자외선 발광 다이오드의 광 추출 효율 향상을 위한 도광체 층 두께 최적화

소개

코로나19 팬데믹(세계적 대유행)으로 인해 전 세계 사망률이 증가했습니다. 기존의 자외선(UV)-C 수은 램프는 살균할 수 있지만 수은 함량, 분산된 스펙트럼 파장, 부피가 크고 수명이 짧기 때문에 적용 가능성이 제한됩니다. UV-C 발광 다이오드(LED)는 환경 친화적이며 수은이 없으며 공해가 없습니다. 살균 파장은 260~280nm에 집중되어 있습니다. 광원이 작고 수명이 길기 때문에 UV-C 수은 램프를 1차 살균 광원으로 점차 대체하고 있습니다. 자외선은 박테리아의 DNA 또는 RNA 구조를 파괴하고 표면, 공기 및 물의 오염을 제거하는 데 널리 사용되었습니다. 260~280nm 사이의 UV-C 파장대역은 살균 효과가 가장 커서 미생물 세포의 재생을 막아 살균과 살균을 달성한다[1,2,3]. 연구에 따르면 의료 광선 요법과 안전한 소비를 위한 물, 식품 및 의약품의 소독 및 살균에 UV-C LED가 광범위하게 사용되는 것으로 나타났습니다[4,5,6,7]. 전통적인 수은 UV 램프는 긴 예열 시간, 짧은 수명, 폭발 위험 및 환경 오염으로 인해 불리합니다. UV-C LED는 앞서 언급한 모든 측면에서 우수합니다[8,9,10]. UV-C 파장 범위는 100~280nm이고 UV-C LED 파장은 260~280nm입니다. LED는 발광 파장이 더 집중되어 있기 때문에 살균 효율과 장기 신뢰성도 수은 UV램프보다 우수하다[11, 12]. 그러나 UV-C LED의 열악한 외부 양자 효율(EQE) 및 광 추출 효율(LEE)은 개선되어야 합니다. AlGaN 기반 UV-C LED의 낮은 EQE 및 LEE는 전자 누출 및 내부 전반사(TIR)에 기인하며, 이로 인해 광자가 사파이어 기판과 p-GaN 접촉층의 물질에 흡수됩니다[13,14 ,15].

LEE 개선을 위한 접근 방식은 나노패턴 사파이어 기판을 UV-C LED 제조용 기판으로 사용하는 것과 관련되었습니다. Wen Cheng Ke et al은 InGaN 기반 LED 혼합 패턴 사파이어 기판의 마이크로스케일 및 나노스케일 성장을 제안했습니다. , 그는 LED가 광전 특성을 향상시키기 위해 미세 패턴 사파이어 기판에 나노홀을 삽입할 수 있도록 했습니다[16]. PhillipManley et al. DUV(Deep UV) LED에 나노패턴 사파이어 기판을 사용하여 이러한 나노패턴 구조가 사파이어의 LEE에 미치는 영향을 확인했습니다[17].

Shao Hua Huang 외. Flip-chip 구조의 습식 에칭을 사용하여 사파이어 기판을 수정하고 베벨 텍스처를 부여하여 질화물 LED의 LEE를 개선했습니다[18]. 김동영은 횡자기편극의 LEE를 개선하기 위해 측벽 방출 강화 DUV LED라고 하는 Al 코팅된 슬로프 장벽이 있는 n형 GaN 마이크로미러를 제안했습니다[19].

