Lichtausbeuteeffizienz von oberflächenmontierten Lampenperlen basierend auf einer neuen Fest-Flüssig-UV-Verkapselung
WEI wei1*, LI Liuming1, GU Chunpeng10, CHEN Lei2, SONG Jinde6, XIA Zhenghao7, GUO Haozhong8, WANG
Xinxing1, LI Zenglei1, WANG Xiaoting1, ZOU Mingxue1, LI Chenyang1, ZOU Jun4, CHEN Zhizhong3, WU Peng5,
LIAO Yitao5,ZHANG Guoyi9
Haupttext
Zahlen
Tische
Referenzen
Abstrakt
Um das Problem der geringen Effizienz von UV-LED-Chips auf AIGaN-Basis anzugehen, wurde in dieser Studie eine Art fest-flüssig verpackter UV-LED-Chip entwickelt und dessen Lichtausgabeeffizienz unter verschiedenen Parametern analysiert. Die Lichtleistungseffizienz von UV-LED-Chips mit und ohne Fest-Flüssigkeit-Verkapselung wurde unter Verwendung verschiedener reflektierender Materialien im Inneren der Chips analysiert. Es wurde festgestellt, dass Au, Ag und reflektierende Materialien mit Totalabsorption die Lichtausbeute von UV-LED-Flüssigkeitsverpackungen nicht verbessern konnten. Darüber hinaus können reflektierende Al-Materialien und photonische Kristalle mit Totalreflexion die Lichtausbeute von UV-LED-Flüssigkeitsverpackungen verbessern, wobei die höchste Effizienzsteigerung über 74 % erreicht. Die Lichtausbeute von Flüssigkeitsverpackungen mit Quarzdeckschichten unterschiedlicher Dicke wurde analysiert; Die Ergebnisse zeigten, dass die Effizienz umso höher war, je dünner die Quarzdeckschicht war. Unter den gleichen Bedingungen ist die Effizienzsteigerung von oberflächenmontierten UV-LED-Perlen bei unterschiedlichen Dicken von Quarzabdeckplatten nicht signifikant; Bei gleicher Dicke der Quarzabdeckung können reflektierendes Al-Material und photonischer Kristall mit Totalreflexion die Lichtausbeute von UV-LED-Flüssigkeitsverpackungen verbessern.
Tabelle 2 Simulierte optische Parameter verschiedener Materialien
Tabelle 3 Simulierte optische Parameter von LEDs unterschiedlicher Größe
Die Strukturen des in dieser Simulation verwendeten UV-Chips und der Patchlampenperle sind in Abbildung 1-3 dargestellt. Der UV-LED-Chip umfasst ein Saphirsubstrat, ein AlGaN-Material vom N-Typ, einen Quantentopf und ein AlGaN-Material vom P-Typ; Die Vorderansicht ist in Abbildung 1 und die Querschnittsansicht in Abbildung 2 dargestellt. Wie in Abbildung 3 dargestellt, umfasst die UV-Patchlampenperle Verpackungsmaterialien, UV-LED-Chips, Füllmaterialien wie Luft oder Wasser und eine Quarzabdeckung von unten nach oben. der Winkel zwischen Innen- und Bodenfläche beträgt 85°.
Abbildung 2 (a) Siliziumdioxid-Glasstruktur für externe Mikroprozessor-Arrays (b) Interne Mikroprozessor-Arrays
Tabelle 5 Die Lichtausbeute der verschiedenen SiO2-Dicken
[1] Hirayama H, Fujikawa S, Kamata N. Jüngste Fortschritte bei AlGaN-basierten Tief-UV-LEDs[J]. Elektronik und Kommunikation in Japan, 2015, 98(5): 1-8.
[2] Tian P, Shan X, Zhu S, et al. AlGaN-Ultraviolett-Mikro-LEDs[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2022, 58(4): 1-14.
[3] Li D, Jiang K, Sun X, et al. AlGaN-Photonik: jüngste Fortschritte bei Materialien und Ultraviolettgeräten[J]. Fortschritte in Optik und Photonik, 2018, 10(1): 43-110.
[4] Hirayama H. Jüngste Fortschritte bei AlGaN-LEDs im tiefen UV[J]. Leuchtdiode: Ein Ausblick auf die empirischen Merkmale und ihre jüngsten technologischen Fortschritte, 2018.
