A novel approach for identification of thermal and optical characteristics for the active layer of high power photonic devices

Önemli miktarda elektriğin dünya genelindeki genel aydınlatma amaçlı kullanımı düşünüldüğünde, ışık yayan diyotların (LED'ler) kullanımı ile yenilenebilir teknolojilerin hayata geçirilmesi her geçen gün daha çok gündeme gelmektedir. Çevre dostu yapısı nedeniyle, LED'ler, verimsiz enerji kullanımını en aza indirmek için zorlu koşullarda dahi umut verici çözümler sunar. Çok sayıda uygulamada yer almaları ile çalışma koşullarında ortaya çıkan zorlu ısıl koşullar, LED'lerin performansını büyük ölçüde etkileyerek önemli bir sorun haline gelmiştir. Işık miktarının azalması, kullanım ömrünün kısalması ve artan sıcaklık seviyeleri ile ışıksal özelliklerinin bozulması, yenilikçi çözümlerle ele alınması gereken kritik konulardır. Özellikle yoğun miktarda ısıl koşullara maruz kalan yüksek güçlü LED'lerde, üretilen ısının standart soğutma yöntemleri ile etkin bir şekilde uzaklaştırılması mümkün değildir. Bugün LED sistemleri otomotiv aydınlatmaları, su arıtma ve cilt görüntüleme gibi farklı alanlar dahil çok sayıda uygulamada geliştirilirken, bu alanda çalışan birçok bilim adamı ve mühendisler daimî olarak üretilen ısı yüklerini azaltmanın ve ışık miktarı ile verimlilik oranını en üst düzeye çıkarmanın yollarını aramaktadır. Son yıllarda geliştirilen mevcut LED sistemleri, %40'lık bir ışıksal verimliliğe ulaşmayı başarmasına rağmen harcanan elektrik enerjisinin büyük bir kısmı hala ısı olarak üretilmekte ve LED'lerin gelişim potansiyellerini engellemektedir. Bununla beraber, LED sistemlerinin kompakt boyutlarda olması, performanslarının güvenilir şekilde düşük ölçüm belirsizlikleri ile tanımlanmasında bazı zorluklar doğurur. Özellikle, sınırlı boyutlardaki bir LED çipi üzerindeki termal yüklerle ilgili performans hususlarını belirlemek, çeşitli çalışma koşullarında çalışan bu sistemlerin etkin karakterizasyonunu gerektirir. Bu amaçla kullanılan tekniklerden biri LED paketinin artan jonksiyon sıcaklığı ile ileri gerilimindeki düşüşünün karakterize edilmesidir. LED'ler daha yüksek birleşme sıcaklıklarında çalıştırılırken, ışığın miktarı ve kalitesi önemli ölçüde azalır ve LED'lerin daha az verimli kullanılması, ek işletme maliyetleri ve LED'lerin kullanım ömrünün kısalmasıyla sonuçlanır. Bu doğrultuda, LED paketlerinin termal davranışının doğru tanımlanması, LED sistemlerinin tasarımının iyileştirilmesine yönelik temel gerekliliklerden biridir. LED'lerin termal karakterizasyonu doğru yapılırsa, LED paketlerinin performans parametreleri mümkün olan en yüksek performans oranlarını elde etmek için daha güvenilir bir şekilde optimize edilir. Literatürde önerilen ve çoğunlukla mavi LED'lerin ölçümlerine odaklanan Tepe Dalga Boyu Kayması, Termal (Kızılötesi) Görüntüleme ve İleri Voltaj Değişimi yöntemleri gibi jonksiyon sıcaklık ölçüm yöntemleri vardır. En güvenilir yöntem, jonksiyon sıcaklığındaki yükselişin bir sonucu olarak LED'in aktif katmanı üzerindeki ileri gerilim düşüşüne dayanan İleri Voltaj Değişim Yöntemi olarak gösterilmektedir. Bu nedenle, bu teknik mevcut çalışmada kullanılan ana yöntem olarak kabul edilmiştir. Yüksek güçlü aydınlatma sistemlerindeki LED'lerin optik davranışı, termal koşullardan önemli ölçüde etkilendiğinden, mevcut sistemleri iyileştirmek için doğru ve güvenilir jonksiyon sıcaklığı ölçümleri, optik ve termal karakterizasyonu gerekmektedir. Endüstride ve literatürde uygulanan güncel jonksiyon sıcaklık ölçümleri, çeşitli çalışmalarda ve kullanıcı uygulama notlarında sorgulanmakta olan bazı varsayımlara dayanmaktadır. Bununla beraber, gelişmiş termal ve optik performansa sahip yüksek güçlü LED'lerin geliştirilmesi için literatürde bazı konuların ele alınması gerekir. Bunlar arasında yüksek güçlü kırmızı, yeşil ve mavi LED'lerdeki farklılıklara yönelik analizler, bir LED paketindeki optik yolun etkisi, optotermal özelliklerin etkileşiminin kapsamlı bir analizi ve çok LEDli sistemlerin güvenilir termal testi sayılabilir. Bu nedenle, bu tez, literatürdeki bu boşlukları doldururken, çok LED'li sistemlerin bağlantı sıcaklığına yeni bir yaklaşım sunmaya ve güvenilir ve hızlı ölçümler gerçekleştiren bir jonksiyon sıcaklığı ölçüm cihazı önermeye odaklanmıştır. Öncelikle, yüksek güçlü LED'lerin termal, optik ve elektriksel özelliklerini belirlemek, bu LED'lerin davranışını anlamak için kritiktir; bu nedenle, bir LED lensinin çip