Cairan Polidimetilsiloksan yang Didoping Nanopartikel Meningkatkan Kinerja Optik Dioda Pemancar Cahaya Ultraviolet Dalam Berbasis AlGaN
Abstrak
Makalah ini mengusulkan struktur enkapsulasi baru untuk dioda pemancar cahaya UV dalam (DUV-LED) berbasis aluminium nitrida dan chip flip eutektik yang mengandung cairan polydimethylsiloxane (PDMS) yang didoping dengan SiO2 nanopartikel (NP) dengan penutup kaca hemispherical kuarsa transparan UV. Hasil eksperimen mengungkapkan bahwa struktur enkapsulasi yang diusulkan memiliki daya keluaran cahaya yang jauh lebih tinggi daripada yang tradisional. Efisiensi ekstraksi cahaya meningkat sebesar 66,49% ketika arus maju DUV-LED adalah 200 mA. Doping cairan PDMS dengan SiO2 NP menghasilkan daya keluaran cahaya yang lebih tinggi daripada cairan yang tidak didoping. Efisiensi maksimum dicapai pada konsentrasi doping 0,2 wt%. Daya keluaran optik pada arus maju 200 mA dari struktur enkapsulasi dengan doping NP cairan adalah 15% lebih tinggi daripada tanpa doping NP. Daya keluaran optik dari struktur enkapsulasi yang diusulkan adalah 81,49% lebih tinggi daripada struktur enkapsulasi tradisional. Peningkatan daya keluaran cahaya disebabkan oleh hamburan cahaya yang disebabkan oleh SiO2 NP dan peningkatan indeks bias rata-rata. Suhu enkapsulasi dapat dikurangi sebesar 4 °C pada arus penggerak 200 mA dengan menggunakan struktur enkapsulasi yang diusulkan.
Latar Belakang
Dioda pemancar UV dalam (DUV-LED) berbasis aluminium nitrida dengan chip flip eutektik dan rentang panjang gelombang 200–300 nm telah digunakan dalam teknik pengawetan, keamanan komunikasi, teknik sterilisasi, dekomposisi kimia, pemurnian air, pemurnian udara, deteksi pemalsuan, dan penginderaan [1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]. DUV-LED dianggap sebagai pengganti sumber sinar UV tradisional dalam waktu dekat karena bebas dari merkuri dan sangat andal [11,12,13,14]. Namun, daya keluaran chip flip DUV-LED tetap rendah terutama karena cacat sumur kuantum, penyerapan cahaya, dan refleksi internal total (TIR) pada antarmuka safir-udara [15,16,17]. Efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) dari LED cahaya tampak telah ditingkatkan dengan mengurangi kehilangan TIR menggunakan lapisan enkapsulasi silikon [18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ]. Dalam makalah ini, kami mengusulkan metode enkapsulasi cairan dengan menggunakan polidimetilsiloxane (PDMS) dengan indeks bias tinggi (n = 1.43) dan transmitansi pada panjang gelombang 275 nm. Cairan PDMS memiliki sifat yang sangat baik, seperti tidak beracun dan tahan terhadap oksidasi, bahan kimia, dan panas [31, 32]. Metode enkapsulasi yang diusulkan meningkatkan efisiensi keluaran cahaya DUV-LED dan mengurangi efek buruk LED pada manusia dan lingkungan. Mencampur SiO2 NP ke dalam cairan PDMS juga dapat meningkatkan efisiensi cahaya.
Metode dan Bahan
Gambar 1 menunjukkan skema proses enkapsulasi DUV-LED yang diusulkan yang terdiri dari langkah-langkah berikut:(a) substrat keramik disiapkan dengan alumina sebagai bahan elektroda; (b) chip DUV-LED (panjang gelombang puncak 275 nm) direkatkan ke substrat keramik melalui ikatan tekanan panas; (c) rongga dinding samping reflektor aluminium direkatkan ke substrat keramik DUV-LED, dan chip ditempatkan di tengah bukaan; (d) cairan PDMS disalurkan ke rongga dinding samping reflektor aluminium; (e) pengikat pelapis dan kaca pemancar UV hemisfer dengan diameter 3 mm dan tinggi 1,3 mm ditempatkan pada cincin luar rongga dinding samping reflektor aluminium; (f) masing-masing DUV-LED dipotong di sepanjang garis juru tulis; dan (g) LED-DUV lengkap dengan SiO2 - Struktur enkapsulasi cairan PDMS yang didoping NP diperoleh. Gambar 2a mengilustrasikan DUV-LED konvensional, dan Gambar 2b menunjukkan LED-DUV yang dienkapsulasi dengan cairan PDMS yang diusulkan dalam penelitian ini. Lapisan perantara terdiri dari PDMS yang didoping dengan SiO2 NP. Metode tradisional menggunakan dinding samping keramik vertikal di sisi kiri dan kanan chip flip DUV-LED, kaca planar UV-transmissive di bagian atas, dan udara sebagai media antara chip flip DUV-LED dan kaca. Lapisan tengah dari desain yang diusulkan adalah struktur terenkapsulasi dari SiO2 NP dalam cairan PDMS dengan struktur kaca transmissive UV hemispherical di atas. Gambar 2c memplot transmitansi cairan PDMS pada panjang gelombang yang berbeda seperti yang diperoleh dengan menggunakan sistem pengukuran spektrofotometer optik (Hitachi, Tokyo, Jepang). Grafik menunjukkan bahwa transmisi cairan PDMS adalah 85% pada 275 nm. Gambar 2d menampilkan foto LED-DUV dengan luas permukaan 0,78 × 0,75 mm
2
(Dowa Co. Ltd., Tokyo, Jepang) dan spektrum emisinya ditangkap pada arus maju 200 mA. Panjang gelombang dominan chip adalah 275 nm dengan lebar penuh pada setengah maksimum 12 nm. Semua data diperoleh menggunakan sistem optik SLM-20 yang mengintegrasikan bola (Isuzu Optik, Hsinchu, Taiwan). Tabel 1 mencantumkan spesifikasi (permukaan dan sifat material) dari semua komponen LED-DUV enkapsulasi yang diusulkan.
