED diod zkoumáno umístění fosforu, vzdálenost fosforových vrstev, materiály na bázi fosforu, rozptyl materiálů, tloušťka, koncentrace a velikost fosforu tak, aby výrobci mohli diverzifikovat tyto změny. V rámci této práce jsou dále analyzovány parametry LED diod jako je intenzita rozptylu, světelný tok, barevná jednotnost a index podání barev, vše podle kritérií teorie Mieova rozptylu. K ověření optické výkonnosti navržených metod se používají simulace s využitím softwaru MatLab – Simulink a Light Tools..

Abstract:

In recent years, lighting emitting diodes (LEDs) is one of the lighting research directions attracting wide attention from scientists and manufacturers because of its outstanding advantages compared to traditional lighting sources. LED is a technology with great advantages such as energy savings, environmental friendliness, and compactness. However, LED lights haven’t reached the level of physical illumination such as lighting efficiency, color quality, an affordable cost compared to conventional light. Motivated by this unfulfilled potential, I propose solutions to improve the luminous efficiency and color quality. In this thesis, the theoretical concept of LED-diodes function and connected concepts such as optical performance, lighting efficiency, structure of phosphor are described. Physical modeling aspects, as well as currently relevant applications of white LEDs are examined in detail. On that basis, the optimal phosphor structures, and the novel materials for the white LEDs are proposed to enhance their performance towards higher luminous flux, better brilliant color rendering index, longer life-span, and lower production cost. Furthermore, to optimize the white LEDs, the location of phosphor, the distance of phosphor layers, various phosphor materials, their optimal scattering, thickness, concentration, and particle size are investigated as a tool for manufacturers to diversify the portfolio of potential materials. In addition to that, the optical performance of LEDs packages such as scattering intensity, luminous flux, color uniformity, and color rendering index are also analyzed following the Mie-scattering theory criterion. The simulations in MatLab – Simulink and Light Tools software are used to verify the optical performance of the proposed methods

Keywords

Zelený fosfor, červený fosfor, škála kvality barev, index podání barev, jednotnost barev, světelný tok, vícečipová bílá LED lampa, konformní fosforová struktura, kalichová fosforová struktura, vzdálená fosforová struktura.

Keywords

Green Phosphor, Red Phosphor, Color Quality Scale, Color Rendering Index, Color Uniformity, Luminous Flux, Multi-chip white LED lamp, Conformal Phosphor Structure, In-Cup Phosphor Structure, Remote Phosphor Structure.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 10. 2022

Thesis defence

• Date of defence: 15. 11. 2022
• Supervisor: Jan Nedoma
• Reader: Rastislav Róka, Petr Bilík, Čestmír Vlček

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta elektrotechniky a informatiky

Doctoral programme / field:
Informatika, komunikační technologie a aplikovaná matematika / Komunikační technologie