Table of Contents

Giriş: LED Verimliliğindeki Sonraki Sınır

Işık Eating Diodes (LEDler) evler, ofisler, sokaklar ve endüstriyel tesislerde baskın aydınlatma teknolojisi haline geldi.Geçmişli ampuller ve son 25 kez daha fazla ışık çıkarma, elektrik kalitesi ve araştırmacılar performans sınırlarını zorlamaya devam ediyorlar. Daha fazla sayıdaki kaplama için en etkili araçlardan biri optik kaplamaların uygulanmasıdır.Bu ince film tabakaları, tam olarak nano ölçekli bir şekilde mühendislikte ışık çıkarmada, ışık çıkarma, yönsüzlük, renk kalitesi ve genel sistem.

Optik Kaplamaları Anlamak

Optik bir kaplama, malzemenin ince bir tabakasıdır - ya da yarı iletken bir şekilde - ışık dalgasını kullanarak, ışıkın bu yüzeydeki ışık nasıl etkilendiğini veya spesifik dalgalarda asitlerin nasıl etkilendiğini değiştirmek için optik bir bileşen yüzeyinden tasarruf ederler.In LEDs, kaplamalar yarı iletken bir lense uygulanır, veya ikincil optik optikler.

Çoğu optik kaplamanın arkasındaki temel ilke Fresnel yansımadır. Bir ortadan ışık seyahat ettiğinde (örneğin, yüksek reraktif indeksle 2.5-3.5) hava (refractive index -1.0), diğerinden geri dönüş dalgaları, büyük ölçüde yansıma ve genişlemeyi artırmak için bir tabakayı ortaya çıkarır.

Basit anti-refleksiyonun ötesinde, optik kaplamalar belirli dalgalar (dielektrik aynaları) yansıtacak şekilde tasarlanabilir veya sadece dar bir bant (gruplar filtreleri), ışık (daha-shaping kaplamaları) ilerleyebilir. LED sistemlerde, bu yetenekler doğrudan daha yüksek ışık, daha iyi renkli kontrol ve daha uzun operasyonel yaşamlara dönüştürür.

LED'lerde kullanılan optik kaplama türleri

LED'lere uygulanan optik kaplamalar, birincil işlevleri tarafından kategorize edilebilir. Her tür ışık nesli veya ekstraksiyon sürecinde belirli bir sınırlamaya hitap eder.

Anti-Reflective Kaplamalar (AR Kaplama)

Anti-reflective kaplamalar LED üretiminde en yaygın kullanılan optik kaplamadır. Tipik bir LED çipin 2,5 (gallium nitride) etrafındaki reraktif indeksi 3,5 (gallium arsen) ile genellikle bir kaplama olmadan, Fresnel yansıma% 20'yi aşabilir, yani üretilen ışıktan bir tane-fifikasyonun bu kaybın% 1'in altına indirilmesi. Modern AR kaplamaları genellikle birden çok tabakadan oluşur.

Yüksek güç LEDlerinde AR kaplamaları, kapalı ışık nedeniyle iç ısıtmayı da azaltır. Daha az yansıyan ışık, çip içinde daha az enerji absorbe edilmesi, daha düşük ısı ve güvenilirlik geliştirmek anlamına gelir.

Yansıt Kaplamalar

AR kaplamaları ışık çıkışına yardımcı olurken, yansıtıcı kaplamalar, ışığın istenen yönde yolculuk yapmasını sağlar. LEDler çiplerden gelen tüm yönlerden ışık yayılır veya çipleri çevreleyen büyük bir kesim, fotonları arkaya veya yüksek çözünürlükte azaltır, genellikle yüksek çözünürlükte 10-30 oranında artar.

çip-ölçekli paketler (CSP) ve flip-çip tasarımları, reflektif kaplamalar, doğrudan substratlar tarafından absorbe edilmesi için çiplere geri entegre edilir.

Filtre Kaplamaları (Wavelong-Seçici Kaplamalar)

Filtre kaplamaları seçici olarak belirli dalgalar iletir. Beyaz LED'lerde, bu genellikle mavi LED'ler sarı fosforlu, filtre kaplamaları çıktı spektrumunu iyileştirebilir. Örneğin, kısa bir süre filtreli yüzeyde, mavi ışıktan absorbe edilebilir, sadece fobik bir ısı olarak yeniden yönlendirilmesini engelleyebilir, böylece dönüşüm verimliliğini artırabilir. Alternatif olarak, optik optikler üzerindeki uzun geçiş filtrelerini kaldırabilir.