일부 학자들은 보조 렌즈의 설계를 통해 LEE를 개선하기 위해 광 경로를 변경하는 것을 제안했습니다. 예를 들어, Renli Liang et al. 리소그래피 및 습식 에칭 기술을 통해 DUV LED의 LEE를 향상시키기 위해 나노렌즈 어레이를 사용했습니다. Bin Xie 외. 는 직접 조명 LED 백라이트의 전체 성능을 향상시키기 위해 밝기 향상 필름이 있는 자유형 렌즈를 제안했습니다[20, 21]. UV-C LED 및 유기물 흡수와 관련된 특성은 포장재 선택에 영향을 미칩니다. Nagasawa와 Hirano는 LEE를 개선하기 위해 캡슐화된 재료로 AlGaN 기판에 트리플루오로메틸 말단 구조를 갖는 p형 부틸 비닐 에테르의 사용을 장려했습니다[22]. 장기간 DUV 조사에서 유기 물질은 심각한 분자 해리 및 파괴를 받습니다. 보다 효율적이고 안정적인 광추출을 위해서는 자외선에 대한 저항성이 높은 소재나 무기 소재가 필요합니다. 포장의 기밀도 포장 능력을 평가하는 핵심 요소입니다[23, 24]. 높은 침투력과 장기적인 신뢰성을 모두 고려하기 위해 석영 유리는 종종 UV LED의 포장 재료로 사용됩니다. 캐비티가 속이 비어 있을 때 높은 계면 반사는 LEE를 감소시킵니다. 공동은 LEE 개선을 위해 굴절률이 낮은 액체 또는 유기 접착제로 채워질 수 있습니다. 이와 관련하여 Kang Chieh-Yu는 LEE 개선을 달성할 수 있는 새로운 유형의 DUV LED 액체 패키징 구조를 제안했습니다. Chien Chun Lu는 석영 기반 밀폐 패키지를 사용하여 UV-C LED의 더 높고 안정적인 LEE를 시연했습니다[25, 26].

SiO₂로 도핑된 PDMS(폴리디메틸실록산) 유체와 같은 다양한 포장 재료 나노 입자는 UV LED의 LEE를 향상시킬 수 있습니다. Zhi Ting Ye는 나노입자가 도핑된 PDMS 유체가 AlGaN 기반 DUV LED의 광학 성능을 향상시킨다고 제안했습니다[27]. Yang Peng은 칩온보드 캡슐화 구조의 LEE를 향상시키기 위해 질화알루미늄 기판에 불소고분자로 도핑된 이 캡슐화 재료를 사용했습니다[28]. 윤주선과 히라야마 히데키는 비교 연구에서 6개의 서로 다른 플립 칩 구조를 사용한 비교 연구에서 서로 다른 웨이퍼 구조를 제안하여 개선된 LEE를 위한 AlGaN 메타 표면을 얻었습니다[29].

광자 관리는 빛을 추출하고 수확하는 효율적인 방법으로 입증되었으며 광검출기 및 광전자 화학 전지[30,31,32,33], 태양 전지를 비롯한 다양한 광전자 장치에 널리 사용되었습니다. [34, 35] 및 디스플레이 기술의 마이크로 발광 다이오드 [36].

UV-C LED의 미세화에 대한 연구는 아직 LEE에 대한 도광층 두께의 영향을 조사하지 않았습니다. 도광층 재료로 사파이어를 사용하는 경우 흡수율은 일반적인 청색 파장 대역인 450nm에서 상대적으로 낮지만 UV-C LED 260~280nm 파장 대역에서 상대적으로 높아 두께가 LEE에 미치는 영향을 보여줍니다. 따라서 본 논문에서는 UV-C LED의 LEE에 대한 도광층의 두께에 대한 최적값을 제안한다.

방법

도광체 레이어의 TIR 현상

TIR은 빛이 다른 매질에 들어갈 때 굴절률이 변하는 광학 현상입니다. 입사각이 임계각보다 작을 때 빛은 두 부분으로 나뉩니다. 빛의 한 부분은 반사되고 다른 부분은 굴절됩니다. 반대로 입사각이 임계각보다 크면 모든 빛은 굴절 없이 내부적으로 반사됩니다. 내부 매질의 굴절률은 n₁입니다. , 외부 매질의 굴절률은 n₂ . 임계각 θ _ㄷ 식을 사용하여 계산할 수 있습니다. (1). n₁일 때 1.788, 임계각 θ _ㄷ TIR의 각도는 그림 1과 같이 34.136°입니다. 빨간색 삼각형 원뿔은 도광층을 통과한 다음 나갈 수 있는 전반사 영역을 나타내며 나머지 청록색 영역은 빛이 반사되는 TIR 영역입니다. 물질에 흡수되어 LEE를 감소시킵니다.

