Immersion cooling of suspended and coated nano-phosphor particles for extending the limits of optical extraction of light emitting diodes

Uzun yıllar akkor lambaların kullanılmasının ardından, yarı-hal ışık kaynaklarının (LED'lerin) sahip oldukları yüksek verim, uzun ömür ve çeşitli renk imkânı sunabilmesi gibi özellikleri sebebiyle özellikle genel aydınlatma olmak üzere birçok uygulamada yer almaktadır. Bununla beraber LED'lerin de tüm elektroniklerde olduğu gibi bazı limitleri mevcuttur. LED'ler de jonksiyon sıcaklığı önemli bir faktör olarak önümüze çıkmaktadır. Ayrıca, LED'lerin ömür ve ışık kalitesinin elde edilmesi ve performansının belirlenebilmesi oldukça önemlidir. Performans ve ışık kalitesinde en önemli etken olan jonksiyon sıcaklığının belirlenmesinde ise kullanılabilecek en önemli parametre ısıl dirençtir dolayısıyla jonksiyon sıcaklığıdır. LED'lerde bu ısıl direncin doğru bir şekilde hesaplanabilmesi ise oldukça zor ve hala tam bir kararlaştırılmış teknik olmamakla beraber, 3 farklı method ile hesaplanabildiği literatürde ki bazı çalışmalarda gösterilmiştir. Normalde, jonksiyon sıcaklığı çok ince sensörlerin jonksiyon bölgesine yerleştirilerek daimi veri alımı ile yapılabilmektedir. Ancak, LED'lerin jonksiyon bölgesi ölçüm sensörlerinden daha ufak olması bu tekniğe imkan sağlamamakla beraber olası bir ölçüm esnadında da ölçülen değerlerdeki hata payı beklenenden fazla olabilecektir. Diğer bir yandan da, GaN yarı iletkenlerinden yapılmış bir LED'den çıkan mavi ışığın beyaza dönüştürülmesi için genelde fosfor malzemesi çip üzerine silikon yardımıyla kaplanır. Bu ışık dönüşümü de kendi içerisinde belli bir verime sahip olduğundan, çalışma esnasında buradaki fosforda oluşan ekstra ısınma bazen buradaki bu silikon yapının erime öncesi yumuşama seviyelerine ulaşabilmektedir. Bu da çip ile elektronik kart arasında elektriksel iletkenliği sağlayan ince tel kabloların kopmasına yol açabilmektedir ve LED çalışmaya devam edememektedir. Bu sebepten jonksiyon sıcaklığının ölçülebilmesinin yanı sıra çip üzerine yapılacak kaplama da kendi içerisinde ayrı bir önem taşımaktadır. Tipik bir 450-470 nm'lik mavi LED çipinden çıkan ışığı beyaza dönüştürmek için genellikle YAG fosforu kullanılmaktadır. Genel kaplama yöntemi ise direk çip üzerine silikon ile sıvı halde döküp orda katılaşmasını sağlamak şeklinde olmaktadır. Bu tekniğe alternatif olarak çip üzerine çipten uzakta bir cam yarım kürenin iç yüzeyine fosfor kaplanması ve elektrik iletkenliği olamayan sıvı dolumu; ve diğer bir teknik olarakta fosfor partiküllerinin bu yarım küre içerisine elektrik iletkenliği olmayan sıvı içerisinde serbest bir biçimde doldurulması düşünülmüştür. Her bir teknik kendi içerisinde ışık çıkışını ve ışık dönüşüm verimini oldukça etkilemektedir. Genel bağlamda, LED'lerde ki kayıpların ilgili yerlerinde ne kadar olduğunun hesaplanması konusunda yeterli çalışma ve korelasyonlar mevcut değildir. Bu çalışma da bu boşluğu doldurabilmek adına sunuyoruz. Bu çalışma da özellikle LED'lerin jonksiyon sıcaklığının ölçülmesi ve sıvı soğutma ile birleştirilmiş farklı fosfor kaplama tekniklerinin kıyaslanması yapılmıştır. Jonksiyon sıcaklığının ölçülmesinde ki en önemli parametre olan ısıl direncin doğru bir biçimde hesaplanabilmesi için literatür de bahsedilen üç farklı method; Raman spektrometresi, Termal kamera ve Voltaj değişim, kullanılmıştır. İlk olarak 465nm'lik bir mavi çipin jonksiyon sıcaklıkları üç method ile çok yakın değerlerle hesaplanabilmiştir. Ardından aynı çip önceden belirlenmiş 4300 CCT değerine göre %13 fosfor ve silikon karışımı ile kaplanarak tekrar ölçülmüştür. Kaplama sonrası yapılan jonksiyon ölçümleri bazı farklılıklar göstermiştir. Termal kamera, silikonun düşük termal iletkenlik katsayısı sebebiyle sebep olduğu merkezde yüksek sıcaklık değerleri okurken; Raman spektrometresi ise kaplama sonrası çipten çıkan yoğun beyaz ışık sebebiyle okunması hedeflenen tepe noktası bu yoğun ışık süzmesi içerisinde kalmakta ve ilgili malzemenin çıkardığı dalga boyundaki tepecik gözlemlenememiştir. Voltaj değişim tekniği ise her iki durum için ise aynı şekilde sıkıntısız ölçüm yapabilmiştir. Jonksiyon sıcaklığının doğru bir biçimde belirlenebilmesi ardından artık sıvı soğutmalı farklı kaplama tekniklerinin kıyaslaması üzerine çalışma devam etmiştir. Daha öncede bahsedildiği üzere fosfordaki ışık dönüşümü esnasında oluşan istenmeyen ısının giderilmesi amacıyla fosfor katmanının çipten uzağa alınması düşünülmüştür. Ardından çip ve fosfor arasına da elektrik iletkenliği olmayan sıvı ile doldurularak optik ve termal etkileri incelenmiştir. Yapılan incelemelerde öncelikli olarak sayısal metotlar kullanılmış ve deneysel ölçümlerle birbirinin kıyaslanması yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, direk çip üstü kaplama (sıvılı ve sıvısız) ve cam yarım küre içine sıvı ile serbest bir biçimde bırakılan fosfor partikülleri durumları yüksek jonksiyon sıcaklıklarına beklenen faydayı sağlayamamakla beraber ışık veriminde de kayda değer sonuçlar elde edilememiştir. Cam yarım küre içine yapılan fosfor kaplaması ve elektriksel iletken olmayan sıvı dolumu sonrası yapılan deneylerde ise jonksiyon sıcaklığında kayda değer derecede soğuma elde edilirken, ışık dönüşüm verimimde ilk duruma kıyasla (sıvı soğutmasız, direk çip üstü fosfor kaplamalı durum için) kıyaslandığında %53 oranında ışık çıkışında artış gözlenmiştir.