A novel method for the measurement of light emitting diode efficiency by an equivalent heater

Abstract

The Light Emitting Diodes (LEDs) are the most promising illumination and display devices due to their high efficiency and eco-friendly technology. As the market demand for high power and high efficiency LED increases, the device efficiency measurement becomes more important due to efficiency drop phenomena in high current density operation. The integrating sphere method is most widely used for the efficiency measurement, which measures optical power of LED by spectrometer with the calibration by standard lamp or standard LED. The other method for optical power measurement is the Goniophotometer method which requires long measurement time because the rotating detector of Goniophotometer scans over the surface of imaginary sphere which surrounds light source. Since these methods are based on the optical power measurement with spectrometer or Goniophotometer, the measurement requires high cost and time-consuming process. In this study, we proposed novel technique for LED efficiency measurement, which can reduce measurement cost. In this method, we could estimate the device efficiency by measurement of generated heat from LED instead of optical power because the input electrical power is converted into optical power and heat. The main idea of estimating heat generation is based on calibration by equivalent heater. In order to measure heat generation experimentally, temperature difference signal across thermal resistance media is used. The equivalent heater is designed by imitation of LED internal structure and the optimum design of experimental setup for device efficiency measurement is conducted by using of 1-D thermal resistance model. Heater calibration experiment is conducted with equivalent heater and produced experimental setup prior to LED efficiency measurement. The efficiency of five LEDs with different wavelength is measured by heater method. The measured efficiency value is compared with integrating sphere-measured data for validating new method. The measured average efficiency values show a good agreement to integrating sphere-measured data fewer than 5% bias errors. The repeatability of new method is comparable with that of integrating sphere method. The feasibility of multi measurement system with heater method is demonstrated by simultaneous measurement of two different LEDs. The efficiency value between two heater experimental setups is well matched with each other. The measured data are also compared with those of the integrating sphere and show a good agreement. It is shown that high power and high efficiency LED is more favorable in our method from limitation analysis. The measurement uncertainty of proposed method is from 1.6% in blue to 9.1% in amber.

발광다이오드 (Light Emitting Diode, LED)는 높은 효율과 친환경적 기술 특징 때문에 현재 각광받고 있는 조명 및 디스플레이 소자이다. 고출력, 고효율 LED에 대한 시장의 수요가 증감함에 따라, LED의 효율 측정의 중요성이 더욱 부각되고 있는데, 이는 고출력 LED에서 전류밀도가 높을 때 소자의 효율이 급격하게 떨어지기 때문이다. 이러한 LED의 효율 측정을 위하여 가장 많이 사용되는 방법은 적분구 방법이다. 적분구 방법은 LED에서 발생하는 광출력을 측정하는데, 이를 위하여 광출력이 알려진 표준 램프나 표준 LED를 사용하여 교정을 하게 된다. 이 때 광출력 신호의 측정은 고가의 분광 복사계가 많이 사용이 된다. 광출력을 측정하기 위한 또다른 방법은 고니오 광도계 (Goniophotometer) 방법이다. 이 방법은 광도계의 측정 센서가 광원 주위의 가상구 표면을 따라 돌면서 신호를 측정하기 때문에 측정 시간이 많이 걸린다. 이러한 기존의 측정방법들은 기본적으로 분광 복사계 혹은 고니오 광도계를 이용한 광학적 측정법이기 때문에 측정 비용이 높고 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다. 본 연구에서는 측정비용을 낮출 수 있는 새로운 LED 효율 측정 방법을 제안하였다. 이 방법은 LED로 주입되는 전기에너지는 빛 에너지 혹은 열에너지로만 전환된다는 점에 착안하여, 기존의 광출력 측정 대신 발생하는 열을 측정하여 소자의 효율을 측정한다. LED부터 발생되는 열을 측정하기 위하여 등가히터에 의한 교정을 사용한다. 발생되는 열을 실험적으로 측정하기 위하여, 열저항을 가지는 매개체에 열이 가해졌을 때 양단에 발생하는 온도차이 신호를 이용하였다. 등가히터는 열적 등가성을 확보하기 위하여 LED의 내부구조를 모방하여 설계되었고, 1차원 열저항 모델을 이용하여 효율 측정을 위한 실험장치의 최적 설계를 수행하였다. LED의 효율 측정에 앞서, 등가히터와 프로토타입 효율 측정 장치를 이용하여 히터 교정 실험이 수행되었다. 각기 다른 파장을 가지는 5개의 LED들의 효율이 본 실험장치를 이용해서 측정되었고, 그 결과를 적분구에 의해 측정된 효율값과 비교하여, 새로운 측정법을 검증하였다. 히터방법에 의한 측정결과는 적분구 측정값 대비 5% 이내의 오차를 가지면서 잘 일치하는 것을 확인하였고 적분구와 동등 수준의 반복성을 가지는 것을 실험적으로 보였다. 히터 방법을 활용한 다수 측정 시스템의 가능성을 2개의 서로 다른 LED를 동시에 측정함으로써 검증하였다. 두 개의 히터 방법 측정 장치 사이의 효율 측정값은 서로 잘 일치하였다. 또한 측정된 효율값은 적분구를 통한 측정값과도 잘 일치하는 것을 확인하였다. 한계 분석을 통해서 히터 측정 방법이 고출력, 고효율 LED에서 유리함을 알 수 있었다. 불확실성 분석을 통하여 제안된 방법의 측정 불확실성이 1.6% (청색) 로부터 9.1% (황색) 사이의 값을 보임을 확인하였다.