Energy efficiency analysis and improving performance of light emitting diodes

Abstract

Energy efficiency of light sources continually increases as the technology advance. Traditional light sources have inefficiency, large sizes, short life times and poisonous mercury vapor. On the other hand, the improvements in solid state lighting like light emitting diode caused them to take place of traditional light sources because they have small sizes, high color quality, long life, high efficiency and low power consumption. Despite such benefits, LEDs’ performance can still be improved. In this study, some packaging elements of white light emitting LEDs have been studied about energy gain and loss such as chip, phosphor, encapsulant, and optical elements (lenses and reflectors). Moreover, elevated temperatures in LEDs can decrease the chip’s external quantum efficiency and light conversion efficiency of the phosphor. Although, remote phosphor technique can provide better thermal performance in LED systems, high power requirements have needed better application. Hence, dielectric liquid coolant integrated remote phosphor used LED package has been proposed for an experimental and computational research. Experiments, which contain the combined optical and thermal effects, have been performed with the proposed dielectric liquid cooled remote phosphor coated LED. The total light extraction enhancement has been achieved about 25-26% with the aid of liquid injection. Then, problem has been computationally simulated for optical effects. The overall optical flux performance has reached about 13% for remote phosphor used LED package with a liquid injection. Hence, the rest of the improvements about 12-13% have been induced by thermal effects.

Işık kaynaklarının enerji verimliliği gelişen teknoloji ile artmaktadır. Geleneksel olarak kullanılan ışık kaynakları düşük verimli olup, aynı zamanda boyutça büyük ve kısa ömürlüdür ve civa gibi bazı zehirli gazları içermektedirler. Fakat, yarı iletken teknolojisinin gelişmesiyle ışık yayan diyotlar küçük yapıları, uzun ömürlü olmaları, yüksek verim ve düşük enerji tüketimi gibi nedenlerle geleneksel olarak kullanılan ışık kaynaklarının yerini almaya başlamışlardır. Bu tür avantajlarına rağmen, henüz LED’lerdeki enerji verimi yeterince yüksek olmayıp, çok daha arttırılabilir bir potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, beyaz ışık yayan LED ışık kaynaklarında bulunan çip, fosfor, silikon muhafaza, lens ve reflektör gibi bileşenlerindeki enerji kazanç ve kayıplar çalışılmıştır. Buna ek olarak, yüksek LED sıcaklıkları çip ve fosfor verimini olumsuz etkilemektedir. LED’lerde fosforun uzağa yerleştirilmesi sıcaklıkların düşmesi yönünde olumlu sonuçlar vermesine rağmen, yüksek güçte çalışan LED’ler için soğutma işlemi problem olmaya devam etmektedir. Bu nedenle, uzak fosfor kullanılan LED’lerde dielektrik sıvı eklenmesi yoluyla verimi arttırmaya yönelik bir LED modeli çalışması yapıldı. Sıvı kullanımı ile soğutma ve optik nedenlerden dolayı LED paketinde ışık çıkış artışı elde edildi. Bütünleşik ışık veriminde bu yöntem ile %25-26 artış sağlanmış oldu. Deney ve simülasyonların karşılaştırılması yoluyla ise, lumen artışın %13’lük kısmının optik nedenlerden kaynaklandığını, geri kalan %12-13’lük artışın ise soğuma ve ısı iletimi yoluyla olduğu gösterildi.