journal-opt - abstr7-15

https://doi.org/10.15407/iopt.2024.59.007

Optoelectron. Semicond. Tech. 59, 7-15 (2024)

K.O.Kozoriz, D.V. Pekur, D.M. Khmil, B.A. Snopok, V.M.Sorokin

OPTIMISATION OF THE SPECTRAL COMPOSITION OF LED SOURCES OF ‘WHITE’LIGHT BASED ON BLUE LEDs WITH LIGHT-CONVERTING COATING OF ONE /TWO COMPONENT PHOSPHORS: CALCULATION METHODOLOGY AND MODELLING RESULTS

The article considers the ways to reasonably assess the possibilities of creating modern light-emitting diodes (LEDs) with specified spectral parameters by using single- and multi-component phosphors. The main goal of the study was to develop a methodology for modelling the spectral composition of a white light source based on blue LEDs and one- or two-component phosphors to determine the compliance of their spectral parameters with a reference source of ‘white’ light, depending on the contribution of the excitation source radiation.

To model the spectral composition of LEDs, we developed software using the Python LuxPy package. This made it possible to obtain comprehensive information about the spectral parameters of the synthesised light, including the correlated colour temperature (CCT), colour rendering index, light quality scale (CQS), colour accuracy index (IES Rf) and saturation index (IES Rg). It was found that in order to obtain white light with high quality indicators, it is necessary to optimise the spectral composition of the radiation by choosing the optimal ratio of blue LEDs and phosphor.

Experimental measurements of the emission spectra of phosphors based on yttrium-aluminium (YAG) and gallium-gadolinium (GGG) garnets activated with cerium allowed to determine the ranges of CCT values for white LEDs based on them. It was found that LEDs with CCT in the range from 4701 K to 6439 K can be created on the basis of YAG phosphor, while GGG phosphor allows to obtain CCT in the range from 2972 K to 3294 K. The use of a two-component phosphor (50% YAG and 50% GGG) allows to create LEDs with CCT in the range from 3563 K to 4210 K. The Ra value for LEDs using these phosphors ranges from 73 to 87 units, the CQS value from 75 to 79, the IES Rf value from 78 to 82, and the IES Rg value from 90 to 95. Based on all the phosphors considered, white LEDs with colour rendering parameters that meet the requirements for both outdoor and, in most cases, indoor lighting can be manufactured.

Keywords: phosphor, correlated colour temperature, yttrium-aluminium garnet, gallium-gadolinium garnet, colour rendering index, blue LED.

PDF

References

1. Ticleanu C. Impacts of home lighting on human health. Lighting Research & Technology. 2021. 53,

№ 5. P. 453–475. https://doi.org/10.1177/14771535211021064.

2. Nagare R., Woo M., MacNaughton P., Plitnick B., Tinianov B., Figueiro M. Access to daylight at

home improves circadian alignment, sleep, and mental health in healthy adults: A crossover study. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2021. 18, № 19. Article № 9980.

http://dx.doi.org/10.3390/ijerph18199980.

3. Smith Thomas, Guild John. The C.I.E. colorimetric standards and their use. Transactions of the Optical

Society. 1931–32. 33, № 3. P. 73–134. https://doi.org/10.1088/1475-4878/33/3/301.

4. MacAdam David Lewis. Projective transformations of I.C.I. color specifications. JOSA. 1937. 27, № 8. P.

294–299. https://doi.org/10.1364/JOSA.27.000294.

5. Ohno Y. Practical use and calculation of CCT and Duv. LEUKOS. 2014. 10, №1. P. 47–55.

https://doi.org/10.1080/15502724.2014.839020.

6. Robertson A. R. Computation of correlated color temperature and distribution temperature. Journal Of The

Optical Society Of America. 1968. 58. P. 1528 –1535. https://opg.optica.org/josa/abstract.cfm?URI=josa-58-11-1528.

7. McCamy Calvin S. Correlated color temperature as an explicit function of chromaticity coordinates. Color

Research & Application. 1992. 17, № 2. P. 142–144. https://doi.org/10.1002/col.5080170211.

8. CIE13.3-1995. 1995. Method of measuring and specifying colour rendering properties of light

sources. Vienna (Austria): CIE.

9. David A., Fini P.T., Houser K.W., Ohno Y., Royer M.P., Smet K.A.G., Wei M., Whitehead L. Development

of the IES method for evaluating the color rendition of light sources. Opt Express. 2015. 23. P. 15888–15906.

https://doi.org/10.1364/oe.23.015888.

10. IES. 2015. IES-TM-30-15: method for evaluating light source color rendition. New York (NY): The

Illuminating Engineering Society of North America.

11. Davis W., Ohno Y. Color quality scale. Optical Engineering.2010. 49, №3. Р.33602-33616.

https://doi.org/10.1117/1.3360335.

12. Zhu Y., Yang M., Yao Y., Xiong X., Li X., Zhou G. et al. Effects of illuminance and correlated color

temperature on daytime cognitive performance, subjective mood, and alertness in healthy adults. Environment and

Behavior. 2017. 51, № 2. P. 199–230. http://dx.doi.org/10.1177/0013916517738077.

13. Lan L., Hadji S., Xia L. et al. The effects of light illuminance and correlated color temperature on

mood and creativity. Build. Simul. 2021. 14. P. 463–475. https://doi.org/10.1007/s12273-020-0652-z.

