Color temperature constancy of phosphor converted LED modules: a combined thermal and optical simulation study on the materials requirements

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Abstract

Color temperature constancy and color maintenance are key issues in the context of the utilization of light-emitting diodes (LEDs) for general lighting applications. For a systematic approach to improve the white light quality of phosphor converted LEDs and to fulfill the demands for color temperature constancy, it is imperative to understand how compositional, optical and thermal properties of the color conversion elements (CCE), which typically consist of phosphor particles embedded in a transparent matrix material, affect the correlated color temperature of a white LED source. In this contribution we discuss, based on combined optical and thermal simulations, the dependencies of the quantum efficiency of the phosphor and the thermal conductivity of the matrix material on the temperature increase within the CCE. We show that even small improvements of these parameters may have a notable beneficial impact on the thermal load of the CCEs and therefore also temperature related insufficiencies of the device performance.

Zusammenfassung

Die Reproduzierbarkeit und die Aufrechterhaltung eines gewünschten Farborts ist eine der essentiellen Herausforderungen für die LED-Technologie. Um die Weißlichtqualität insbesondere von Farbkonversions-LEDs weiter optimieren zu können, ist eine genaue Kenntnis der diesbezüglichen Gesetzmäßigkeiten sowie der Zusammenhänge zwischen der Geometrie der Farbkonversionsschicht, welche üblicherweise aus Leuchtstoffpartikeln in einer Silikonmatrix besteht, und der optischen und thermischen Materialeigenschaften von essentieller Bedeutung. In diesem Beitrag diskutieren wir auf der Basis von kombinierten optischen und thermischen Simulationen den Einfluss der Quantenausbeute des Leuchtstoffs und der thermischen Leitfähigkeit der Farbkonversionsschicht auf die Temperaturverteilung innerhalb der Farbkonversionsschicht. Wir zeigen, dass bereits geringfügige Verbesserungen dieser Parameter die Spitzentemperatur in der Farbkonversionsschicht und damit auch die dadurch verursachten negativen Auswirkungen auf die Konstanz des Farborts nennenswert verringern können.