Korkunç LEDlerde, filtre kaplamaları, istenmeyen yeşil ve çok boyutlu dalgalar bastırarak belirli kırmızı / mavi oranları sunmak için kullanılır.Bu, anal olarak aktif radyasyonu (PAR) artırır, bitki büyüme verimliliğini artırır.

Işık Ekstraksiyon Kaplamaları (Textured veya Graded-Index Kaplamalar)

Geleneksel ince film müdahalesinin ötesinde, gelişmiş kaplamalar, tüm açı ve dalgalar boyunca yansıyan bir yüzeyden reraktif bir dönüşüm oluşturmak için nanoyapılan yüzeyler kullanır.Bu notlu kaplamalar, beton kaplamalı bir yüzeyle kıyaslanamaz bir yüzeyle kıyaslanabilir.Bu notlama veya nanoimografi gibi teknikleri kullanarak uygulanır.

Koruyucu ve Engel Kaplamaları

Sert optik, koruyucu kaplamalar (örneğin silikon dioksit veya silikon nitride) iki rol hizmet eder. Onlar da, nem, oksijen ve mekanik aşınma katmanını nem, oksijenden ve mekanik bir aşınmadan korurlar, aynı zamanda anti-refleksiyon tabakası olarak hareket ederler.

Optik Kaplamalar LED Verimliliği Nasıl Geliştirilir

Optik kaplamalardan elde edilen verimlilik üç temel mekanizmayla anlaşılabilir: artan ışık ekstraksiyonu, gelişmiş foton geri dönüşümü ve kontrol.

Işık Ekstraksiyonu (LEE)

Tamamen kapalı bir LED'de, yarı iletken hava arayüzündeki iç yansıma, büyük bir ışık parçası. Toplam iç yansıma için kritik açı yüksek refraktif indeks nedeniyle küçükdür. Sadece bu ışık, tüm olay açılarında yüzeyin yansımasını azaltarak çarpabilir; gerisi, genel ışık olarak ısıtılabilir ve kaybolabilir.

Örneğin, kaplama olmadan tipik bir galyum nitride LED sadece% 60-70'lik bir LEE'ye sahip. Yüksek performanslı AR kaplaması bunu% 90'tan daha iyi bir şekilde temsil edebilir, aynı elektrik gücü için ışık çıkışında% 30-50'lik bir artış gösterebilir.

Foton geri dönüşüm ve Parasitik Aborpsiyon Azaltımı

Bazı LED mimariler foton geri dönüşümüne güveniyor - yeni fotonlar üretmek için tuzağa düşen ışıktan inme. Yan duvarların arka tarafına ve yan duvarların en aza indirgenmesine izin veriyor. daha fazla fotonları en üst yüzeyde bir araya getirme şansına izin veriyor, bu geri dönüşüm döngüsü son derece etkili hale geliyor.

Yeniden uzay LEDleri (RCLED) olarak, optik kaplamalar, yakın mükemmel bir ayna olarak, yüksek verimlilik ve dar ⁇ çıkışlarda spontan emisyonu artıran bir Fabry-Pérot boşluğu oluşturmak için integraldir.

Efficacy ve Color Quality için Spectral Shaping

Filtre kaplamaları, üreticilerin spektrumu verimliliğini feda etmeden tertemiz hale getirmelerine izin verir. Örneğin, beyaz bir LED'te, fosfor dönüştürme adım Stokes kaybından muzdariptir (örneğin, mavi fotonlar ve yayılan sarı fotonlar arasındaki enerji farkı) ve istenmeyen aşırı-mavi bileşenler, mavi ışıkları çok pahalıya ekleyen bir dichroic filtresi uygular.

LED'ler için Optik Kaplamalarda Kullanılan Malzemeler

Kaplama malzemelerinin seçilmesi optik performansı, dayanıklılık ve manufacturability içerir: Common Materials şunları içerir:

  • [FONT:0]Silicon dioksit (SiO2)): Low refraktif indeks (~1.45), sert, şeffaf. AR yığınlarında ve koruyucu tabakalarda kullanılır.
  • [FONT=0)Titanium dioksit (TiO2)): Yüksek refraktif indeks (~2.2-2.5), çeyrek dalga AR tabakaları ve DBR aynaları için mükemmel.
  • [FONT:0)Tantalumun pentoksit (Ta2O5) [DFLT:1): Yüksek indeks (~2.1), yüksek performanslı çok katmanlı kaplamalarda sıklıkla kullanılır.
  • [0]CHNT oksit (Al2O3)[Dönetici: Moderate index (~1.65), sağlam bariyer kaplaması. pin delesiz filmler için atom tabakası ile uygulama.
  • [FONT=0)Magnesium flororide (MgF2)[DÜT:1): Çok düşük indeks (~1.38), özel AR kaplamalarında kullanılır, ancak daha az dayanıklı.
  • [Ag) ve alüminyum (Al)[Dönetici: Yüksek yansımalı, görünür aralıkta (>% 95) yüksek yansımalı kaplamalarda kullanılır.
  • [FONT=0)Dielektrikli yığın aynalar [[Dönem: SiO2/TiO2 veya SiO2/Ta2O5'in Farklılıklarını Metalik olmayan %99 oranında yansıtabilir.