[5] Usman M, Malik S, Munsif M. AlGaN-basierte ultraviolette Leuchtdioden: Herausforderungen und Chancen[J]. Lumineszenz, 2021, 36(2): 294-305.
[6] Mondal RK, Adhikari S, Chatterjee V, et al. Jüngste Fortschritte und Herausforderungen bei AlGaN-basierten Technologien für ultraviolette Leuchtdioden[J]. Materials Research Bulletin, 2021, 140: 111258.
[7] Yu H., Memon MH, Wang D. et al. AlGaN-basierte Mikro-LED im tiefen Ultraviolett, die bei 275 nm emittiert[J]. Optics Letters, 2021, 46(13): 3271-3274.
[8] Chen Y, Ben J, Xu F, et al. Rückblick auf den Fortschritt von AlGaN-basierten UV-Leuchtdioden[J]. Grundlagenforschung, 2021, 1(6): 717-734.
[9] Usman M., Malik S., Khan MA, et al. Unterdrückung des Effizienzabfalls bei AlGaN-basierten UVB-LEDs[J]. Nanotechnologie, 2021, 32(21): 215703.
[10] Pandey A, Shin WJ, Gim J, et al. Hocheffiziente AlGaN/GaN/AlGaN-Tunnelübergangs-UV-Leuchtdioden[J]. Photonics Research, 2020, 8(3): 331-337.
[11] Guttmann M, Susilo A, Sulmoni L, et al. Lichtextraktionseffizienz und interne Quanteneffizienz vollständig UVC-transparenter AlGaN-basierter LEDs[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2021, 54(33): 335101.
[12] Yu H., Memon MH, Wang D. et al. AlGaN-basierte Mikro-LED im tiefen Ultraviolett, die bei 275 nm emittiert[J]. Optics Letters, 2021, 46(13): 3271-3274.
[13] Liu Z, Lu Y, Wang Y, et al. Polarisationsmodulation an der letzten Quantenbarriere für hocheffiziente AlGaN-basierte UV-LED[J]. IEEE Photonics Journal, 2021, 14(1): 1-8.
[14] Khan MA, Maeda N, Rangaraju H, et al. Effizienzabfall bei UVB-LEDs auf AlGaN-Kristallbasis im Zusammenhang mit dem Elektronenblockierungsmechanismus[J]. Journal of Crystal Growth, 2023, 604: 127032.
[15] Liu X, Mashooq K, Szkopec T, et al. Verbesserung der Effizienz der transversal magnetisch polarisierten Emission von LEDs auf AlGaN-Basis durch Verwendung eines photonischen Nanodrahtkristalls[J]. IEEE Photonics Journal, 2018, 10(4): 1-11.
[16] Bhattacharyya A, Moustakas TD, Zhou L, et al. Im tiefen Ultraviolett emittierende AlGaN-Quantentöpfe mit hoher interner Quanteneffizienz[J]. Applied Physics Letters, 2009, 94(18).
[17] Mori T., Nagamatsu K., Nonaka K. et al. Kristallwachstum und p-Typ-Leitfähigkeitskontrolle von AlGaN für hocheffiziente UV-Strahler auf Nitridbasis[J]. physica status solidi c, 2009, 6(12): 2621-2625.
[18] Liu C, Melanson B, Ooi YK, et al. Analyse der Lichtextraktionseigenschaft von AlGaN-basierten Flip-Chip-UV-Leuchtdioden unter Verwendung eines selbstorganisierten SiO2-Mikrokügelchen-Arrays[C]//Galliumnitrid-Materialien und -Geräte XIV. SPIE, 2019, 10918: 39-44.
[19] Zhang H., Zhang W., Zhang S. et al. Verbesserte Zuverlässigkeit einer AlGaN-basierten LED im tiefen Ultraviolett mit modifizierter reflektierender N-Typ-Elektrode[J]. IEEE Electron Device Letters, 2021, 42(7): 978-981.
[20] Wu S. Verbesserte Lichtextraktion und Strahlformung für AlGaN-basierte ultraviolette Leuchtdioden durch Verkapselung[D]. Dissertation, Berlin, Technische Universität Berlin, 2022, 2023.
[21] Wang Y, Lv Z, Qi S, et al. Verbesserung der Lichtextraktionseffizienz von UVC-LED durch SiO2-Antireflexfolie[J]. Kristalle, 2022, 12(7): 928.
