LED & Color

Yield of LED Packaging

CCT bins 200~500 oK

-LED Packaging yield is fixed on color yield-To maximize yield must minimize color distribution

Packaging 이 완료된 LED는 test 공정으로 넘어가 Vf와 같은 전기적 특성과 함께 색과 밝기 를 측정하여 제품을 분류합니다. LED package 제조 공정의 수율과 관련하여 집중적으로 관리되는 것이 Color 특성이며, Color yield에 의해 LED Packaging yield가 정해진다고 할 정도 입니다.

White Color Control Technology

-PHILIPS LUMILEDS-NICHIA CHEMICAL ENGINEERING

- NICHIA & LUMILEDS sort White LED by color temperature- White color binning with introduction of warm-white, neutral-white, and cool-white colors

Color of Light

400 500 600 700

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Inte

nsit

y

Wavelength

λλλ dxIX )()(∫=

λλλ dyIY )()(∫=

λλλ dzIZ )()(∫=

ZYX

Xx

++=

ZYX

Yy

++=

-Three stimulus & Chrmacity

-Three Stimulus Curve -CIE 1931 & Plankian locus

*Illuminant D65 is ideal white light , average day light of west Europe

*illuminant A is incandescent Lamp’s light (CCT=3,000K)

Spectrum locus :Spectrum locus :Spectrum locus :Spectrum locus : 윗 그림에서 말굽 모양의 경계선은 단색광을 그래프로 나타낸 것이고 단색광 궤적(Spectrum locus)라 한다. 빛의 모든 색을 삼자극치법에 의해 x, y 좌표로 표현한 도표이다, LED Die의 경우 좁은 스펙트럼으로 인하여, 색도좌표계의 외곽선에인접하여 배치된다. PlanckianPlanckianPlanckianPlanckian locuslocuslocuslocus :::: Planckian 궤적으로 색온도(color temperature)로 불린다. 흑체(Black body)의 각 온도에서 나오는 빛을 색도좌표로 표현한 것이다.White Color White Color White Color White Color 및및및및 분류분류분류분류 :::: 2500K(Reddish White)에서 20000K(Bluish White)로 정의 하고 있다. 이중 2500K에 가까운 쪽을 따뜻한 광(Warm White)이라고 정의한다

Warm White & Cool White

Dinning roomDinning roomDinning roomDinning room

Bathroom , Bathroom , Bathroom , Bathroom , Bedroom,Bedroom,Bedroom,Bedroom,

Warm & SoftWarm & SoftWarm & SoftWarm & Soft

Make food seems Make food seems Make food seems Make food seems deliciousdeliciousdeliciousdelicious

Make beautiful and Make beautiful and Make beautiful and Make beautiful and shining Skin as shining Skin as shining Skin as shining Skin as HighlighterHighlighterHighlighterHighlighter

Warm White

(Incandescent (Incandescent (Incandescent (Incandescent Lamp)Lamp)Lamp)Lamp)

Kitchen (Clean), Kitchen (Clean), Kitchen (Clean), Kitchen (Clean), library (need of library (need of library (need of library (need of concentration)concentration)concentration)concentration)Office, LabOffice, LabOffice, LabOffice, Lab

Cold & CleanCold & CleanCold & CleanCold & CleanHigh light, High High light, High High light, High High light, High EfficencyEfficencyEfficencyEfficency....

Very few Shadow.Very few Shadow.Very few Shadow.Very few Shadow.

Cool White

(Fluorescent (Fluorescent (Fluorescent (Fluorescent Lamp)Lamp)Lamp)Lamp)

ApplicationApplicationApplicationApplicationUsageUsageUsageUsageFellingFellingFellingFellingSourceSourceSourceSource

Cool white 는 깨끗하고 청결한 느낌을 주는 빛입니다. 일반조명으로는 형광등이 있으며, 일반 사무실이나, 도서관 같은 곳에서사용되어 집니다. 초기의 white LED 제품은 Cool white 의 빛을 발하도록 만들어졌습니다.이에 반해 warm white 는 부드럽고 따뜻한 느낌을 주는 빛입니다. 일반조명으로는 백열등이 있으며, 침실이나 목욕탕 과 같은휴식 공간에서 사용되어 집니다. 최근 LED 가 일반 조명시장에 진입하기 시작하면서 warm white LED에 대한 customer 의 요구가 증가 되고 있습니다.