LED'lerde Optik Kaplamalar için Depozisyon Teknikleri

Optik bir kaplamanın performansı, ayrıştırma yöntemine eleştirel bir şekilde bağlıdır. LED uygulamalar için kaplama, üç boyutlu çip yüzeyleri üzerinde düzgün bir şekilde uyum sağlamalı ve termal bisiklete (en-40C'dan 150°C'ye kadar otomotiv uygulamalarından) dayanmalıdır.

Fiziksel Vapor Deposition (PVD)

Elektro-beam buharı gibi PVD yöntemleri, presiyonasyona yol açan ve daha düşük çözünürlükte olan, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlük oranlarına sahiptir.For advanced multi-katmanyement (IAD) daha düşük bir kaliteye sahip olabilir, nemlendiriciler ile büyüyen filme yol açar.

Atom Katmanı Deposition (ALD)

ALD, yüksek riskli yüzeylerde bile uygun olmayan kaplamalar ile uyumlu bir şekilde yapılır. ALD, ultratential, self-limiting kimyasal reaksiyonlar ile uyumludur.Influence-standart kalınlık kontrolü, hatta yüksek performanslı LED yüzeylerde bile. ALD giderek daha fazla ultratoksit katmanları için kullanılır (örneğin, Al2O3) ve derecelendirilen-index yapılar için.

Kimyasal Vapor Deposition (CVD) ve Plazma-Enhanced CVD (PECVD)

CVD yöntemleri, silikon bazlı kaplamalar (örneğin, SiO2, SiNx) gazlı öncüler kullanarak, daha düşük sıcaklıklarda çalışır, sıcaklık duyarlı fosfor içeren LED paketlerle uyumlu hale getirir. PECVD silikon nitride bir anti-refleksiyon ve hismetici.

Kimyasal Depozisyon ve Spin Kaplama

Bazı düşük maliyetli, düşük hacimli uygulamalar için, kaplamalar, çipin kendisi yerine ikincil optikler için uygulanabilir. Ancak bu yöntemler yüksek performanslı LEDlerde daha az yaygındır.

Doktor Blade ve Slot-Die Kaplaması Büyük Area Optik için

Büyük fosfor fosforlu kapakları veya ışık kılavuz plakaları için, doktor bıçak ve slot-die yöntemleri yüksek bir bağlantı sunar.Bu, bir bıçak bir kaplamada bir kaplamanın yayıldığı mekanik süreçtir. Ancak, kaplamalar kalın ve daha az kesindir.

LED Sistemlerinde Optik Kaplamaların Faydaları

Düzgün tasarlanmış ve uygulanırken, optik kaplamalar, maliyetinin neredeyse tüm yüksek performanslı LED ürünlerinde haklı çıkarabilecek bir dizi sayısal avantaj sağlar.

  • [FONT:0) Yüksek luminous etkinliği (lm/W))[Tek başına standart LEDlerde% 10-20 oranında etkinliği artırabilir; kombine yansıtıcı ve filtre kaplamaları elde edebilir >% 30 daha parlak ışık için bu aynı güç veya daha düşük enerji tüketimi için aynı parlaklık için verir.
  • [FONT:0)Enhanced ışık geri çekilme küçük cipsden ): Boyutta çipli paketler için LED'ler küçüldüğü gibi, yüzeysel-volume oranı artar, yüzeysel yansıma kayıpları daha önemli hale getirir.
  • [FONT=0)Better renk tutarlılığı[[[Dönetici: Filtre kaplamaları emisyon genişliğini daraltabilir veya istenmeyen ⁇ bileşenleri bastırabilir, sıkı renkli akup ve yüksek CRI değerlerine yol açabilir (90+).
  • [FONT:0)Redüklenmiş glare ve geliştirilmiş kiriş kontrolü): Orta optik optik optiklerdeki reflektif kaplamalar, ışık dağılımını azaltın ve gerekli olan kiriş yoğunluğunun azaltılması. Bu, sokak aydınlatması, otomotiv kafaları ve görev aydınlatması için kritik.
  • [FONT:0] ⁇ yönetimi[[Dönetici: 1 ): Gürültü içinde ısıyı kapatarak, kaplamalar, kavim ısısını azaltır. 10°C azaltımı LED yaşam süresini ikiye katlayabilir. Ayrıca, metal-core baskılı devre tahtaları üzerinde yansıtıcı kaplamalar (MCPCB) termal radyasyon yolları geliştirir.
  • [FONT=0) Çevre bozulmasına karşı koruma [[DÜDÜT 1: 1): Hermetic kaplamalar, fosfor bozulmasına ve korozyona neden olan nefsforun bozulmasına ve kontakt optik ile ışık LED luminaireler, 50.000 saat sonra% 70-80 oranındaki bakımda % 70-80 oranında tasarruf sağlar.

