螢火蟲為增加LED亮度帶來靈感

生活科學趣談

螢火蟲如何幫助我們減少碳排放?
一個科學家、去趟中美洲旅行、帶回幾隻螢火蟲,讓燈泡效率提升了50%……
BBC 中文網(繁體) 發佈於 2019年7月15日 星期一

目前白光LED之晶片主要是氮化鎵(GaN)與磷化鎵(GaP)兩種,折射率分別是n = 2.5 與n = 3.45。封裝材料則是環氧樹脂或矽氧烷樹脂,折射率是n = 1.40~1.53。根據Snell’s 定律,光從高折射率材料進入低折射率介質時,若其入射角比臨界角大,光就不會穿透進入另一介而產生 全內反射 現象。由於半導體晶片之高折射率,將使得LED所產生的光若入射角大於逃逸角錐(escape cone)之臨界角時,會在其界面間產生全內反,造成大部分的光線反射回晶片內部而無法有效導出,這些被侷限的光將被材料所吸收而轉換成熱量,這不僅降低了LED的外部取光效率,也會造成LED的壽命降低。

若要增加其效能,在不提高封裝材料的折射率前提下,改變構裝形式就能將光有效的導出元件,從而提升LED的亮度,比如下列的形式:

BCC這則影片中提及的研究團隊研究了螢火蟲腹部發光器表面的細微結構,發現這個部位具有鋸齒狀而交錯排列的鱗片,經由電腦模擬後證實這些鱗片的銳利邊緣可以讓更多的光逸出

螢火蟲的外骨骼主要由幾丁質製成,其折射率為1.56,若光從平坦的幾丁質發射至外界空氣中,全內反射的臨界角 θc=sin-1(1/1.56)=40°。由於超過了這個角度就沒有光從幾丁質傳播到空氣中,所以透光率為(40°/90°)2=0.1975,也就是僅約20%的光可以從入射介質中逸出。下圖則是研究團隊師法自然後,在氮化鎵晶片上所增加的鋸齒狀結構:

在原先的 GaN 平面上堆疊電流散佈層(current spreading layer)與 光刻膠photoresist),然後以雷射來創建出微結構表面。實驗數據顯示在間距p=5μm和鋸齒高度h =6μm時具有最高的外部取光效率,這是因為原先超過臨界角的光線在改變結構後,可以透射至其他的光刻膠中而有再次射進封裝材料的機會。至於這種細微的鋸齒結構非得是直角三角形?左右對稱的等腰三角形不行嗎?Pennsylvania State University 的研究團隊在測試這兩種不同外形的結構後:

發現不對稱的鋸齒結構具有較高的效能,甚至可將光提取效率提高到90%左右

在相同的間距p與鋸齒高度h條件下,若將等腰三角型改成直角三角形,那麼這種不對稱的鋸齒狀有較大的表面積,因此能允許釋放出更多的光。因為邊長p的正三角形兩股和是2p,若底邊不變而改成直角三角形之後,兩股和就會變成 (√3/2)p + (√7/2)p = 2.19p。這是一個有趣的課題,有興趣的同學或許可以拿來當作專題研究的題材,在給定 GaN、光刻膠與封膠材料的折射率條件下,試著推導出這兩種外形的光提取效率理論值。

結論:這種鋸齒狀鱗片的結構修改可以在傳統的LED生產完成之後進行,“我們技術的一個優勢就是它可以覆蓋在幾乎每一個市售LED上”,這篇論文的第一作者 Annick Bay如是說。

資料來源:Optimal overlayer inspired by Photuris firefly improves light-extraction efficiency of existing light-emitting diodes

同場加映

螢火蟲同步耦合現象