ICE AGE & HUMAN

CCT>10,000oK CCT<3,000oK

Hunter on Ice placeHunter on Ice placeHunter on Ice placeHunter on Ice place

Cold and hunger. Fear of deathConcentration, desire for existence, instinct to fightIs maximized. Make man very aggressive

Hunter in caveHunter in caveHunter in caveHunter in cave

Warm and. Comfortable. Desire for the opposite sexSensibility and imagination wake up. creativity of art

office, library ,laboratory office, library ,laboratory office, library ,laboratory office, library ,laboratory Dinning room, art center, bedroomDinning room, art center, bedroomDinning room, art center, bedroomDinning room, art center, bedroom

Warm white 와 Cool white 조명의 사용 용도가 다른 것은 우리 인류가 몇차례의 빙하기를 겪으면서 진화했기 때문으로 풀이되어 집니다. 빙하기의 우리 조상들은 순백의 설원에서 먹을 것을 찾아 다녀야 했습니다. 이때 사람들은 추위와 배고품 그리고 죽음에 대한 공포와 싸워야 했으며, 본능적으로 높은 집중력을 발휘합니다. 이 순간 빙원의 색온도 10000K 이상으로 매우 차가운 백색입니다. 사냥이 끝나고, 가족의 품으로 돌아온 사냥꾼들은 모닥불 앞에 모여 휴식을 취했을 것이고 편안함과 안락함을 느꼈을 것입니다. 이 때의 색온도는 3000K 미만으로 따뜻한 백색입니다.빙하기는 이미 지났지만, 이 때의 기억은 아직 남아있어 사람들은 사무실의 조명은 Cool white로 집안의 조명은 warm white로 설치를 하고 있습니다.

COLOR RENDERING INDEX

연색성연색성연색성연색성광원의 색이 물체의 색감에 미치는 영향태양광은 가시광영역 전반에서 고른 분광분포를 보여주므

로 물체 고유의 색을 표현 해 준다.

연색성연색성연색성연색성 지수지수지수지수(CRI; color rendering index)(CRI; color rendering index)(CRI; color rendering index)(CRI; color rendering index)시료 광원 조건하에서 물체색의 컬러 어피어런스가 기준광조건하의 컬러 어피어런스 와의 일치정도를 수치화 한 것R1~R8:평균 연색성 지수R9~R15:특수 연색성 지수R9:적색 R10:황색 R11:녹색 R12:청색 R13:살색(백인)R14:녹색(잎의 녹색) R15:동양인의 피부색

Low CRI LED flash

High CRI LED flash

Performance of LED Die

Internal quantum efficiency Luminous Performance

LED의 광전환 효율과 밝기를 나타낸 그림입니다. Blue chip의 경우 효율은 높지만, 푸른색에 대해 어둡게 느끼는 인간의 시감특성상 Green chip 에 비해 어둡게 보임을 알 수 있습니다.

LED COLOR RANGE

위 도표는 CIE 1931 색좌표계로 자연계의 색을 2차원의 공간에 배열한 것입니다. 최외곽선은 색순도 1의 순수한 색의 좌표로 빨주노초파남보 무지개의 좌표입니다. 내부의 선은 LED die가 표현할 수 있는 색 입니다. 일반적으로 LED는 모든 색을 표현할 수 있다고 알려져 있지만, 자연계의 색 중 아주 일부분만을 표현할 수 있습니다.LED die 단독으로는 백색을 만들 수 없는 것이 기술적 한계로서 남아 있습니다.

