실리카 나노입자 강화 PDMS 캡슐화, AlGaN 심자외선 LED의 광출력 및 열 성능 크게 향상

초록

본 연구는 AlGaN 기반 심자외선 LED(DUV-LED)를 위한 혁신적인 캡슐화 방식을 소개합니다. 이 방식은 SiO₂ 나노입자(NPs)로 도핑된 폴리디메틸실록산(PDMS) 유체와 자외선 투과 석영 반구 캡을 사용합니다. 캡슐화된 LED는 기존 설계보다 현저히 높은 광출력을 제공합니다: 200 mA에서 광추출 효율(LEE)이 66.49% 증가하며, PDMS에 0.2 wt% SiO₂ NPs 함유 시 최대 효율이 발생합니다. 비도핑 유체 대비 0.2 wt% 도핑 구성은 출력 전력을 15% 향상시키며, 전체 성능은 기존 캡슐화 대비 81.49% 우수합니다. 또한 이 구조는 200 mA에서 계면 온도를 4 °C 낮추어 열 관리를 향상시킵니다.

배경

AlGaN 기반 DUV-LED(200~300 nm)는 살균, 수처리, 보안, 센싱에 점점 더 사용되며, 기존 UV 램프의 수은 없는 고신뢰성 대안을 제공합니다[1-10]. 제한된 출력 전력은 양자 우물 결함, 흡수 손실, 사파이어-공기 계면에서의 전반사(TIR)에서 기인합니다[15-17]. 실리콘 캡슐제가 가시광선 LED의 LEE를 개선했지만[18-30], DUV 소자는 여전히 어려움을 겪습니다. 여기서는 굴절률 1.43, 275 nm에서 >85% 투과율을 가진 무독성, 화학적으로 안정한 PDMS를 유체 캡슐화제로 사용하고, SiO₂ NPs를 첨가하여 빛을 산란시키고 평균 굴절률을 높여 더욱 향상시킵니다[31-32].

방법 및 재료

Figure 1은 제조 순서를 보여줍니다: (a) 알루미나 전극이 있는 세라믹 기판; (b) 275 nm 피크 DUV-LED 칩을 열압착으로 기판에 본딩; (c) 칩 주변에 알루미늄 반사체 캐비티 배치; (d) (선택적으로 SiO₂ NPs 도핑된) PDMS 유체를 캐비티에 충진; (e) 외부 링에 3 mm × 1.3 mm 반구형 석영 렌즈 배치; (f) 사인 라인을 따라 다이싱; (g) NP 도핑 PDMS 캡슐화를 가진 최종 DUV-LED. Figure 2a는 기존 DUV-LED, Figure 2b는 SiO₂ NP 도핑 PDMS 층과 석영 커버를 가진 설계를 보여줍니다. PDMS 투과율 곡선(Figure 2c)은 275 nm에서 85% 투과율을 확인합니다. SLM-20 적분구(Isuzu Optics)로 측정한 방출 스펙트럼은 12 nm 반값 전폭의 지배적인 275 nm 피크를 확인합니다. 표 1에 모든 구성 요소 사양이 나와 있습니다.

결과 및 논의

네 가지 캡슐화 변형을 평가했습니다(Figure 3). DUV-LED (I)은 60° 알루미늄 반사체와 공기 캐비티를 사용; (II)은 공기를 PDMS 유체로 대체; (III)은 약간 적은 PDMS로 캐비티를 채우고 석영 반구 추가; (IV)은 PDMS로 캐비티를 완전히 채우고 석영 커버 포함. 적분구 측정에서 200 mA 기준 (I) 42.07 mW, (II) 36.11 mW(PDMS 내 TIR로 -14.16%), (III) 48.13 mW(+14.39%), (IV) 70.05 mW(+66.49%)를 전달했습니다. 완전한 PDMS 캐비티로 공기 갭을 제거하고 광투과를 최대화할 때 최고 출력이 발생합니다. Figure 3f는 SiO₂ NP 로딩(0, 0.1, 0.2, 0.3 wt%)을 탐구합니다. 200 mA에서 0.2 wt% 도핑 장치는 80.58 mW를 달성하여 비도핑 유체 대비 15% LEE 개선과 기준 (I) 대비 81.45% 향상을 보입니다. NPs의 빛 산란이 TIR을 감소시키고 추출을 촉진합니다. 열화상(Figure 4, 표 2)은 도핑 PDMS 구조가 200 mA에서 계면 온도를 4 °C 낮추어 우수한 방열을 입증합니다.

결론

PDMS 캡슐화제에 0.2 wt% SiO₂ NPs를 도핑하면 LEE가 현저히 향상되어 200 mA에서 광출력 81.45% 증가와 계면 온도 4 °C 감소를 달성합니다. NPs가 제공하는 감소된 TIR과 추가 산란이 이득의 기반이 됩니다. 이 콤팩트하고 열적으로 효율적인 아키텍처는 고성능 AlGaN DUV-LED로의 실용적인 경로를 제공합니다.

약어

DUV-LEDs:

심자외선 발광 다이오드

NPs:

나노입자

PDMS:

폴리디메틸실록산