<그림>

라이트 가이드 레이어 내부 전반사. 아 평면도 스케치 및 b 3차원 도식 스케치

$${\theta }_{C}={\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}}$$ (1)

길이가 L일 때 및 너비 W 도광층의 두께는 고정되어 있고, 도광층의 두께 H_LG TIR 영역에 영향을 줍니다. 그림 2와 같이 발광층에서 도광층으로 빛이 빠져나가기 때문에 주황색 부분에서는 TIR 현상이 일어나지 않는다. 입사각이 이 영역을 초과하면 그림 2의 cyan 영역에서 TIR이 발생합니다. 이 영역의 너비는 T_W로 정의할 수 있습니다. , 식으로 표현된다. (2).

<그림>

UV-C LED TIR 현상의 개략도

$${T}_{W}=\mathrm{tan}({\mathrm{sin}}^{-1}\frac{{n}_{2}}{{n}_{1}})\ 배 {H}_{LG}$$ (2)

UV-C LED의 LEE를 향상시키기 위한 도광체 층 두께의 시뮬레이션 및 최적화

Solidwork 3D 도면 소프트웨어와 Ansys SPEOS 광학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 광학 시스템을 구성하고 1차 광학 설계를 사용하여 LEE에 대한 도광층 두께의 영향을 시뮬레이션 및 최적화했습니다. Al₂ 포함 O₃ 도광층 재료로 작용하여 TIR로 인한 흡수 문제를 줄이기 위해 두께를 수정했습니다.

UV-C LED 칩의 파장은 275nm, 길이는 L 1.524mm, 너비 W 그림 3과 같이 1.524mm였습니다.

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아 UV-C LED 칩의 구조도 및 b UV-C LED 칩 시뮬레이션의 단순화된 매개변수 다이어그램

도광층은 Al₂로 구성되었습니다. O₃ , 굴절률 N_LGL 1.782, 도광층 두께(H_LG ) 간격은 150–700μm였습니다. 발광층(LEL)의 두께는 H_LE 1.5μm의 경우, 층의 상부 표면은 발광 표면, 하부 표면은 부분 흡수 및 부분 반사 층이었고, UV-C LED 전극 두께 H_pd 1.5μm였습니다. 재료는 부분적으로 흡수하고 부분적으로 반사하도록 설정되었습니다. 그림 3a는 UV-C LED 칩의 구조를 나타내고 그림 3b는 칩의 단순화된 시뮬레이션 다이어그램입니다. 매개변수 설정은 표 1에 나열되어 있습니다.

그림 4a는 UV-C LED 3차원 구조의 개략도를 나타내고 그림 4b는 시뮬레이션된 발광 표면의 광 궤적 개략도입니다.

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UV-C LED의 구조; 아 UV-C LED 시뮬레이션의 3차원 구조 및 b 라이트 트레이스 시뮬레이션 다이어그램

이 연구는 150–700μm의 라이트 가이드 두께가 LEE에 미치는 영향을 분석했습니다. 시뮬레이션된 입력 복사속은 1W이고 시뮬레이션 결과는 그림 5에 나와 있습니다. 라이트 가이드의 두께가 150μm일 때 상대 복사속은 0.41W이고, 라이트 가이드의 두께가 증가할 때, LEE가 차례로 증가했습니다. 600μm 라이트 가이드 두께에서 복사 플럭스는 0.62W로 1.512배 증가했습니다. 시뮬레이션 결과에 따르면 두께가 더 두꺼워지면 LEE는 포화에 가깝고 증가하지 않는다. 도광층의 두께가 700μm일 때 효율은 그림 5와 같이 600μm에서 층보다 2.2%만 더 높았습니다.

