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Stabilität von Leuchtdioden für den solaren UV-Wellenlängenbereich

01.01.2013

Seit einiger Zeit sind Leuchtdioden (light-emitting diodes, LEDs) verfügbar, welche im solaren UV-Wellenlängenbereich (280 nm bis 400 nm) emittieren. Im Rahmen des Projektes EMRP ENV 03 Traceability for surface spectral solar ultraviolet radiation wurden UV-LEDs auf ihre Stabilität und ihr Alterungsverhalten bezüglich der spektralen Bestrahlungsstärke untersucht. Diese LEDs sollen nach einer Selektion in einer portablen Monitorstrahlungsquelle zur Anwendung kommen, mit deren Hilfe die Kalibrierung von Spektroradiometern im solaren UV-Wellenlängenbereich überprüft werden kann.

Untersucht wurden UV-LEDs aus der UVTOP-Serie, mit einem flachen Emissionsfenster, im TO-18-Gehäuse und den folgenden Peak-Wellenlängen (je drei LEDs): 285 nm, 299 nm, 310 nm, 333 nm, 342 nm und 369 nm (Bild 1). Die spektrale Halbwertsbreite (FWHM) liegt in der Größenordnung von 10 nm bis 14 nm. Zusätzlich wurden im Rahmen des Projektes UV-LEDs im TO-39-Gehäuse durch das Schweizer Bundesamt für Metrologie (METAS) mit den Wellenlängen 294 nm, 318 nm, 335 nm and 368 nm untersucht.

Bild 1: Spektrale Bestrahlungsstärke nach Alterung der UV-LEDs. Abstand Messkopf – UV-LEDs ca. 55 mm.

Die verschiedenen LEDs wurden temperaturstabilisiert bei ihrem Nennstrom (20 mA) in einem automatisierten Messaufbau betrieben. Dabei wurden sowohl Strom, Spannung und Temperatur der einzelnen LEDs, als auch die Bestrahlungsstärke mit einer großflächigen Si-Photodiode und einem kalibrierter UV-Spektroradiometer gemessen. Es zeigt sich, dass die Lebensdauer, definiert als Abfall der Bestrahlungsstärke auf 50% des ursprünglichen Wertes, bei der LED mit der kürzesten Emissionswellenlänge nur bei ca. 100 Stunden liegt. Alle anderen untersuchten LEDs kommen auf (extrapolierte) Lebensdauern von mehr als 500 Stunden. Dabei wird eine Zunahme der Lebensdauer mit steigender Emissionswellenlänge beobachtet.

Für die zu entwickelnde Monitorstrahlungsquelle ist die Lebensdauer der UV-LEDs nicht der entscheidende Faktor, im Gegensatz zur Stabilität und Reproduzierbarkeit der spektralen Bestrahlungsstärke. Die Stabilität (Drift) der Bestrahlungsstärke wurde für das Projekt auf 0.05% pro Stunde oder besser gefordert. Dieser Wert kann nach entsprechender Voralterung mit den UV-LEDs erreicht werden, außer bei den Bauteilen mit der kürzesten Emissionswellenlänge, (siehe Tabelle 1). Die Drift könnte eventuell durch den Betrieb der LED bei tieferer Temperatur und/oder niedrigerem Betriebsstrom auf den geforderten Wert oder darunter gesenkt werden.

Tabelle 1: Stabilität (Drift) der Bestrahlungsstärke der gealterten UV-LEDs.

Während der Alterung der UV-LEDs hat sich die Peak-Wellenlänge nicht verändert. Die Schwerpunktwellenlänge dagegen driftet leicht zu größeren Wellenlängen, ebenso wird die spektrale Halbwertsbreite leicht größer, siehe Tabelle 2. Diese Beobachtungen sind Eigenschaften der einzelnen LEDs; eine dahinterliegende Systematik ist nicht zu erkennen.

Tabelle 2: Drift der Schwerpunktwellenlänge und Zunahme der spektralen Halbwertsbreite.

Für die zu konstruierende Monitorquelle ist zudem erforderlich, dass die spektrale Bestrahlungsstärke mindestens 1 (mW/m2)/nm für Wellenlängen zwischen 280 nm und 330 nm und mindestens 5 (mW/m2)/nm für Wellenlängen zwischen 330 nm und 400 nm beträgt. Summiert man die spektralen Bestrahlungsstärken der einzelnen LEDs aus Bild 1 auf, so erkennt man (rote Kurve in Bild 2), dass sowohl die geforderten Werte (schwarze Linien in Bild 2), als auch die Werte einer zum Vergleich dargestellten FEL-Lampe (grüne Kurve in Bild 2) voraussichtlich übertroffen werden können. Zu beachten ist, dass die spektrale Bestrahlungsstärke der UV-LEDs im Abstand von ca. 55 mm gemessen wurde, im Gegensatz zur FEL-Lampe, bei der der Abstand 500 mm betrug.

Die Lücken im Gesamtspektrum müssen noch durch UV-LEDs mit geeigneter Peak-Wellenlänge (blaue Kurven in Bild 2, erwartete Werte) geschlossen werden.

Bild 2: Erwartete spektrale Bestrahlungsstärke beim Einsatz der selektierten UV-LEDs in einer Monitorquelle.


Acknowledgement:

The work leading to this study was partly funded by the EMRP ENV03 Project "Traceability for surface spectral solar ultraviolet radiation". The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union.