Meydanlar ve Sınırlar

Açık faydalara rağmen, optik kaplamalar sihirli bir mermi değildir. Birkaç pratik zorluk ele alınmalıdır:

Maliyet ve İmalat Kompleksi

Vakum tahsis ekipmanları pahalıdır ve çok katmanlı kaplamalar, yüksek çözünürlükte ( + / 2nm) düşük maliyetli tüketici LEDler için, ek bir AR kaplama maliyetinin özellikle alternatif stratejiler (örneğin yüksek çözünürlükte kaba şekilde) uygun olması gerekir.

Durability and Adhesion

Kaplamalar LED'in yaşam boyu hayatta kalmak zorundadır - örneğin 50.000 ila 100.000 saat - yüksek sıcaklıklara maruz kalma, nem ve bazı durumlarda, UV radyasyonu çiplerden. Delamination veya mikro-cracking, termal genişleme katsayısının çok büyük olduğu durumlarda gerçekleşebilir. Advanced adhesion katmanları (e.g.

D ve Wavelong Bağımlılığı

Standart çeyrek dalga AR kaplamaları normal bir inekler ve dar bir dalga grubu için optimize edilir. LEDs geniş bir açı yelpazesini (Lambertian dağıtım) ve tam görünür spektrumda. Bu, kaplama performansının oblique açılarında veya spektrumdaki kenarlarda düşmesi anlamına gelir. Multi-katli tasarımları ve sınıflanmış-index kaplamalar bunu hafifletebilir, ancak karmaşıklaştırır.

Phosphor Interaction

Yüzeyler doğrudan bir fosfor tabakasının üstünde uygulanırken (ya da uzaktan fosfor konfigürasyonlarında olduğu gibi), fotoly şeffaf ve termal olarak stabil olmalıdır. fosforun kendisi genellikle bir silikon binderinde bir seramik tozudur ve bu kadar sert bir film kaplama uygular, göz ardı edilebilir yüzey zor.

Özel LED Sektörlerdeki Optik Kaplamaların Uygulamaları

General Illumination (Residential and Commercial)

Düşük ışıklarda, ışıklar ve panel ışıkları, optik kaplamalar, etkinliğini geliştirmek ve sıkı enerji düzenlemeleri (örneğin, ABD DOE'nin minimum etkinlik gereksinimleri) kullanarak kore veya lens azaltılırken, konuttaki yansıma kaplamaları en aza indirmek için kullanılır. Filtreleme kaplamaları, 2700K'dan 6500K'ye kadar çoklu fosfor tiplerini kullanmadan korelasyonelasyonel renk ısısını ayarlayabilir.

Otomotiv Aydınlatma

Otomotiv LED kafalamları ve kuyruk ışıkları aşırı güvenilirlik (termal bisiklet, vibrasyon) ve optik hassas. Kaplamalı reflektörler (NHTSA) ve Avrupa düzenlemeleri, yalnızca kapılabilir optik elementler, genellikle yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan ve Avrupa kontrolleri ile donatılmıştır.

Horticultural Aydınlatma

LED'te ışıklar, belirli dalga boyun eğlendirici kaplamalarda verimlilik (kırmızı 660nm, mavi 450nm, çok fazla 730 730nm) aşırı derecede yüksek foton Fluxe izin veren kaplamalar, kaplamalı horticultural LED'lerin ürün verimini yüksek çözünürlükte yüzde 15-30 oranında artırabileceği ve yansıtmaz kaplamalar ile iyileştirebileceğini göstermiştir.

