LED’s
met hoge rendementen

LED’s zijn niet alleen klein, maar ook zeer energiezuinig. Bovendien geven ze nauwelijks warmte af. De meeste ontwikkelaars/producenten willen dan ook verder gaan met de productie van LED’s en ook complete oplossingen aanbieden met de LED-techniek.

De gloeilamp bestaat nu zo’n 120 jaar. Maar het is de vraag of de lamp ooit haar 150ste verjaardag zal vieren. LED’s (Light Emitting Diodes) zouden wel eens de verlichtingsrol van de goede oude gloeilamp kunnen overnemen. Tot nog toe werd deze op zich hoogwaardige lichttechniek beperkt in haar toepassing, en werden deze lichtdioden alleen maar in elektrotoestellen gebruikt om cijfers, letters of andere tekens in kleur weer te geven. LED’s verbruiken slechts één vijfde van de elektriciteit van een gloeilamp bij eenzelfde vermogen en hebben een levensduur die honderd maal groter is. Het probleem met LED’s was – buiten hun laag rendement – zij slechts één kleur konden weergeven. Dankzij nieuwe productietechnieken zijn nu LED’s ontwikkelt waarbij rood, groen en blauw worden gemengd tot wit licht, waardoor op grotere schaal gebruik kan worden gemaakt van de eigenschappen van deze op chiptechnologie gebaseerde lichtbron. Hewlett-Packard, Sharp, Siemens en Osram nemen het voortouw bij de ontwikkeling van LED’s.

Stroomversnelling
Alhoewel misschien niet onmiddellijk toepasbaar op het hogervermelde, leek het ons toch interessant om te vermelden dat op de European Conference on Optical Communication (ECOC) onderzoekers van Imec lichtgevende diodes met rendementen van 36 procent hebben laten zien. Deze Leuvense instelling zegt met verschillende geïnteresseerden te onderhandelen over verdere ontwikkelingen en uitwisseling van kennis op dit gebied. In het Imec-laboratorium zijn zelfs al hogere opbrengsten dan de gerapporteerde resultaten gemeten.
Enkele tijd geleden meldde ook Hewlett-Packard een recordresultaat voor haar LED’s. Deze halen momenteel een lichtopbrengst van 55 procent. Echter in verpakking blijft daar nog zo’n 33 procent van over.
Het LED-onderzoek bij Imec raakte dit jaar in een stroomversnelling. In het voorjaar bereikten onderzoekers rendementen in galliumarseen-diodestructuren (865 nm) van 31 procent. Het record staat momenteel op 36 procent en volgens Imec is er nog ruimte voor verbetering.
De lichtopbrengst van conventionele lichtgevende diodes is beperkt door interne reflectie. Door het grote verschil tussen de brekingsindex van het halfgeleidermateriaal en de lucht kan het licht moeilijk uittreden. (Bij diodelasers komt deze eigenschap juist goed van pas om het licht in een trilholte op te sluiten).

NRC-LED
De Leuvense onderzoekers vonden de oplossing met een "Non-Resonant Cavity-diode" (NRC-LED) waarbij het licht via een getextureerd oppervlak makkelijk de halfgeleider kan verlaten. Daarmee stijgt het rendement van twee procent in gewone LED’s tot tientallen procenten in NRC-LED’s.
Het bedrijf Rose Research LLC uit Dallas wil de LED’s van Imec gaan gebruiken voor optische communicatietechnieken tussen chips op printplaten en in netwerkapparatuur. Over een goede zes maand denkt het bedrijf een systeem te kunnen demonstreren waarin chips met elkaar data kunnen uitwisselen via honderd kanalen van elk 300 Mbit/s – totaal 30 Gbit/s. Daarvoor wordt een matrix van tien bij tien optische zenderdiodes op een cmos-ic aangebracht. De lichtgevende diodestructuren hebben een diameter van 15 micron en staan als cilinders in een galliumarseen-laag van 3 micron dik. De galliumarseen-structuren kan men niet direct op het silicium aanbrengen. Daarom brengt men deze zenderstructuur met een flip-chiptechniek zeer nauwkeurig op een matrix van contactpunten op de cmos-chip aan. Volgens Imec zijn met de op de ECOC gepresenteerde LED’s al snelheden van 600 Mbit/s mogelijk.
Bij Imec zelf ontwikkelt men nu een zenderarray van acht bij acht LED’s. "Als dat lukt, dan is dat al een geweldige vooruitgang", zegt men bij Imec. De lichtsignalen brengt men via een endoscopische kabel met tienduizenden glasvezels naar een detectorplaat met lichtgevoelige siliciumdiodes. Een groep van tientallen microfibers verzorgt daarbij het lichtkanaal tussen een zender en een ontvangst. "Het is een kwestie van heel goed positioneren, op de micrometer nauwkeurig", aldus Imec.
http://www.imec.be
http://www.hp.com

Des LED
à bon rendement

Les LED sont non seulement petites mais elles consomment aussi très peu d’énergie et ne dégagent pour ainsi dire pas de chaleur. La plupart des concepteurs/constructeurs souhaitent dès lors poursuivre la production de LED et offrir des solutions complètes basées sur la technique du LED.

