吳政明, 袁雙龍, 崔中倪

(1.上海祥羚光電科技發(fā)展有限公司,上海 200331;2.華東理工大學(xué) 材料與工程學(xué)院,上海 200237; 3.上海市稀土協(xié)會(huì),上海 200234)

一種降低藍(lán)光危害的白光LED二次封裝光轉(zhuǎn)換性能評價(jià)研究

吳政明1, 袁雙龍2, 崔中倪3

(1.上海祥羚光電科技發(fā)展有限公司,上海 200331;2.華東理工大學(xué) 材料與工程學(xué)院,上海 200237; 3.上海市稀土協(xié)會(huì),上海 200234)

通過利用創(chuàng)新生產(chǎn)制作的納米稀土熒光粉(YAG)作為二次封裝光轉(zhuǎn)換材料,能夠產(chǎn)生面發(fā)光的發(fā)光體,有效提高LED照明燈具的視覺舒適度,降低光生物危害指標(biāo)值以及解決LED照明的富藍(lán)光和眩光問題.本研究研制的LED二次封裝光轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)熒光罩(板、膜)具有良好的耐溫性能和較強(qiáng)的抗老化性能,提供行業(yè)內(nèi)二次封裝光轉(zhuǎn)換的評價(jià)體系.

LED二次封裝光轉(zhuǎn)換; 視覺舒適度; 光生物危害指標(biāo)值

0 引 言

據(jù)聯(lián)合國環(huán)境計(jì)劃署報(bào)告[1],2010年照明用電占全球總電力需求的15%,信息處理服務(wù)有限公司(IHS)估計(jì),全球照明市場年度總收入接近1萬億美元.電價(jià)的上漲、氣候的變化和能源獨(dú)立的需求是造成全球照明市場轉(zhuǎn)向高效節(jié)能光源方向的主因.根據(jù)最近美國能源部(DOE)的報(bào)告,2010年美國照明消耗電量占總用電量的比例約為18%.至2025年,依靠固態(tài)照明(SSL)技術(shù)可每年節(jié)省電量2.17×108W·h,約為現(xiàn)在美國照明用電量的三分之一,相當(dāng)于節(jié)約能源2.5萬億英熱單位(Btu),這大約等于2025年美國風(fēng)力發(fā)電的總和,或12個(gè)太陽能發(fā)電站發(fā)電量的總和.按照電價(jià)0.1美元一度電計(jì)算,相當(dāng)于每年可節(jié)省2170億美元,相當(dāng)于2 000萬個(gè)美國家庭每年的照明用電.具體來說,預(yù)計(jì)到2025年,半導(dǎo)體照明光源需要實(shí)現(xiàn)200 lm/W,燈具市場滲透率達(dá)60%左右,才能實(shí)現(xiàn)達(dá)到2.17×107MW·h的節(jié)能潛力.最近,CREE和飛利浦先后宣布燈具樣品達(dá)到200 lm/W 的發(fā)光效率,證明達(dá)到高性能水平的可行性.

隨著半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,各種類型、形態(tài)的LED燈具層出不窮,并且迅速進(jìn)入戶外照明和室內(nèi)照明等功能性照明領(lǐng)域[2].現(xiàn)代照明不僅僅是對光的需求,更是對舒適、人性化的光環(huán)境的需求,逾量的光輻射對人類生產(chǎn)、生活環(huán)境會(huì)造成不良影響.由于LED的發(fā)光集中、方向性較強(qiáng),容易在部分區(qū)域的一定方向產(chǎn)生較高的亮度,從而造成眩光、相對較高強(qiáng)度的藍(lán)光溢出現(xiàn)象,嚴(yán)重影響照明效果[3].因此,在設(shè)計(jì)制造LED燈具時(shí),除了考慮LED光源的空間光分布外,還應(yīng)考慮到可能引起的光生物危害指標(biāo)值和眩光問題.

1 實(shí)驗(yàn)工藝方法

1)將稀土熒光粉(YAG)通過特殊的工藝處理,將其粒徑處理至粒徑D90(3 μm),波長550 nm,以提高其激發(fā)效率;

2)根據(jù)燈罩(板)等不同厚度確定混入透明PC料中的熒光粉比例,再根據(jù)透光率要求滲入一定比例擴(kuò)散母粒,擠壓成燈罩(板);

3)確定燈具封裝色溫和熒光罩合成所需色溫?zé)艟?燈具產(chǎn)品參考圖1);

4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1,2所示.