performansı üzerindeki etkisini araştırmak için AlGaInP tabanlı kırmızı bir LED seçilmiştir. Bununla beraber, jonksiyon sıcaklığı ölçümlerinde Termal Görüntüleme yönteminin ölçüm yeteneği, İleri Voltaj Değişimi ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yöntemleriyle karşılaştırılarak değerlendirilmiştir. Bir LED lensin, LED çipinin termal, optik ve elektriksel davranışlarını kritik derecede etkileyebileceği gözlenmiştir. LED lensinin çıkarılması ile kırmızı LED'in normal çalışma koşullarındaki jonksiyon sıcaklığında %3.7'lik bir artış ve optik dönüşüm verimliliğinde %6.1'lik bir düşüş gözlemlenmiştir. Sonuçlar ayrıca mavi bir LED ile karşılaştırılmış ve her bir sürüş akımında kırmızı LED için daha düşük jonksiyon sıcaklıkları ölçülmüştür. Jonksiyon sıcaklıklarındaki fark, daha yüksek sürüş akımlarında daha da belirgin hale gelmiştir. Sonuçlar, maksimum %6.9'luk bir fark ile üç farklı yöntem arasında iyi bir uyum olduğunu göstermiştir. Gerçekleştirilen çalışmalarda, farklı renklerde (Kırmızı, Yeşil ve Mavi) ışınım yapan üç LED'in değişen jonksiyon sıcaklıkları ile birlikte gözlemlenen ileri voltaj düşüşü (Vf) ve optik davranışları karşılaştırılmıştır. Optik güç değerlerinin sıcaklık ile değişiminin, kırmızı LED'lerde mavi ve yeşil LED'lere göre çok daha yüksek olduğu bulunmuştur. Öte yandan, jonksiyon sıcaklığındaki birim değişimde, yeşil bir LED çipi, diğer LED çiplerine kıyasla, en büyük ileri gerilim düşüşünü göstermektedir. Ayrıca, çok LED'li sistemlerdeki jonksiyon sıcaklıklarının ölçümü için İleri Voltaj Değişim Yöntemi'ne yeni bir yaklaşım getirilmiştir. Farklı elektrik koşullarında çalışan beyaz çoklu LED sistemlerinin termal ve optik özelliklerini karakterize etmek için Ulbricht Küresi kullanılmıştır. Sonuçlar, çoklu bir LED sistemindeki elektronik bileşenlerin ürettiği ısı yüklerinin LED'lerin toplam ışıma gücüne ulaşabileceğini ve bir aydınlatma biriminin optik verimliliğini %6.1 oranında azaltabileceğini göstermektedir. Ayrıca LED'lerin jonksiyon sıcaklıklarının devredeki termal koşullardan etkilenebileceği ve ayrı ayrı belirlenmesi gerektiği gösterilmiştir. Çalışmada bölgesel sıcaklık noktalarını tanımlamak için kullanılan termal görüntüleme tekniği, fosfor tabakası üzerinde jonksiyon bölgesinde olduğundan daha yüksek sıcaklıklar göstermiştir. Bu sayede, termal ve optik performansın maksimuma çıkarılması için fosfor tabakasındaki ısıl kontrolün önemi anlaşılmıştır. Sonuç olarak, çalışmada önerilen ölçüm tekniği ve analizi ile daha fazla lümen çıkışına yol açan daha etkili soğutma teknikleri geliştirmek için derin bir anlayış kazanılmıştır. LED'lerin jonksiyon sıcaklığı ölçümlerini yapmak için piyasada çeşitli termal karakterizasyon ve ölçüm cihazları bulunmaktadır. Bununla birlikte, mevcut sıcaklık ölçüm cihazları, sadece jonksiyon sıcaklık ölçümlerine ihtiyaç duyan LED üreticileri, termal mühendisleri ve tasarımcılar için oldukça pahalıdır. Mevcut ürünler, jonksiyon sıcaklığı ölçümü için zamana bağlı ısıl değişime dayanan test tekniğini kullanır. Bu teknik, yüksek örnekleme hızı ve veri toplama çözünürlüğü gerektiren ve ürünün maaliyetini oldukça arttıran termal karakterizasyon işlemlerini içerir. Ayrıca, bahsedilen termal karakterizasyon, bir boyutlu ısı akış yolunun varsayımına dayanan bir ölçüm tekniğine dayanmaktadır. Bununla birlikte, çeşitli LED paketlerde, ısı akısı simetrisini değiştiren fosfor ve lens gibi termal kütleler vardır. Bu sorun ölçüm tekniği ile türetilen yapısal fonksiyonun (structure function) doğru bir şekilde yorumlanmasında zorluklar doğurmakta ve özellikle beyaz LED'lerin jonksiyon sıcaklık ölçümlerinde sınırlamalara yol açmaktadır. Sonuç olarak, gelecek LED teknolojilerinin; güvenilir jonksiyon sıcaklığı ölçümleriyle ısıl, optik ve elektriksel tasarımını büyük ölçüde kolaylaştıran; uygun maliyetli, üretilmesi kolay ve güvenilir sistemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Jonksiyon sıcaklık ölçümlerinde edinilen deneyimlerle, kompakt tasarımlı ve güvenilir yeni bir jonksiyon sıcaklık ölçüm cihazı geliştirilmiştir. Mevcut tez çalışmasında, cihazın tasarım ve üretim süreci kullanılan ölçüm metodolojisi ile birlikte tarif edilmiştir. Isıtma ve soğutma sistemi analizinden sonra, gerekli ısıtma ve soğutma birimleri belirlenmiş ve ilgili sistem tasarımı sunulmuştur. Böylece, uygun maliyetli termal çözümler isteyen kullanıcılara yönelik yüksek verimli hızlı bir ısıtma ve soğutma düzeneği sunulmuştur.