Visible Light Communication (VLC) ve Li-Fi

İletişim uygulamaları için, LED'ler yüksek modulation bant genişliği ve stabil ⁇ şekline sahip olmalıdır. Optik kaplamalar parasitik kayıplar azaltır ve çevre ışığında sinyal-noise oranını geliştirmek için dar bir filtre içerebilir. yüksek hız ve yüksek verimlilik kombinasyonu VLC LEDs için özel kaplamalar ile araştırma yapıyor.

UV LED Dezenfeksiyon ve Curing

Deep-UV LED'ler (280nm ve daha kısa) giderek su sterilizasyonu ve yüzey dezenfeksiyonu için kullanılır. Ancak bu dalgalar, ortak ambalaj malzemelerinin yüksek absorpsiyon nedeniyle çiplerden kaçmakta zorluk çeker. Özel olarak UV kaplamaları için tasarlanmış AR kaplamaları (Al2O3 ve HfO2), hafif çıkışı kullanarak UV LED'leri ticari olarak uygulanabilir hale getirebilir. Ayrıca, UV absorpsiyonunu arka tarafta ön planda tutarak UV absorpsiyonunu önleyecek olan UV ışınlarına karşı dayanıklıdır.

Future Yol ve Kesme-Edge Araştırma

LED'ler için optik kaplamalar alanı hızla gelişmektedir. Birkaç ortaya çıkan trend, LED verimliliğini teorik sınırlara zorlamaya söz veriyor.

Kaplama Tasarımı için Makine Öğrenme

Geniş geniş çaplı bir operasyon için çok katmanlı kaplamalar karmaşık bir ters problemdir. Araştırmacılar şimdi tabaka kalınlığını ve malzeme seçimlerini optimize etmek için sinir ağları ve genetik algoritmaları kullanıyor.Bu algoritmaları hızla milyonlarca tasarım kaplamalarını keşfedebilir, en uygun 10 katlık bir çatıyı sadece 7 katla eşleştirir, üretim karmaşıklığı ve performansını azaltır. Örneğin, *Scientific Reports*[FLT])

Metasurface Optik Kaplamalar

İnce film müdahalesine güvenmek yerine, metasurfaces, her açıdan ve aynı anda laboratuvarda, [[Düşüklü LEDler ve ışık kutuplaşmaları.Bir LED üzerinde metasurface kaplama, bir LED ekstraksiyonda ve aynı anda her açıdan, istenen bir modele ışık tutabiliyor.

Kuantum Dot İneklerle Bütünleşme

Kuantum noktaları (QD) geniş-gamut ekranları ve yüksek-CRI aydınlatmaları için olağanüstü renkli saflık sunar. Ancak QDs, oksijen ve nemk bariyerler ve AR tabakaları aynı anda 100'e yaklaşmakta olan LED'lere karşı hassastır.

Kendi kendini kınayan

Sert ortamlarda (geçmiş, otomotiv), mikro-kahkahalar zaman içinde optik kaplamalar oluşturabilir. Araştırmacılar, UV ışığa veya ısıya maruz kaldığı zaman kendini tanımlayan polimerleri keşfederler. Örneğin, aÖRT:0) *Derin kağıt *Derin Kimyası A*), mekanik hasarlara maruz kalan mikrokapa bazlı bir kaplamayı, bu tür kaplamaları önemli ölçüde genişletemezken, bu tür kaplamalar, aşırı koşullarda LED'lerin ömrünü uzatabilir.

Atom Katmanı Kitle Üretimi için Depozisyon

ALD şu anda niş uygulamalarda kullanılıyor, ancak uzaysal ALD ve roll-toroll ALD sistemlerinin gelişimi ile, bağlantıdaki ve optik kaplama uygulamaları için PVD'nin maliyeti ve hızıyla eşleşmesi mümkün.If ALD, hem koruyucu hem de optik katmanlar için standart haline gelebilir, Beneq ve Picosun tedarik sanayi ALD ekipmanlarını yarı iletken ve optik kaplama uygulamaları için sunmaktadır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Optik kaplamalar zaten LED aydınlatma üzerinde önemli bir etki yarattı, daha yüksek efficacies, daha iyi renkli kaliteyi ve daha uzun ömürler. Temel anti-reflection katmanların sofistike metasurfaces'a yatırım yapmasına izin vermek, bu ince filmler aydınlatma mühendisleri için vazgeçilmez bir araçtır.In teknoloji ilerlemeleri - AI-güdümlü tasarım, yeni malzemeler ve ölçeklenebilir ayrıştırılabilir ayrıştırma yöntemleri – performans tavanı da kaldırılacak.