L’ampoule existe aujourd’hui depuis environ 120 ans. Mais aura-t-elle l’occasion de fêter son 150ème anniversaire ? Les LED (Light Emitting Diodes) pourraient bien reprendre le rôle d’éclairage de notre bonne ancienne ampoule. Jusqu’à ce jour, cette technique de lumière de haute qualité n’était utilisée que dans un nombre restreint d’applications. Les diodes luminescentes n’étaient utilisées que dans les appareils électriques pour représenter les chiffres, lettres ou autres signes en couleur. Les LED ne consomment qu’un cinquième de l’électricité d’une ampoule pour une même puissance et ont une durée de vie cent fois supérieure. Mais, outre leur faible rendement, ces LED ne pouvaient rendre qu’une seule lumière. Grâce aux nouvelles techniques de production, on développe aujourd’hui des LED dans lesquelles le rouge, le vert et le bleu sont mélangés pour obtenir une lumière blanche. Ceci permet d’envisager une utilisation beaucoup plus vaste des caractéristiques de cette source lumineuse basée sur la technologie de puces. Hewlett-Packard, Sharp, Siemens et Osram prennent l’initiative dans le développement des LED.

Accélération
Sans rapport évident avec ce qui précède, il nous semblait intéressant de mentionner que des chercheurs d’Imec ont présenté à la European Conference on Optical Communication (ECOC) des diodes luminescentes affichant des rendements de 36 pourcent. Cette institution de Louvain affirme avoir entamé des négociations en la matière avec différentes parties intéressées au sujet de développements et d’échanges plus poussés de connaissances. Le laboratoire d’Imec a déjà mesuré des rendements supérieurs aux résultats rapportés. Il y a quelque temps, Hewlett-Packard annonçait également un résultat record pour ses LED. Celles-ci atteignent pour l’heure un rendement lumineux de 55 pourcent. Conditionnées, il ne reste toutefois que 33 pourcent. La recherche sur les LED qu’effectue l’Imec a connu une accélération cette année. Au printemps, les chercheurs ont obtenu des rendements de structures de diode à l’arséniure de gallium (865 mm) de 31 pourcent. Le record est actuellement de 36 pourcent et, selon les dires d’Imec, ces résultats peuvent être améliorés. Le rendement lumineux des diodes luminescentes classiques est limité par la réflexion interne. La grande différence entre l’index de rupture du matériel semi-conducteur et l’air ne permet pas à la lumière d’émerger facilement. (Avec les lasers à diode, cette caractéristique arrive à point nommé pour enfermer la lumière dans une cavité résonante).

LED NRC
Les chercheurs de Louvain ont trouvé la solution avec la ‘Non-Resonant Cavity diode’ (LED NRC). Selon ce principe, la lumière peut facilement quitter le semi-conducteur via une surface à texture. Le rendement augmente de deux pourcent dans les simples LED à plusieurs dizaines de pourcent dans les LED NRC. La société Rose Research LLC de Dallas souhaite utiliser les LED d’Imec pour les techniques de communication optiques entre les puces sur les circuits imprimés et dans le matériel de réseau. La société pense pouvoir présenter dans un bon six mois un système où les puces peuvent s’échanger des données via cent canaux de chacun 300 Mbit/s – au total 30 Gbit/s. On dispose pour cela d’une matrice de 10 fois 10 diodes optiques émettrices sur un circuit imprimé CMOS. Les structures des diodes luminescentes ont un diamètre de 15 microns et sont comme des cylindres dans une couche d’arséniure de gallium d’une épaisseur de 3 microns. Les structures d’arséniure de gallium ne peuvent pas être placées directement sur le silicium. C’est pourquoi on place cette structure émettrice minutieusement à l’aide d’une technique de flip-chip sur une matrice de points de contact sur la puce CMOS. Selon l’Imec, les LED présentés à l’ECOC permettent des vitesses de 600 Mbit/s. La société Imec développe aujourd’hui une matrice émettrice de huit fois huit LED. « Si nous réussissons, cela représentera un superbe bond en avant » déclare l’Imec. Les signaux lumineux sont acheminés, via un câble endoscopique contenant des dizaines de milliers de fibres optiques, à la plaque de détecteur dotée des diodes de silicium sensibles à la lumière. Plusieurs dizaines de microfibres assurent le canal lumineux entre l’émetteur et le récepteur. « Tout est une question de bon positionnement, au micromètre près » aux dires de l’Imec.
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