LED chip fénykicsatolásának vizsgálata

Szanda István 5-öd éve mérnök-fizikus hallgató

Koppa Pál dr. docens, BME Atomfizika Tanszék

Bakk István, GE Innovation

Motiváció

„The World won’t be the same after this crisis.” Norman Jones, a Brit Kormány Pénzügyi tanácsadója

A világ energiaigényének 20%-a fordítódik világításra

600 000 000 $ évente

A LED előnyei

Dimmelhetőség

Gyakori ki-be kapcsolgatás sem teszi tönkre

Robosztus tokozás

Fénye könnyen fókuszálható

Kvázimonokromatikus fény színszűrők nélkül

Halogén lámpa

Kompakt fénycső

LED 2008 LED 2013? 1

Élettartam 2000 óra 8000 óra 35000 óra 50000 óra

Fény-hasznosítás

20 lm/W 63 lm/W 40 lm/W 150 lm/W

1. Eric Bretchneider, Efficacy Limits for Solid-State White Light Source, Photonics Spectra, 2007 March

Problémák

A teljesítmény erősen hőmérsékletfüggő

Drága, ár per lumen (LED: ~10 cent, Kompakt fénycső: ~5 cent)

A fehér LED spektruma erősen különbözik a feketetest-sugárzó spektrumától

Kicsatolási hatásfok

Félvezetők magas törésmutatóval

3,43InP

3,35GaP

3,85GaAs

TörésmutatóAnyag

90onlev=1

nchip=3,4

A magas törésmutató következményei

Teljes visszaverődés határszöge: 17o

Magas Fresnel-veszteségek

-50 0 500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Transmission p polarization n=4.02

T (

%)

Incident angle (degree)-50 0 50

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Transmission s polarization n=4.02

T (

%)

Incident angle (degree)

Kicsatolási hatásfok < 2 %

MATLABDiffrakciós számítások

ZEMAXGeometriai optika

ProSourceMérési eredmények,

modell érvényessége

ElektronmikroszkópFelületi struktúrák

Modellező rendszer

Geometriai optikai modellezés

Modellezés eszköze: Zemax

Seoul Semiconductor P4 red

Modell ellenőrzése

Modell Mért lámpa

Radiant Imaging ProSource

Szögkaraktetrisztikák

1,8

14,4 27 39

,652

,264

,877

,4 9010

2,611

5,212

7,814

0,4

153

165,

617

8,2

Szög (fok)

Inte

nzi

tás

Mérés

Model

SSC P4 red

Zemaxban vizsgált lehetőségek1. Reflektív felületek

2. Tokozó anyagok (n=1,5)

-100 -50 0 50 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Transzmittancia p polarizacio n=3.43

T (

%)

Beesési szög (fok)-100 -50 0 50 1000

10

20

30

40

50

60

70

80

90Transzmittancia p polarizacio n=3.43

T (

%)

Beesési szög (fok)

Vizsgált lehetőségek

3. Chip alakok (abszorpció)

4. Strukturált felület

Kicsatolási hatásfok~34 % (88

lm/W@620nm)

Vizsgált lehetőségek

Szabadalom-előkészítés

„Patent evaluation board rated to file”

Szabadalmi hivatalba beadva

Irodalomkutatás: Mikro-és nanostruktúrák a chip felületén

Vektordiffrakciós szimuláció

Chipek SEM

Osram Golden Dragon red

Philips Flipchip REDSSC P4 red

B. Micro- és nanostruktúrák modellezéseMódszer: Rigorous Coupled Wave Analysis

Periódikus struktúrák a szubsztrát és a szupersztrát (homogén, lineáris, izotróp)

Maxwell-egyenletek megoldása Fourier-térben

Tool: Matlab, GD-Calc Toolbox

Eredmények1

~34%

Eredmények2

~40%0

20

40

60

80

0

10

20

30

40

50

0

20

40

Periódus (100nm)Magasság (100nm)

Diff

rakc

iós

hatá

sfok

(%

)

Eredmények3

~15%

A geometriai és a fizikai optikai modellezés egyesítése

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

-3

-2

-1

0

1

-0.5

0

0.5

1

1.5

x2 (m)

x3 (m)

x 1 ( m

)

Egységes kicsatolási hatásfok, geometriai és anyagtulajdonságok

A geometriai és a fizikai optikai modellezés egyesítése

37% (95 lm/W)@620nm(Piacon kaphatók teljes hatásfoka 36-58 lm/W@620 nm)

Összefoglalás, további tervekGeometriai optikai számolásFizikai optikai számolásA modellek egyesítéseÉrvényesség alátámasztása goniométeres mérésekkel95 lm/W kicsatolási hatásfok

Tervek:•Egy, illetve kétdimenziós, magas diffrakciós hatásfokú rácsok tervezése•Fotonikai kristályokat hatékonyan számoló program modellező eszközhöz való csatolása•Polarizációs effektusok, polarizált fényforrás

Köszönöm a figyelmet!

Publikációk:[1] Szanda I., Koppa P., Bakk I. : “Engineering and characteristaion of nanostructures by photon, ion beam and nuclear methods” Smolenice, http://www.milp.sk/er08/[2] Szanda I., Koppa P., Bakk I. : LED chip fénykicsatolásának vizsgálata Kvantumelektronika 2008, ISBN 978-963-06-5922-2[3] Szabadalom publikálás alatt