Pembuatan struktur enkapsulasi DUV-LED:a substrat keramik, b Chip DUV-LED (panjang gelombang puncak, 275 nm) terikat pada substrat keramik melalui ikatan tekanan, c pelat aluminium yang direkatkan ke substrat keramik DUV-LED, d pengikat doping dibagikan ke dalam rongga, e penutup lensa kuarsa ditempatkan pada struktur, f memotong DUV-LED jadi, dan g lengkapi DUV-LED dengan SiO2 -Struktur enkapsulasi cairan PDMS yang didoping NP
Struktur enkapsulasi DUV-LED:a Skema chip flip DUV-LED konvensional, b struktur enkapsulasi dan SiO2 struktur enkapsulasi DUV-LED cairan nanopartikel (NP)–doped polydimethylsiloxane (PDMS), c transmisi cairan PDMS dari 200–600 nm, d foto DUV-LED dan spektrum emisi yang ditangkap pada arus maju 200 mA untuk DUV-LED yang diusulkan, dan e gambar mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi dari SiO2 NP
26
Gambar mikroskop elektron transmisi dari SiO2 NP (silika berasap hidrofobik AEROSIL, Frankfurt am Main, Jerman) disajikan pada Gambar. 2e. NP disiapkan dengan terlebih dahulu menghilangkan kelembaban pada 150 °C dalam oven dan kemudian menempatkan NP di N2 tangki selama 48 h untuk mengeringkan permukaannya. Ukuran rata-rata NP ditetapkan pada 14 nm untuk mencegahnya saling menempel karena kelembapan.
Hasil dan Diskusi
Empat jenis enkapsulasi DUV-LED digunakan dan ditunjukkan pada Gambar. 3. Gambar 3a menunjukkan DUV-LED (I) dengan chip DUV-LED dan dinding samping reflektor aluminium pada sudut 60°. Gambar 3b menunjukkan DUV-LED (II) di mana rongga dinding samping reflektor aluminium diisi dengan cairan PDMS. Gambar 3c menunjukkan DUV-LED (III) di mana rongga dinding samping reflektor aluminium diisi dengan cairan PDMS yang sedikit lebih sedikit daripada di DUV-LED (II) dan dengan penutup kaca pemancar UV hemisferis. Gambar 3d menunjukkan DUV-LED (IV) di mana rongga dinding samping reflektor aluminium terisi penuh dengan cairan PDMS dan penutup kaca transmissive UV hemispherical digunakan. Mengintegrasikan pengukuran bola dilakukan untuk empat jenis enkapsulasi DUV-LED (Gbr. 3e). Ketika arus penggerak chip DUV-LED (I) adalah 200 mA, daya keluaran cahaya adalah 42,07 mW. Sebaliknya, ketika arus penggerak chip DUV-LED (II) adalah 200 mA, daya keluaran cahaya adalah 36,11 mW, yang 14,16% lebih rendah daripada DUV-LED (I). Kondisi ini terjadi terutama karena TIR terjadi ketika cairan PDMS mengisi rongga dinding samping reflektor aluminium. Rasio efisiensi ekstraksi sinar UV yang digabungkan ke dalam cairan PDMS terhadap sinar UV yang digabungkan ke udara diberikan oleh persamaan berikut [12]:
Skema dan perbandingan empat struktur enkapsulasi:a DUV-LED (I), b DUV-LED (II), c DUV-LED (III), d DUV-LED (IV), e daya keluaran cahaya di bawah kondisi enkapsulasi yang berbeda, dan f daya keluaran cahaya dengan SiO berbeda2 Konsentrasi NP (%) dalam cairan PDMS
