LED chip fénykicsatolásának vizsgálata Szanda István 5-öd éve mérnök-fizikus hallgató Koppa Pál dr. docens, BME Atomfizika Tanszék Bakk István, GE Innovation

Motiváció „The World won’t be the same after this crisis.” Norman Jones, a Brit Kormány Pénzügyi tanácsadója A világ energiaigényének 20%-a fordítódik világításra 600 000 000 $ évente

A LED előnyei Robosztus tokozás Halogén lámpa Kompakt fénycső LED 2008 LED 2013? 1 Élettartam 2000 óra 8000 óra 35000 óra 50000 óra Fény-hasznosítás 20 lm/W 63 lm/W 40 lm/W 150 lm/W Robosztus tokozás Gyakori ki-be kapcsolgatás sem teszi tönkre Fénye könnyen fókuszálható Dimmelhetőség Kvázimonokromatikus fény színszűrők nélkül 1. Eric Bretchneider, Efficacy Limits for Solid-State White Light Source, Photonics Spectra, 2007 March

Problémák Drága, ár per lumen (LED: ~10 cent, Kompakt fénycső: ~5 cent) A teljesítmény erősen hőmérsékletfüggő A fehér LED spektruma erősen különbözik a feketetest-sugárzó spektrumától

Kicsatolási hatásfok Félvezetők magas törésmutatóval Anyag Törésmutató nlev=1 nchip=3,4 Félvezetők magas törésmutatóval Anyag Törésmutató GaAs 3,85 GaP 3,35 InP 3,43

Kicsatolási hatásfok < 2 % A magas törésmutató következményei Teljes visszaverődés határszöge: 17o Magas Fresnel-veszteségek Kicsatolási hatásfok < 2 %

Diffrakciós számítások Mérési eredmények, modell érvényessége Modellező rendszer Elektronmikroszkóp Felületi struktúrák MATLAB Diffrakciós számítások ZEMAX Geometriai optika ProSource Mérési eredmények, modell érvényessége

Geometriai optikai modellezés Modellezés eszköze: Zemax Seoul Semiconductor P4 red

Modell ellenőrzése Modell Mért lámpa Radiant Imaging ProSource SSC P4 red Modell Mért lámpa

Zemaxban vizsgált lehetőségek 1. Reflektív felületek 2. Tokozó anyagok (n=1,5)

Vizsgált lehetőségek 3. Chip alakok (abszorpció) 4. Strukturált felület

Kicsatolási hatásfok h~34 % (88 lm/W@620nm) Vizsgált lehetőségek Kicsatolási hatásfok h~34 % (88 lm/W@620nm)

Szabadalom-előkészítés „Patent evaluation board rated to file” Szabadalmi hivatalba beadva

Vektordiffrakciós szimuláció Irodalomkutatás: Mikro-és nanostruktúrák a chip felületén

Chipek SEM Osram Golden Dragon red Philips Flipchip RED SSC P4 red

B. Micro- és nanostruktúrák modellezése Módszer: Rigorous Coupled Wave Analysis Periódikus struktúrák a szubsztrát és a szupersztrát (homogén, lineáris, izotróp) Maxwell-egyenletek megoldása Fourier-térben Tool: Matlab, GD-Calc Toolbox

Eredmények1 h~34%

Eredmények2 h~40%

Eredmények3 ~15%

A geometriai és a fizikai optikai modellezés egyesítése Egységes kicsatolási hatásfok, geometriai és anyagtulajdonságok

A geometriai és a fizikai optikai modellezés egyesítése h~37% (95 lm/W)@620nm (Piacon kaphatók teljes hatásfoka 36-58 lm/W@620 nm)

Összefoglalás, további tervek Geometriai optikai számolás Fizikai optikai számolás A modellek egyesítése Érvényesség alátámasztása goniométeres mérésekkel 95 lm/W kicsatolási hatásfok Tervek: Egy, illetve kétdimenziós, magas diffrakciós hatásfokú rácsok tervezése Fotonikai kristályokat hatékonyan számoló program modellező eszközhöz való csatolása Polarizációs effektusok, polarizált fényforrás

Köszönöm a figyelmet! Publikációk: [1] Szanda I., Koppa P., Bakk I. : “Engineering and characteristaion of nanostructures by photon, ion beam and nuclear methods” Smolenice, http://www.milp.sk/er08/ [2] Szanda I., Koppa P., Bakk I. : LED chip fénykicsatolásának vizsgálata Kvantumelektronika 2008, ISBN 978-963-06-5922-2 [3] Szabadalom publikálás alatt