表1 新型低藍(lán)光LED球泡燈與普通LED球泡燈的數(shù)據(jù)比較

表2 新型低藍(lán)光LED日光燈與傳統(tǒng)熒光燈具的數(shù)據(jù)比較

圖1 高效防眩光、低藍(lán)光LED燈具產(chǎn)品圖片

從表3和圖2、3的數(shù)據(jù)可以看出,在筒燈功率、色溫、光效的條件下,通過二次光轉(zhuǎn)換原理,使燈罩(管)形成一個(gè)面光源發(fā)光體,擴(kuò)大了單位面積發(fā)光光子束,有效降低藍(lán)光輻射能量和視網(wǎng)膜熱危害指標(biāo)值,并且明顯提高LED照明燈具的視覺舒適度,同時(shí)也明顯降低了光源的眩光影響.從燈具的材料、燈具的構(gòu)造、燈具的數(shù)量及燈具位置等因素進(jìn)行優(yōu)化組合,能有效解決燈具的眩光現(xiàn)象,提高燈具的視覺舒適度.

表3 教室LED燈具實(shí)測數(shù)據(jù)匯總對比表

注:1)標(biāo)準(zhǔn)值:《DB31/539-2011中小學(xué)校及幼兒園教室照明設(shè)計(jì)規(guī)范》中所列的相關(guān)項(xiàng)目測量標(biāo)準(zhǔn);2)實(shí)測值:經(jīng)國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心現(xiàn)場檢測的使用新型低藍(lán)光LED教室燈具的實(shí)測數(shù)據(jù);3)教室照明LED燈具的眩光等級值為CIE A級,均勻度為0.72;4)教室黑板用LED燈具的效率為88.6%,均勻度為0.87.

圖2 普通燈罩LED燈光強(qiáng)分布圖

圖3 低藍(lán)光LED燈光強(qiáng)分布圖

2 技術(shù)原理

在LED熒光罩(膜)中加入一定比例納米YAG熒光粉通過LED芯片和涂在芯片上的熒光粉一次封裝轉(zhuǎn)換出白光,然后利用一次封裝產(chǎn)生的白光中的藍(lán)光去激發(fā)熒光罩(膜)中的納米YAG熒光粉,再次激發(fā)產(chǎn)生白光從而完成二次光轉(zhuǎn)換,并使熒光罩轉(zhuǎn)換為一個(gè)面光源發(fā)光的發(fā)光體,有效降低了單位面積發(fā)光強(qiáng)度,即有效提高了LED燈具的視覺舒適度,并且降低了光生物危害指標(biāo)值(技術(shù)原理圖參考圖4).

圖4 低藍(lán)光二次封裝光轉(zhuǎn)換原理圖

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前國內(nèi)和國際上規(guī)模較大的知名LED照明企業(yè)約幾十家,工業(yè)總產(chǎn)值超過6萬億元,從芯片研究、裝備制造、LED外延片和芯片制造、大功率封裝、應(yīng)用產(chǎn)品的研發(fā)、中試及生產(chǎn)、產(chǎn)品檢測到市場流通的LED全產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)形成,但是產(chǎn)品欠缺創(chuàng)新設(shè)計(jì)、高科技元素.室內(nèi)照明如LED日光燈、球泡燈等,除高效節(jié)能外,其照明效果與傳統(tǒng)照明產(chǎn)品相比還有很大差距,沒有真正發(fā)揮LED在室內(nèi)、外照明的長處,主要原因就是很多生產(chǎn)廠商沒能真正正確認(rèn)識傳統(tǒng)照明的照明方式和要求的特殊性及光生物危害指標(biāo)值的優(yōu)化[4],只是仿照傳統(tǒng)照明燈具的模樣,認(rèn)為外觀接近、具有高效的發(fā)光體,且配有LED擴(kuò)散罩起均光作用的,就是節(jié)能燈具,而忽略了LED照明的優(yōu)勢.同時(shí)LED擴(kuò)散板(罩)只是對LED芯片發(fā)光光線起到遮蓋、均光和保護(hù)作用,無法有效降低光生物危害指標(biāo)值及直接眩光效應(yīng).對LED背光源(液晶顯示屏等)因其背景光色溫在12 000 K左右,通過擴(kuò)散和均光色溫?zé)o明顯降藍(lán)光作用,會(huì)造成光生物危害指標(biāo)值過高、視覺舒適度較差的問題,在行業(yè)內(nèi)尚無LED二次封裝光轉(zhuǎn)換性能的評價(jià)體系.