MAUFACTURING OF WHITE LED

1. Blue Chip BASE

-> Yellow Phosphor Yellow Phosphor

-->> GreenGreen andand Red PhosphorRed Phosphor

2. UV Chip + RRGGBB PhosphorPhosphor

3. Chip LLEEDD(2 Chip or 3 Chip)

4. Blue Blue and RedRed Chip + Green PhosphorGreen PhosphorInGaNInGaNInGaNInGaN LEDLEDLEDLEDInGaNInGaNInGaNInGaN LEDLEDLEDLED

White Light

InGaN LED

Yellow Light

Blue Light

1. Blue Chip & Yellow Phosphor

Phosphor

InGaNInGaNInGaNInGaN LEDLEDLEDLED UV LightUV LightUV LightUV LightInGaNInGaNInGaNInGaN LEDLEDLEDLED UV LightUV LightUV LightUV LightWhite Light

InGaN LED

RGB Light

Phosphor

2. UV Chip & RGB Phosphor 3. MultiChip LED

WhiteWhiteWhiteWhiteLightLightLightLightRedRedRedRedLEDLEDLEDLED BlueBlueBlueBlueLEDLEDLEDLEDGreenGreenGreenGreenLEDLEDLEDLED

WhiteWhiteWhiteWhiteLightLightLightLightRedRedRedRedLEDLEDLEDLED BlueBlueBlueBlueLEDLEDLEDLEDGreenGreenGreenGreenLEDLEDLEDLED

White Light

Red LED Green LED Blue LED

White LED Light

Advantages

Color can be changed dynamically

As a luminance source, millions of colors can be Produced Higher efficacy

Disadvantages

Requires more complex driver electronics

Color shifts due to temperature and aging

As an illumination source, color rendition can be tricky

RGB White

Advantages

Potential for limited “tint”variation

Simple ballast (driver)

Good color rendering

Disadvantages

Lower efficacy

New phosphor development required

Potential UV packaging problems, shorter life

Blue LED + Yellow (+Red) Phosphor

Advantages

Higher efficacyTechnology exists today

Cool White: 5500K, 70 CRIWarm White: 3200K, 90 CRI

Disadvantages

Potential for “tint” variation:

Controlled optically and by selection

UV LED + RGB Phosphor

PHOSPHOR

Yellowish

GreenMitsubishiCa2-xSc3O4:CexScandium

oxide

REDNichia,

Mitsubishi

Ca1-x-yBaxSiAlN3:EuyNitride

Green,

REDOSRAMCa1-x-yGaxS:EuySulfide

Green,

Yellow

Toyoda Gosei

(Ba1-x-ySrx)2SiO4:EuySilicate

YellowOSRAMTb3-xAl5O12:CexTAG

YellowNICHIAY3-xAl5O12:CexYAG

ColorpatentChemical

WHITE LED COLOR COORDINATION

Blue chip

00.20.40.60.811.2

400 450 500 550 600 650 700

LED에서 blue chip 과 yellow 형광체가 조합되어 white 가 만들어지는 상관관계를 보여줍니다. LED chip이 결정되면, chip에 맞는 형광체를 조합하여 원하는 색을 만들게 됩니다. 그림처럼 470nm 파장의 LED die가 결정되고, 고객이 원하는 백색의 색온도가 결정되면, 이 칩의 색과 결합하여 고객이 원하는 색의 제품을 만들 수 있는 형광체를결정하여 적절한 배합비를 조정하여 백색의 LED를 만듭니다.

Key Factors of

Dispensing Process Capability

1. MATERIAL FACTOR 1. MATERIAL FACTOR 1. MATERIAL FACTOR 1. MATERIAL FACTOR

----. SILICONE. SILICONE. SILICONE. SILICONE’ VISCOCITY.VISCOCITY.VISCOCITY.VISCOCITY.

----. PHOSPHOR. PHOSPHOR. PHOSPHOR. PHOSPHOR’S shape, size density. S shape, size density. S shape, size density. S shape, size density.