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두께가 150–700μm인 시뮬레이션된 UV-C LED 라이트 가이드의 LEE 다이어그램

표 2는 시뮬레이션된 복사속 입력이 1W일 때 상대 복사속 출력과 배율을 보여줍니다. 두께 600μm의 도광체 레이어는 최고의 LEE, 배율 및 처리 안정성을 달성했습니다. 그러나 700μm에서는 가공 및 절단이 어려워 결과적으로 수율이 감소했습니다.

우리는 나노 패턴 사파이어 기판 방법에 비해 LEE의 향상을 위해 도광층 두께 최적화를 제안합니다. 방법의 장점은 에칭 및 엠보싱 공정을 거칠 필요가 없습니다.

결과 및 토론

그림 6은 도광층 두께가 다른 UV-C LED 프로토타입을 보여줍니다(H_LG ). 그림 6a는 H_LG를 보여줍니다. 150μm의 값, 이 실험의 참조 측정값으로 사용된 업계 설정에서 일반적으로 사용되는 두께 매개변수입니다. 그림 6e는 H_LG를 보여줍니다. LEE 강화를 위한 최적의 두께인 600μm입니다. 산업적 제조 공정에서 도광층의 두께를 증가시키면 절단이 어려워지고 쪼개지는 문제가 발생합니다. 도광층의 두께가 600um이면 업계에서 가공의 한계 두께에 도달했습니다.

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도광층 두께가 있는 실제 UV-C LED 샘플의 측면도(H _LG )의 a 150, b 300, c 400, d 500, e 600 및 f 700μm

표 3은 서로 다른 도광층 두께(H_LG ). H_LG와 함께 600μm의 경우 복사 플럭스는 150μm의 두께보다 1.52배 더 높았습니다. 그림 7은 UV-C LED 프로토타입 시뮬레이션과 다양한 도광층 두께(150~700μm)로 측정된 LEE 성장 추세를 보여줍니다. H_LG에서 700μm의 경우 성장 속도가 더 이상 명확하지 않고 포화 상태에 이르렀습니다. 시뮬레이션 결과는 실제 샘플 테스트와 유사합니다.

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도광층 두께가 150–700 um인 UV-C LED의 시뮬레이션 및 측정된 LEE 향상 시간 비교

표 4는 다양한 도광층 두께에서 시뮬레이션된 UV-C LED가 LEE에 미치는 영향을 자세히 설명합니다. 라이트 가이드의 두께가 150μm일 때 상대 복사속은 13.53mW였고, 라이트 가이드의 두께가 증가할 때 LEE가 차례로 증가했습니다. 600μm 라이트 가이드 두께에서 복사 플럭스는 20.58mW로 1.521배 증가했습니다. 시뮬레이션과 측정의 차이를 비교해보면 실제 샘플 테스트와 결과가 유사함을 알 수 있다.

결론

본 논문은 Al₂를 이용한 1차 광학 설계를 제안한다. O₃ TIR로 인한 흡수를 줄이고 UV-C LED의 LEE를 최적화하기 위해 도광층으로 재료를 사용합니다. UV-C LED의 LEE에 대한 두께가 다른 도광체 레이어의 효과는 SPEOS 광학 시뮬레이션 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션 및 분석되었습니다. 표준 레이어 두께 150μm와 비교하여 최적화된 두께 600μm는 LEE가 1.52배 증가했습니다. 이 개선된 UV-C LED LEE는 살균 시스템 및 기타 미래 응용 분야에서 이러한 LED를 사용하는 데 유용합니다.

사용 가능한 데이터 및 자료

이 기사의 결론을 뒷받침하는 데이터 세트는 기사에서 사용할 수 있습니다.

약어

DUV:

심자외선

H_pd :

전극 두께

리:

광추출 효율

L:

길이

LGL:

라이트 가이드 레이어

LE:

발광층

TIR:

내부 전반사

UV-C LED:

자외선 C 발광 다이오드

여:

너비

SPIO 나노입자의 합성 및 파킨슨병에 대한 줄기 세포 라벨링의 후속 적용 리튬 이온 배터리용 고성능 양극으로서 질소 도핑된 탄소 나노튜브의 NiCo2S4 나노결정