An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue LED combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance

Aydınlatmanın yeni çağında, ışık yayan diyotların (LED) geleneksel ışık kaynaklarına en verimli alternatif olduğunu kanıtlamıştır. Bununla birlikte, diğer aydınlatma sistemleri ile karşılaştırıldığında, LED'ler daha düşük maksimum çalışma sıcaklığına dayanabilirken, jonksiyon sıcaklığı (Tj) LED'lerin ömrünü, güvenirliğini ve parlaklık performansını belirleyen ana faktörler arasında yer alır. Yüksek güçlü LED'lerdeki termal kaygılar, yalnızca çipin dramatik arızası nedeniyle değil, aynı zamanda ışık performansında yol açtığı düşüşler nedeniyle de kritik önem taşımaktadır. Üretilen ısı ve artan cihaz sıcaklıkları, LED'lerde düşük performansın doğrudan göstergesidir. Isı üretimi esas olarak çip ve fosfor tabakasında meydana gelir ve her iki sıcaklık üretim noktası da iç ve dış kuantum verimliliğindeki azalma nedeniyle ışık çıkışında azalmaya neden olur. Taşıyıcı yüklerin kombinasyonu sırasında oluşan çipteki ısı kayıplarına ek olarak, optik kayıplar da önemlidir. Bir LED'in çalışması sırasında Tj'lığındaki artış ile sistem içerisindeki optik bileşenlerin şeffaflığı bozulur ve ışık soğurma kayıplarına yol açar. Bu da paketteki bileşenlerin bozulmasına ve performans kayıplarına neden olur. Bununla birlikte, yayılan ışığın bir kısmının çip yüzeyinde tekrar yansıması ile oluşan ısı, en yüksek soğurma kayıplarının LED çipinde gözlemlenmesine neden olmaktadır. Dahası, beyaz ışık elde etmek için LED kalıbı üzerine fosfor kaplama yaygın bir uygulama olmasına rağmen, kalıp üzerindeki fosfor kaplı tabakanın soğurma kayıpları ve artan sıcaklığı optik performansı ayrıca olumsuz yönde etkiler. Bu nedenle, fosfor tabakasının kalıptan çıkarılmasının ve yeni bir termal paket tasarımının geliştirilmesinin, optik verimliliği arttıracağı ön görülmektedir. Soğurucu ve yansıtıcı kayıplara ek olarak, paketteki fosfor tabakasının aşağı dönüşümü (down conversion) ve Stokes kaybı da verimlilik düşürücü etkiye sahiptir. Maviden beyaz ışığa dönüşüm sırasında, ışık emisyonun bir kısmı ısı olarak kaybolur ve bu durum ışık emisyon miktarını ve ışık özelliklerini olumsuz etkiler. Yukarıda da özetlendiği gibi, LED'lerin optik performansı termal olarak sınırlı olduğundan, optik verimliliği arttıracak yeni soğutma teknikleri sürekli olarak araştırılmaktadır. Hava soğutma, düşük termal kapasitesi nedeniyle performansı sınırlı olmasına rağmen, kullanılabilirlik, düşük maliyet ve güvenilirlik nedeniyle düşük güçlü LED'lerin soğutulmasında sık tercih edilmektedir. Öte yandan, dolaylı sıvı soğutmanın verimliliği, hava soğutmasına kıyasla çok daha yüksektir; fakat, soğutma performansı, LED'den ısı emiciye ve ısı emiciden hava arasındaki ek arabirimlerden ve ısıl dirençlerden olumsuz etkilenir. Doğal konveksiyonlu bir LED çipinin doğrudan sıvı ile soğutulması, yüksek ısı akışlarına maruz kalan yüksek güçlü LED'ler için umut verici ve uygun maliyetli bir çözüm olarak bulunmuştur. Ek olarak, bu uygulama, bölgesel sıcaklık artışlarına sebep olan yüksek çalışma akımlarında bile termal homojenlik sağlanmasına olanak sağlamaktadır. Bunlara ek olarak, son yıllarda, parçacıkların akış içerisindeki dağınık etkileşimi, bir dizi önemli mühendislik uygulaması ile ilişkilendirilmiştir. Bu uygulamalar arasında, fosforla dönüştürülmüş beyaz LED'lerin (Pc-LED) termal sınırlarını önemli ölçüde artıma potansiyeline sahip olan fosfor parçacıklarının doğrudan sıvı soğutulması fikri henüz tam olarak araştırılmamıştır. Bu nedenle, mevcut LED cihazlarıyla ilgili yukarıda bahsedilen termal, optik ve elektriksel kaygılar göz önüne alındığında, bu tez, deneysel ve hesaplamalı ölçümler yoluyla LED'lerin doğru termal karakterizasyonuna ve Pc-LED'lerin performansını artırmak için YAG:Ce ile birleştirilmiş yeni bir soğutma tekniğine odaklanmıştır. Bu amaçla, öncelikle LED'lerin jonksiyon sıcaklığı