4 LED二次封裝光轉(zhuǎn)換的前景和預(yù)測

研究的順利實(shí)施,將提高LED產(chǎn)品的視覺舒適度,大幅降低LED光生物危害指標(biāo)值,其光色質(zhì)量將超越傳統(tǒng)照明和普通的LED照明,有利于LED照明燈具的民用化普及.研究成果產(chǎn)業(yè)化之一就是經(jīng)過國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的測試,是產(chǎn)業(yè)化的先決條件.

5 研究LED二次封裝光轉(zhuǎn)換的性能評價(jià)的實(shí)踐探索

首先,用LED燈具替代傳統(tǒng)照明.在相同的照明條件下,LED燈具比傳統(tǒng)照明燈具節(jié)能60%以上,而且壽命更長,且無污染,但是由于LED照明是由于藍(lán)、黃光復(fù)合為白光,易產(chǎn)生富藍(lán)光現(xiàn)象,且光源為點(diǎn)光源通過光擴(kuò)散罩起到均光作用,直接眩光現(xiàn)象較嚴(yán)重.但是通過二次光轉(zhuǎn)換的熒光罩(膜),能有效降低光生物危害指標(biāo)值,解決LED的眩光及光生物危害問題,明顯提高LED照明燈具及LED背光源的視覺舒適度.

6 結(jié)束語

一種低藍(lán)光LED二次封裝光轉(zhuǎn)換的性能評價(jià)是根據(jù)光生物危害的指標(biāo)值、視覺舒適度及面光源發(fā)光的性能(如照射均勻度、眩光限制、光源顏色、顯色性和反射比等),生產(chǎn)出更加健康、柔和、舒適的LED照明燈具,更符合室內(nèi)照明要求的氣氛、情景、情調(diào)照明,滿足用戶的各種照明要求,其造型也要符合用戶的審美觀.最主要是在符合節(jié)能、高效的前提下,該項(xiàng)技術(shù)的成功研制將會(huì)使我國LED燈具在LED國際市場的競爭中處于優(yōu)勢地位,打開國際市場,同時(shí)這項(xiàng)技術(shù)的成功研制也填補(bǔ)了行業(yè)內(nèi)無二次封裝光轉(zhuǎn)換的性能評價(jià)體系的一個(gè)空白.

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EvaluationinopticalconversionperformanceofawhiteLEDlampsecondaryencapsulationstructurecapableofreducingbluelighthazard

WuZhengming1,YuanShuanglong2,CuiZhongni3

(1.Shanghai Xiangling Technology Development Co.,Ltd.,Shanghai 200331,China;2.School of Materials Science and Engineering,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China;3.Shanghai Association for Rare Earth,Shanghai 200234,China)

Adopting the nanosized YAG (Yttrium Aluminum Garnet) phosphoras the raw material of a white LED lamp secondary encapsulation structure is able to form a surface light source,enhance euphoropsia,reduce the biological hazard,and solve the problems about excess blue light and glare.The as-prepared white LED lamp secondary encapsulation structure has good temperature tolerance and ageing resistance and provides an evaluation system for the optical conversion performance of the secondary encapsulation structure.

white LED lamp secondary encapsulation; euphoropsia; photo biological hazard

10.3969/J.ISSN.1000-5137.2017.06.011

2017-09-27

吳政明(1960-),男,工程師,主要從事LED發(fā)光材料方面的應(yīng)用研究.E-mail:wzm5687@163.com

吳政明,袁雙龍,崔中倪.一種降低藍(lán)光危害的白光LED二次封裝光轉(zhuǎn)換性能評價(jià)研究 [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,46(6):860-864.

formatWu Z M,Yuan S L,Cui Z N.Evaluation in optical conversion performance of a white LED lamp secondary encapsulation structure capable of reducing blue light hazard [J].Journal of Shanghai Normal University(Natural Sciences),2017,46(6):860-864.

TB 34

A

1000-5137(2017)06-0860-05

郁 慧)