dimana θc,cairan PDMS dan θc,udara adalah sudut kritis untuk TIR pada antarmuka DUV-LED cairan PDMS dan antarmuka UV-LED udara. Saat arus penggerak chip DUV-LED (III) adalah 200 mA, daya keluaran optiknya adalah 48,126 mW, yang 14,39% lebih tinggi daripada untuk DUV-LED (I). Kondisi ini terjadi terutama karena lensa cekung mengurangi TIR tetapi meningkatkan LEE. Namun, DUV-LED (III) memiliki celah udara, yang menghalanginya untuk memiliki daya keluaran cahaya tertinggi di antara semua perangkat yang dibuat. Ketika arus penggerak chip DUV-LED (IV) adalah 200 mA, daya keluarannya adalah 70,045 mW, yang 66,49% lebih tinggi daripada DUV-LED (I). Struktur enkapsulasi DUV-LED (IV) menghasilkan daya keluaran cahaya tertinggi karena tidak ada celah udara dalam enkapsulasi, sehingga memungkinkan transmisi penuh cahaya DUV dari DUV-LED. Daya keluaran cahaya juga ditentukan untuk enkapsulasi DUV-LED (II), DUV-LED (III), dan DUV (IV) ketika cairan PDMS didoping dengan SiO2 NP (Gbr. 3f). Struktur DUV-LED (I) tidak termasuk dalam perbandingan karena tidak mengandung cairan PDMS. Konsentrasi persentase berat (%) NP ditetapkan ke 0, 0,1, 0,2, dan 0,3 wt%. Ketika arus penggerak chip DUV-LED (IV) adalah 200 mA, daya keluaran cahaya adalah 70,04, 74,32, 80,58, dan 77,44 mW. Jadi, SiO2 Konsentrasi doping NP 0,2 wt% menghasilkan LEE tertinggi. Doping cairan PDMS dengan SiO2 NP meningkatkan jumlah cahaya yang tersebar tetapi menurunkan jumlah TIR. Doping dengan 0,2 wt% SiO2 NP menghasilkan LEE 15% lebih tinggi daripada doping dengan 0 wt% SiO2 NP. Dibandingkan dengan DUV-LED (I), LEE adalah 81,45% lebih tinggi untuk arus penggerak 200 mA. Enkapsulasi DUV-LED dilakukan dengan menggunakan metode manufaktur yang diuraikan pada Gambar. 3. Tabel 2 menunjukkan gambar operasi pada arus penggerak 200 mA dari DUV-LED (IV) dengan doping cairan PDMS pada 0,2 wt% NP SiO2. Gambar 4 memberikan perbandingan suhu antarmuka rata-rata DUV-LED (I) dan DUV-LED (IV) yang mengandung SiO2 Cairan PDMS yang didoping NP pada arus penggerak yang berbeda. Ketika arus penggerak adalah 200 mA, suhu antarmuka di perangkat DUV-LED (IV) adalah 4 °C lebih rendah daripada di perangkat DUV-LED (I), mengungkapkan bahwa struktur enkapsulasi secara efektif melemahkan suhu termal. Tabel 2 menunjukkan peta suhu DUV-LED (I) dan DUV-LED (IV) yang diperoleh menggunakan pencitraan termal inframerah (ChingHsing Co. Ltd., Taipei, Taiwan). Pada arus penggerak 140 mA, DUV-LED (IV) memiliki suhu operasi yang lebih rendah daripada DUV-LED (I). Untuk DUV-LED (I) tanpa cairan PDMS, suhu adalah yang tertinggi di permukaan chip. Hasil pada Gambar 4 dan Tabel 2 menunjukkan bahwa struktur enkapsulasi dengan cairan PDMS yang didoping dengan SiO2 NP memiliki kemampuan pembuangan panas yang unggul.
Ketergantungan suhu permukaan rata-rata DUV-LED (I) dan DUV-LED (IV)
Kesimpulan
Makalah ini mengusulkan metode enkapsulasi baru untuk meningkatkan LEE DUV-LED dengan mendoping cairan PDMS dengan SiO2 NP. Daya keluaran cahaya yang sangat tinggi dicapai dengan menggunakan SiO2 Struktur enkapsulasi cairan PDMS yang didoping NP. Secara khusus, daya keluaran cahaya adalah 81,45% lebih tinggi ketika cairan PDMS didoping dengan 0,2 wt% SiO2 NP ditempatkan di rongga daripada di udara. Peningkatan ini dikaitkan dengan penurunan TIR dan hamburan cahaya tambahan dalam cairan PDMS karena penambahan SiO2 NP. Suhu antarmuka rata-rata adalah 4 °C lebih rendah pada arus penggerak 200 mA. Arsitektur yang diusulkan kompak dan layak untuk membuat DUV-LED berbasis LEE AlGaN tinggi di masa mendatang.