2. MACHINE FACTOR 2. MACHINE FACTOR 2. MACHINE FACTOR 2. MACHINE FACTOR

----. Controller. Controller. Controller. Controller

----. Nozzle size , shape , length. Nozzle size , shape , length. Nozzle size , shape , length. Nozzle size , shape , length

----. Temperature of Dispenser (line temperature). Temperature of Dispenser (line temperature). Temperature of Dispenser (line temperature). Temperature of Dispenser (line temperature)

----> Precipitation of Phosphor> Precipitation of Phosphor> Precipitation of Phosphor> Precipitation of Phosphor

----. Mixing stir of dispenser. Mixing stir of dispenser. Mixing stir of dispenser. Mixing stir of dispenser

----. Temperature of heat block. Temperature of heat block. Temperature of heat block. Temperature of heat block

Yield and color distribution

MAXIMIZING YIELDMAXIMIZING YIELDMAXIMIZING YIELDMAXIMIZING YIELD

----. . . . △△△△T minimizingminimizingminimizingminimizing

----. Nozzle tip shape, size and length. Nozzle tip shape, size and length. Nozzle tip shape, size and length. Nozzle tip shape, size and length

----. Temperature changing of Silicone.. Temperature changing of Silicone.. Temperature changing of Silicone.. Temperature changing of Silicone.

----> Temperature control.> Temperature control.> Temperature control.> Temperature control.

----. Optimizing of silicone mixing . Optimizing of silicone mixing . Optimizing of silicone mixing . Optimizing of silicone mixing

----. Matching of Silicone and Phosphor. Matching of Silicone and Phosphor. Matching of Silicone and Phosphor. Matching of Silicone and Phosphor

----. Cure profile optimize. Cure profile optimize. Cure profile optimize. Cure profile optimize 색좌표 분포(LWH1026, PLO+DEN1201)색좌표 분포(LWH1026, PLO+DEN1201)색좌표 분포(LWH1026, PLO+DEN1201)색좌표 분포(LWH1026, PLO+DEN1201)n=2,188ean=2,188ean=2,188ean=2,188ea

0.250.250.250.250.30.30.30.30.350.350.350.35

0.250.250.250.25 0.30.30.30.3 0.350.350.350.35

색좌표분포(LWH1026/DEN1201+PM2)색좌표분포(LWH1026/DEN1201+PM2)색좌표분포(LWH1026/DEN1201+PM2)색좌표분포(LWH1026/DEN1201+PM2)n=4,415ean=4,415ean=4,415ean=4,415ea

0.250.250.250.250.30.30.30.30.350.350.350.35

0.250.250.250.25 0.30.30.30.3 0.350.350.350.35△△△△T : minimizingT : minimizingT : minimizingT : minimizing

Maximizing YieldMaximizing YieldMaximizing YieldMaximizing Yield

Case1) Color distribution

Case2) Color distribution

EPOXY & SILICONE

-EPOXY & SILICONE

BadBadBadBadGoodGoodgoodExcellentPoorSiliconeSiliconeSiliconeSilicone

excellentPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorPoorGoodEpoxyEpoxyEpoxyEpoxy

AdhesionAdhesionAdhesionAdhesionCRACKCRACKCRACKCRACKChemical Chemical Chemical Chemical

stabilitystabilitystabilitystability

Thermal Thermal Thermal Thermal

stabilitystabilitystabilitystability

PHOTOPHOTOPHOTOPHOTO

stability stability stability stability

PRICEPRICEPRICEPRICE

-Epoxy

PAI BOND(Occur Yellowing)

-Silicone

-Si-O-Si-O-Si-O-Si-

O O O O

-Si-O-Si-O-Si-O-Si-

O O O O

-Si-O-Si-O-Si-O-Si-

O O O O

Epoxy Group

-Glass & Quartz

Conformal Phosphor Coating

Conventional Conformal Coating

Large color

shift at edge

-Need conformal phosphor coating to achieve high quality white light-Conformal phosphor coating process provides <500K color variation-Conventional LED show >3500K color variation

White chip

좋은 beam 품질과 광효율을 극대화 하기 위하여 기존의 PKG cavity 내에 dispensing(silicone+형광체) 하는 방법에서일부 major 업체에서는 LED chip 에만 균일하게 coating 되는 concept으로 제품을 출시하고 있습니다.(대표적으로Lumileds, Cree, Osram 등). Chip 표면에 균일한 형광체 분포로 그래프에서 각도별 색편차가 500K 이내임을 알 수 있습니다.

자료 출처 : PHILIPS LUMILEDS