[22] Letson BC, Conklin JW, Wass P, et al. Zuverlässigkeit und Degradationsmechanismen von AlGaN-LEDs im tiefen UV[J]. ECS Journal of Solid State Science and Technology, 2023, 12(6): 066002.
[23] Nagasawa Y, Hirano A. Eine Übersicht über AlGaN-basierte Leuchtdioden im tiefen Ultraviolett auf Saphir[J]. Angewandte Wissenschaften, 2018, 8(8): 1264.
[24] Zhang J, Chang L, Zheng Y, et al. Integration eines entfernten Reflektors und eines Lufthohlraums in geneigte Seitenwände, um die Lichtextraktionseffizienz für AlGaN-basierte DUV-LEDs zu verbessern[J]. Optics Express, 2020, 28(11): 17035-17046.
[25] Floyd R., Gaevski M., Alam MD, et al. Eine optothermische Studie von AlGaN-Mikropixel-Leuchtdiodenarrays mit hoher Helligkeit und 280-nm-Emission[J]. Applied Physics Express, 2020, 14(1): 014002.
[26] Lee D, Lee JW, Jang J, et al. Verbesserte Leistung von AlGaN-basierten Leuchtdioden im tiefen Ultraviolett mit nanostrukturierten AlN/Saphir-Substraten[J]. Applied Physics Letters, 2017, 110(19).
[27] Nagasawa Y, Hirano A. Übersicht über Kapselungsmaterialien für AlGaN-basierte Leuchtdioden im tiefen Ultraviolett[J]. Photonics Research, 2019, 7(8): B55-B65.
[28] Hirano A, Nagasawa Y, Ippommatsu M, et al. Entwicklung von AlGaN-basierten LEDs im tiefen Ultraviolett (DUV) mit Schwerpunkt auf der Fluorharzverkapselung und der Aussicht auf praktische Anwendungen[C]//UV und Photonik mit höherer Energie: Von Materialien zu Anwendungen. SPIE, 2016, 9926: 27-39.
[29] Liang S, Sun W. Jüngste Fortschritte in der Verpackungstechnologie von AlGaN-basierten, tief ultravioletten Licht emittierenden Dioden[J]. Advanced Materials Technologies, 2022, 7(8): 2101502.
[30] Nagai S., Yamada K., Hirano A. et al. Entwicklung eines hochbeständigen tief-ultravioletten AlGaN-basierten LED-Multichip-Arrays mit halbkugelförmigen verkapselten Strukturen unter Verwendung eines ausgewählten Harzes durch eine detaillierte Machbarkeitsstudie[J]. Japanisches Journal für Angewandte Physik, 2016, 55(8): 082101.
[31] Muth JF, Brown JD, Johnson MAL, et al. Absorptionskoeffizient und Brechungsindex von GaN-, AlN- und AlGaN-Legierungen[J]. Materials Research Society Internet Journal of Nitride Semiconductor Research, 1999, 4(S1): 502-507.
[32] Park, HJ; Cha, YJ; Kwak, JS Chipgrößenabhängige Lichtextraktionseffizienz für blaue Mikro-LEDs. J. Korean Inst. Elektr. Elektron. Mater. Ing. 2019, 32, 47–52.
[33] Bayneva, II Berechnung und Konstruktion optischer Elemente von Lichtgeräten. Dilemas Contemp. Educ. Política Valores 2019, 6, 58.
[34] Guo, W.; Meng, H.; Chen, Y.; Sun, T.; Li, Y. Monolithische Integration vertikaler Mikro-LEDs auf Waferebene auf Glas. IEEE Photon. Technol. Lette. 2020, 32, 673–676. https://doi.org/10.1109/LPT.2020.2991672.
[35] Rodney WS, Spindler R J. Brechungsindex von Quarzglas für ultraviolette, sichtbare und infrarote Wellenlängen[J]. JOSA, 1954, 44(9): 677-679.
[36] Quickenden TI, Irvin J A. Das ultraviolette Absorptionsspektrum von flüssigem Wasser[J]. The Journal of Chemical Physics, 1980, 72(8): 4416-4428.
[37] Daimon M, Masumura A. Messung des Brechungsindex von destilliertem Wasser vom nahen Infrarotbereich bis zum ultravioletten Bereich[J]. Angewandte Optik, 2007, 46(18): 3811-3820.