ölçümü hakkında kapsamlı bir literatür taraması yapılmıştır. Çalışma mekanizmaları, faydaları, negatif yanları, olasılıkları ve uygulama yöntemlerini ele almak amacıyla çeşitli ölçüm teknikleri ve sistemler incelenmiştir. Literatür taraması bölümü, bu alanda yayımlanmış birçok makaleyi içermekte ve Sıcaklığa Duyarlı Optik Parametreler (TSOP'ler), Optik Yöntemlerle Sıcaklık İzlenimi, Sıcaklığa Duyarlı Elektrik Parametreler (TSEP'ler), ve diğer birkaç yöntemi kapsamaktadır. İdeal olmayan termal kalibrasyon işlemlerinde not edilen bazı düzeltmeler bu bölümde tartışılan konular arasındadır. Ayrıca literatürde kullanılan deneysel parametrelerin özetleri referans olarak verilmiştir. İkinci olarak, literatür taraması çıkarımlarına dayanarak, çalışma altındaki kaplamasız ve kaplamalı LED çiplerinin zamana bağlı optik ve termal davranışlarının deneysel karakterizasyonu için daha doğru ve zaman açısından verimli bir ileri gerilim jonksiyon sıçaklık yöntemi geliştirilmiş ve sunulmuştur. 50 ms'den küçük sinyal süresi için, 1 ile 10 mA aralığındaki sinyal akımlarının, kabul edilebilir bir sıcaklık artışına neden olduğu bulunmuştur. Aksine, 100 mA kadar yükek sinyal akımlarından, 1 ms aralığında uygulanmadığı sürece, kaçınılması gerektiğini önerilmiştir. Ayrıca, kaplamasız LED çiplerin termal sonuçları ve giriş-çıkış güçleri, Tj ve giriş akımı arasındaki ilişkiler ele alındığında, Auger kayıplarının ve termal tasarımdaki ısıl dirençlerinin %35'ten daha yüksek verim elde edimini mümkün kılmadığı gözlemlenmiştir. Buna uygun olarak, optik verimliliği arttırmak ve jonksiyon sıcaklıklarını azaltmak için doğrudan ısı üretim bölgelerini hedef alan doğrudan sıvı soğutma tekniği önerilmiştir. Devamında yapılan deneysel çalışmada, dağılmış fosfor parçacıkları içeren doğrudan sıvı soğutmalı LED paketi hazırlama yöntemi tanıtılmıştır. Paket tasarımının detayları, hazırlanma adımları ve malzeme özellikleri detaylı olarak anlatılmıştır. Bunu takiben, doğrudan sıvı soğutmalı LED paketinin parçacık hızı ölçümleri ile eş zamanlı olarak termal ölçümlere imkân sağlayan bir deney düzeneği kurulmuştur. Sonuç olarak, LED'in 1 A akımda sürüldüğünde Tj ve lens yüzeyine yakın sıcaklıkları 100 °C ve 40 °C olarak ölçülmüştür. Doğrudan sıvı soğutma tekniğini ile daha yüksek sürüş akımlarında daha düşük jonksiyon sıcaklıklara ulaşılarak, yöntemin etkinliği kabul edilmiştir. Ek olarak, fosforun parçacık bazlı incelenmesi sonucunda, mavi ışık ile etkileşimi sonucu parçacıkların 10 kat daha yüksek hızlara ulaştığı gözlemlenmiştir. Bu değişim, optik etkiler dahil edildiğinde parçacık üzerinde etkili olan fotoferez kuvvetine bağlanmıştır. Bu kuvvetin ana sebepleri tartışılmış ve yoğun fotoferez etkisi nedeniyle parçacık ve sıvı hareketindeki değişiklikler not edilmiştir. Bu bölümde sunulan bulguların, parçacık takibi ve ışık yayan parçacıkların kontrolü için gelecekteki çalışmalara öncü olması amaçlanmıştır. Üçüncü olarak, ANSYS Fluent ortamında ayrık faz modelleme yaklaşımı kullanılarak hesaplamalı olarak iki fazlı akış analizleri yapılmıştır. LED paketinin farklı ısı üretim oranlarının etkisi, doğal konveksiyon akımları ve karşılık gelen fosfor parçacık hareketleri dikkate alınarak araştırılmıştır. Doğal konveksiyon akışı içindeki fosforun konumu ve hareketi, kendi kendine ısınma etkisi dahil edilerek ayrıca analiz edilmiştir. Bu amaçla, kendiliğinden ısınan fosfor parçacıklarının ısı transferi, sıvı akışı ve enerji yolları çıkarılmış ve parçacık boyutlarının etkisi ayrıntılı olarak analiz edilmiştir. Sonuçlar, doğrudan sıvı soğutması ile en yüksek fosfor partikül sıcaklığının 147 °C'nin altında kaydedildiğini, daha büyük çaplı parçacıkların aynı sayıda parçacık sayısı için Pc-LED paketine daha yüksek ısı aktarımı yaptığı gösterilmiştir. Ayrıca, parçacıkların boyut ve konuma bağlı olarak farklı yörüngelerde hareket edebildiği ve bunun beyaz ışık etkisi üzerinde etkisi olabileceği tartışılmıştır.