Enkapsulasi PDMS yang Ditingkatkan Nanopartikel Silika Meningkatkan Output Cahaya dan Performa Termal LED DUV AlGaN
Abstrak
Studi ini memperkenalkan skema enkapsulasi inovatif untuk LED DUV berbasis AlGaN (DUV-LED) yang menggunakan cairan polydimetilsiloksin (PDMS) yang dilingkupi nanopartikel SiO₂ (NP) dan ditutup dengan setengah bola kuarsa transparan UV. LED yang dienkapsulasi memberikan output cahaya yang jauh lebih tinggi daripada desain konvensional: efisiensi ekstraksi cahaya (LEE) meningkat sebesar 66,49% pada 200 mA, dan efisiensi maksimum terjadi ketika PDMS mengandung 0,2 wt% nanopartikel SiO₂. Dibandingkan dengan cairan yang tidak di-dope, konfigurasi 0,2 wt% yang di-dope menghasilkan peningkatan daya output sebesar 15%, sementara performa keseluruhan melebihi enkapsulasi tradisional sebesar 81,49%. Selain itu, struktur ini menurunkan suhu antarmuka sebesar 4 °C pada 200 mA, meningkatkan manajemen termal.
Latar Belakang
LED DUV berbasis AlGaN (200–300 nm) semakin digunakan dalam sterilisasi, pengolahan air, keamanan, dan sensor, menawarkan alternatif bebas merkuri yang andal untuk lampu UV konvensional【1–10】. Output daya yang terbatas berasal dari cacat brondos kuantum, kerugian serapan, dan refleksi internal total (TIR) pada antarmuka safir–udara【15–17】. Meskipun enkapsulasi silikon telah meningkatkan LEE pada LED visibel【18–30】, perangkat DUV masih menderita. Di sini, kami mengusulkan enkapsulasi cairan menggunakan PDMS—nontoksik, stabil kimiawi, dengan indeks bias 1,43 dan transmisi >85% pada 275 nm【31–32】—dan meningkatkannya lebih lanjut dengan menyertakan nanopartikel SiO₂ untuk merambat cahaya dan meningkatkan indeks bias rata-rata.
Metode dan Bahan
Gambar 1 menguraikan urutan fabrikasi: (a) substrat keramik dengan elektroda alumina; (b) chip LED DUV 275 nm terikat pada substrat melalui tekanan panas; (c) rongga pembuka aluminium diposisikan di sekitar chip; (d) cairan PDMS (opsional di-dope dengan nanopartikel SiO₂) diisi ke dalam rongga; (e) lensa kuarsa setengah bola 3 mm × 1,3 mm diletakkan di cincin luar; (f) pemotongan sepanjang garis cetak; dan (g) LED DUV akhir dengan enkapsulasi PDMS yang di-dope nanopartikel. Gambar 2a menunjukkan LED DUV konvensional, sedangkan Gambar 2b menggambarkan desain kami dengan lapisan PDMS yang di-dope nanopartikel SiO₂ dan tutup kuarsa. Kurva transmisi PDMS (Gambar 2c) mengonfirmasi throughput 85% pada 275 nm. Spektra emisi yang diukur dengan bola integrasi SLM-20 (Isuzu Optics) mengonfirmasi puncak dominan 275 nm dengan lebar setengah maksimum 12 nm. Tabel 1 mencantumkan spesifikasi semua komponen.
Langkah fabrikasi: a substrat keramik, b chip LED DUV terikat pada substrat, c piring aluminium terikat pada chip, d binder yang di-dope dispensed ke dalam rongga, e tutup lensa kuarsa, f LED yang sudah dipotong, g perangkat akhir dengan PDMS yang di-dope nanopartikel SiO₂.
Detail enkapsulasi: a flip-chip konvensional, b desain PDMS yang di-dope nanopartikel kami, c transmisi PDMS (200–600 nm), d foto dan spektrum emisi pada 200 mA, e citra TEM nanopartikel SiO₂ 14 nm【26】.
Persiapan nanopartikel SiO₂: dehidrasi 150 °C, pengeringan N₂ 48 jam, ukuran rata-rata 14 nm untuk menghindari aglomerasi.
Hasil dan Pembahasan
Empat varian enkapsulasi dievaluasi (Gambar 3). LED DUV (I) menggunakan pembuka aluminium 60° dengan rongga udara; (II) mengganti udara dengan cairan PDMS; (iii) mengisi rongga dengan sedikit PDMS dan menambahkan setengah bola kuarsa; (iv) mengisi rongga sepenuhnya dengan PDMS dan mencakup tutup kuarsa. Pengukuran bola integrasi menunjukkan bahwa pada 200 mA, (I) menghasilkan 42,07 mW, (II) 36,11 mW (−14,16% karena TIR dalam PDMS), (III) 48,13 mW (+14,39%), dan (IV) 70,05 mW (+66,49%). Output tertinggi terjadi dengan rongga PDMS penuh, menghilangkan celang udara dan memaksimalkan transmisi cahaya. Gambar 3f menjelajahi beban nanopartikel SiO₂ (0, 0,1, 0,2, 0,3 wt%). Pada 200 mA, perangkat 0,2 wt% yang di-dope mencapai 80,58 mW, peningkatan LEE sebesar 15% dibandingkan cairan yang tidak di-dope dan 81,45% dibandingkan dasar (I). Rambatan cahaya dari nanopartikel mengurangi TIR dan meningkatkan ekstraksi. Citra termal (Gambar 4, Tabel 2) mengonfirmasi bahwa struktur PDMS yang di-dope menurunkan suhu antarmuka sebesar 4 °C pada 200 mA, menunjukkan dissipasi panas yang superior.
Perbandingan enkapsulasi: (a) LED DUV (I), (b) LED DUV (II), (c) LED DUV (III), (d) LED DUV (IV), (e) daya output di bawah setiap konfigurasi, (f) output versus konsentrasi nanopartikel SiO₂.
Perbandingan suhu permukaan rata-rata antara LED DUV (I) dan (IV) di seluruh arus.
Kesimpulan
Kami menunjukkan bahwa doping enkapsulasi PDMS dengan 0,2 wt% nanopartikel SiO₂ secara signifikan meningkatkan LEE, mencapai peningkatan output cahaya sebesar 81,45% dan penurunan suhu antarmuka sebesar 4 °C pada 200 mA. Pengurangan TIR dan rambatan tambahan yang diberikan oleh nanopartikel mendasari keuntungan ini. Arsitektur yang kompakt dan efisien termal ini menawarkan rute praktis untuk LED DUV AlGaN berperforma tinggi.