14. Li Y., Ru T., Chen Q. et al. Effects of illuminance and correlated color temperature of indoor light on

emotion perception. Sci Rep. 2021. 11. Article № 14351. https://doi.org/10.1038/s41598-021-93523-y.

15. Pekur D.V., Sorokin V.M., Nikolaenko Yu.E., Pekur І.V., Minyaylo M.A. Determination of optical

parameters in quasi-monochromatic LEDs for implementation of lighting systems with tunable correlated color

temperature. SPQEO. 2022. 25, № 3. P. 303-314. DOI: 10.15407/spqeo25.03.303.

16. Пекур І. В., Пекур Д.В. Спектральні параметри квазімонохроматичних світлодіодів для систем

освітлення з регульованим спектральним складом. Оптоeлектроніка та напівпровідникова техніка. 2022.

№57. С. 145-151. DOI:10.15407/iopt.2021.57.145.

17. Kevin A. G. Smet. Tutorial: The LuxPy Python Toolbox for Lighting and Color Science. LEUKOS. 2020.

16, № 3. P. 179-201. https://doi.org/10.1080/15502724.2018.1518717.

18. Khmil’ D.N., Kamuz A.M., Oleksenko P.F. et al. Rapid method of determining the suitability of

photophosphor suspensions for fabricating white LEDs. J. Opt. Technol. 2012. 79, №6. P.382.

https://doi.org/10.1364/jot.79.000382.

19. Камуз О.М., Хміль Д.М., Титаренко П.О., Кретуліс В.С., Мінакова І.Є., Снопок Б.А. Методика

визначення показника поглинання світла мікрочастинками порошку люмінофора YAG:Сe3+ та її технологічне

забезпечення. Оптоeлектроніка та напівпровідникова техніка. 2023. №58. С.136-146. DOI:

10.15407/iopt.2023.58.136.

20. Kamuz O., Khmil D., Tytarenko P., Kretulis V., Minakova I., B.Snopok. Photometric Ω-module for fiber

optic spectrometer: a simple tool for measuring the absorption coefficient of individual microparticles in turbid media.

Optical Engineering. 2024. 63.

К.О. Козоріз, Д.В. Пекур, Д.М. Хміль, Б.А. Снопок, В.М. Сорокін

ОПТИМІЗАЦІЯ СПЕКТРАЛЬНОГО СКЛАДУ СВІТЛОДІОДНИХ ДЖЕРЕЛ БІЛОГО СВІТЛА НА ОСНОВІ СИНІХ СВІТЛОДІОДІВ ІЗ СВІТЛОКОНВЕРТУЮЧИМ ПОКРИТТЯМ ОДНО-/ДВОКОМПОНЕНТНИХ ЛЮМІНОФОРІВ: МЕТОДИКА РОЗРАХУНКІВ ТА РЕЗУЛЬТАТИ МОДЕЛЮВАННЯ

У статті розглянуто шляхи обґрунтованої оцінки можливостей створення сучасних світлодіодів (LED) із заданими спектральними параметрами шляхом використання одно - та багатокомпонентних люмінофорів. Основною метою дослідження було розроблення методики моделювання спектрального складу світлодіодного джерела білого світла на основі синіх LED та одно- або двокомпонентних люмінофорів для визначення відповідності їхніх спектральних параметрів еталонному джерелу білого світла в залежності від внеску випромінювання збуджуючого джерела.

Для моделювання спектрального складу світлодіодів було розроблено програмне забезпечення, яке використовує пакет Python LuxPy. Це дозволило отримати вичерпну інформацію про спектральні параметри синтезованого світла, зокрема, корельовану колірну температуру (CCT), індекс кольоропередачі, шкалу якості світла (CQS), індекс точності відтворення кольорів (IES Rf) та індекс насиченості (IES Rg). Було встановлено, що для отримання білого світла з високими показниками якості необхідно оптимізувати спектральний склад випромінювання, вибравши оптимальне співвідношення випромінювання синіх світлодіодів та люмінофора.

Експериментальні вимірювання спектрів випромінювання люмінофорів на основі ітрій-алюмінієвих (YAG) та галій-гадолінієвих (GGG) гранатів, активованих церієм, дозволили визначити діапазони значень CCT для білих світлодіодів на їхній основі. Встановлено, що на основі люмінофора YAG можуть бути створені світлодіоди з CCT в діапазоні від 4701 К до 6439 К, тоді як люмінофор GGG дозволяє отримати CCT в діапазоні від 2972 К до 3294 К. Використання двокомпонентного люмінофора (50% YAG та 50% GGG) дозволяє створити світлодіоди з CCT в діапазоні від 3563 К до 4210 К. Значення Ra для світлодіодів з використанням зазначених люмінофорів коливається від 73 до 87 одиниць, значення CQS – від 75 до 79, IES Rf – від 78 до 82, а IES Rg – від 90 до 95. На основі всіх розглянутих люмінофорів можуть бути виготовлені білі світлодіоди з параметрами кольоропередачі, що відповідають вимогам як до зовнішнього, так і в більшості випадків і до внутрішнього освітлення.

Ключові слова: люмінофор, корельована колірна температура, ітрій-алюмінієвий гранат, галій-гадолінієвий гранат, індекс кольоропередачі, синій світлодіод.

Back / Повернутися