[38] Beder EC, Bass CD, Shackleford W L. Transmission und Absorption von Quarzglas zwischen 0,22 μ und 3,5 μ von Raumtemperatur bis 1500 °C[J]. Applied Optics, 1971, 10(10): 2263-2268.
IEEE Xplore-Link: https://ieeexplore.ieee.org/document/10835257
Nehmen Sie Kontakt auf
Letzte Beiträge
-
Der Einsatz von Festkörper-UVC-LED-Wasserdesinfektionssystemen erfordert eine genaue Bewertung der Reaktorhydrodynamik, der Zielwellenlängen und der Quellwasserqualitätsvariablen wie der UV-Durchlässigkeit (UVT). Im Gegensatz zu zerbrechlichen, kontinuierlich brennenden Quecksilberlampen bieten Deep-UV-LEDs eine platzsparende Stellfläche und ein sofortiges Ein-/Ausschalten, das der realen Strömungsdynamik entspricht. Durch die Kopplung von Konstantstromtreibern mit robusten Wärmemanagement-Arrays können Anlagentechniker präzise keimtötende Dosen abgeben, um chlorresistente Krankheitserreger zu neutralisieren. Dieser technische Überblick bietet die Dimensionierungskriterien, Umsetzungsstrategien und Wege zur Einhaltung gesetzlicher Vorschriften, die zur Gewährleistung einer nachhaltigen, chemikalienfreien Biosicherheit erforderlich sind. -
Die Integration der Festkörper-UVC-LED-Technologie in moderne Desinfektionsgeräte erfordert eine gründliche Analyse der Halbleitermechanik, der optischen Leistungsabgabe und des Wärmemanagements. AlGaN-basierte Dioden arbeiten im kritischen keimtötenden Bereich von 200–280 nm und zielen auf die absolute Spitzenabsorptionskurve von Pathogen-DNA und -RNA ab, um eine chemikalienfreie Reinigung zu ermöglichen. Durch die Abkehr von herkömmlichen Quecksilberdampflampen werden giftige Schwermetalle eliminiert, sofortige Einschaltzyklen eingeführt und Flexibilität bei der kompakten Bauweise geboten. Durch die Verwaltung der Sperrschichttemperaturen und die Implementierung robuster Treibersteuerungen können Ingenieure erfolgreich hocheffiziente UVC-LED-Systeme für eine zuverlässige Wasser-, Luft- und Oberflächenbehandlung einsetzen. -
Die Wahl zwischen Festkörper-UVC-LED-Technologie und herkömmlichen Quecksilberdampf-UV-Lampen erfordert einen tiefen Einblick in die Betriebseffizienz, Lebensdauer und Sicherheitskonformität. Während herkömmliche UV-Lampen eine breite Spektrumabdeckung bieten, die für große kommunale Einsätze geeignet ist, liefern UVC-LEDs schmalbandige, einstellbare Wellenlängen (265–280 nm), die die keimtötende Wirksamkeit maximieren. Darüber hinaus verfügen Solid-State-Arrays über Instant-On-Funktionen, eliminieren das Risiko von giftigem Quecksilber und verringern den Wartungsaufwand. Diese technische Bewertung hilft Facility Managern und Ingenieuren, Implementierungsrisiken sicher zu mindern, die Wärmeableitung zu optimieren und erfolgreich auf eine nachhaltige, ozonfreie Ultraviolett-Infrastruktur umzusteigen. -
Die Auswahl eines UVC-LED-Wasserdesinfektionssystems erfordert ein klares Verständnis der Durchflussraten, UV-Dosismetriken und Wasserqualitätsvoraussetzungen, um eine vollständige Inaktivierung von Krankheitserregern sicherzustellen. Die Festkörper-UVC-Technologie bietet eine bedarfsgerechte, quecksilberfreie Alternative zu herkömmlichen Lampen und liefert gezielt keimtötende Wellenlängen ohne chemische Nebenprodukte. Der Erfolg des Systems hängt jedoch stark von der richtigen Vorfiltration zur Bekämpfung von Verschattungen durch Trübung und Mineralablagerungen ab. Durch die Anpassung der Systemkapazität an den Spitzendurchflussbedarf können Einrichtungen in verschiedenen Betriebsumgebungen erfolgreich zuverlässige, energieeffiziente Wasseraufbereitungslösungen einsetzen.
