半導體量子點電致發(fā)光器件用于航空艙內(nèi)照明的可行性研究

翟保才 張文君 吳奉炳 于海蓮 許 鍵

(上海理工大學，上海 200093)

1 前言

隨著我國航空航天工業(yè)的不斷發(fā)展，對航空艙內(nèi)的照明系統(tǒng)的要求也越來越高，照明系統(tǒng)的可靠性和安全性是飛行員正確迅速實施各項操作的重要保證。因此，為建立和維持一個穩(wěn)定、高效、長久的艙內(nèi)照明環(huán)境，必須選擇合適的發(fā)光單元。

目前，航空艙內(nèi)照明系統(tǒng) (如圖1所示)主要包括:導光板系統(tǒng)、儀器儀表顯示系統(tǒng)及信號系統(tǒng)等，而它們的基本發(fā)光單元一般由白熾燈、熒光燈及普通LED等構(gòu)成。熒光燈具有技術(shù)比較成熟，可靠性較高，性能比較穩(wěn)定，以及發(fā)光比較均勻等優(yōu)點，但是其壽命較短、含汞、有頻閃并且顯色性較差。相比之下，LED作為一種新型的照明光源，具有高亮度、低功耗、長壽命、不含汞、無頻閃、響應快、工作電壓低、抗震性強等特點，比較適合航空艙內(nèi)的照明要求。最近，半導體量子點(Quantum Dot)材料逐漸應用于LED技術(shù)中，由于量子點LED具有優(yōu)異的發(fā)光性能，因而研究半導體量子點電致發(fā)光器件用于航空艙內(nèi)照明的可行性是非常有必要的。

圖1 航空艙內(nèi)照明Fig.1 Air cabin lighting

2 航空艙內(nèi)照明的夜視兼容性要求及發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 夜視兼容性要求

對飛行器而言，航空艙內(nèi)機載設備的光源、指示燈、顯示器等發(fā)光部件均要求與夜視成像系統(tǒng)(Night Vision Imaging System)相兼容。所謂的夜視兼容就是指飛行器艙內(nèi)發(fā)光光源發(fā)出的光不會與NVIS系統(tǒng)相干涉，并保持艙內(nèi)裸眼可視環(huán)境。而一個未經(jīng)夜視兼容性設計或設計不良的發(fā)光體，會產(chǎn)生裸視環(huán)境下的鎂光燈效應，導致飛行員失視，甚至導致NVIS系統(tǒng)不能正常工作或破壞［1］。

飛行任務過程中，飛行員需要使用夜視儀來觀察艙外的環(huán)境和目標，而用肉眼瀏覽艙內(nèi)各類顯示器和儀表。在使用夜視儀時，飛行員為了能看清儀表指示和其他信號，航空艙內(nèi)通常用白熾燈、熒光燈及普通LED等提供照明。這些顯示儀器的背光源和艙內(nèi)照明光源除了輻射可見光以外，在近紅外區(qū)域還有較高的能量輻射 (如圖2所示)，這些能量輻射正好與夜視成像系統(tǒng)的光譜響應區(qū)域 (如圖3所示)相重疊，這可導致光靈敏度極高的夜視儀產(chǎn)生眩暈，進而嚴重干擾NVIS的使用，甚至使夜視儀完全喪失夜視功能［2］。因此必須開發(fā)夜視兼容照明器件，以確保夜視系統(tǒng)的正常使用。

圖2 20W普通白熾燈與100W日光燈的光譜響應曲線Fig.2 Curve:20W ordinary incandescent and 100W fluorescent spectral response

圖3 Class A，B的相對光譜響應曲線Fig.3 Relative spectral response curves of Class A，B

傳統(tǒng)的艙內(nèi)照明系統(tǒng)大都采用在發(fā)光光源前面增加濾波片的方法，來濾除近紅外區(qū)域多余的輻射光譜。這些濾光片通過材料本身的原子或分子對光譜中感應波段進行吸收，來濾除一定波長范圍內(nèi)的光譜。但是這種方案將會導致夜視兼容照明系統(tǒng)的安全性逐步降低，制造變得比較復雜，成本也越來越高，最終的實用價值往往要大打折扣。因此我們迫切需要研究探討適合航空艙內(nèi)一般照明要求，且不用加裝濾光片，同時又與NVIS相兼容的新型發(fā)光器件。

2.2 夜視兼容照明系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

國外在夜視兼容照明系統(tǒng)的研制方面起步較早，發(fā)展比較迅速，相繼開發(fā)出一系列兼容性能優(yōu)異的艙內(nèi)夜視兼容照明系統(tǒng)［3］、［4］。例如 William T.Campbel、Randy M.Maner等人［5］開發(fā)了一種雙模式背光系統(tǒng)，通過分別在白天、夜間模式照明的LED前上加裝兩種不同濾光片的方法，使照明系統(tǒng)完全達到夜視兼容要求。Peter A.Zegar等人［6］開發(fā)了一種RGB LED陣列，通過選擇不同的顏色的LED作為不同模式下的光源，提供背光照明。

國內(nèi)也有許多科技人員從事該方面的研究，如吳金華、方俊等人提出了利用不同波長LED組建不用濾光片而與夜視成像系統(tǒng)兼容的照明系統(tǒng)的方案［7］。

但以上所見報道的夜視兼容照明系統(tǒng)中使用的發(fā)光光源一般為熒光燈或傳統(tǒng)無機LED器件，半導體量子點電致發(fā)光器件在航空艙內(nèi)照明領(lǐng)域的應用還處于空白狀態(tài)。

3 量子點技術(shù)在LED中的應用

量子點是一種尺寸在2～20nm的半導體團簇，又稱為半導體納米晶體，是由Ⅱ—Ⅵ族元素 (如CdSe，CdS，CdTe，ZnSe，ZnS等) 或Ⅲ—Ⅴ族(GaAs，InAs，InP等)元素組成，目前研究較多的是CdSe/(Zn、Cd)S量子點。

半導體量子點納米晶體材料作為一種新型的熒光材料，具有許多非常出眾的優(yōu)越特性［8］、［9］、［10］、［11］，具體表現(xiàn)在:(1)量子點納米晶體材料具有非常優(yōu)良的線性光學性質(zhì)，同時具有急劇的窄激子吸收特性以及較寬的吸收峰。(2)量子點納米晶體材料的化學性能非常穩(wěn)定，熒光效率較高 (90%～95%)，可以經(jīng)受反復多次激發(fā)而不衰減。(3)通過選擇納米晶體材料不同的化學組分以及調(diào)整量子點材料的尺寸，可以得到覆蓋整個可見光區(qū)域的熒光光譜。正是由于半導體納米晶體材料具有非常特殊的光學特性和熒光機理，最近幾年，這種材料在新型LED技術(shù)中得到廣泛的應用。

現(xiàn)今，隨著各國科研人員對量子點技術(shù)研究的更加深入，半導體量子點電致發(fā)光器件的制作水平已有了顯著提高。2007年，V.Wood等人報道的QD LEDs在電流密度為1.6cd/cm2時的最大光亮度為2500cd/m2［12］。2008年L.Kim等人報道的一種RGB QD-LEDs器件，在電流效率為2.3cd/A時，器件的最大光亮度已達15000cd/m2［13］。2011年 Zhanao Tan等人報道的紅、黃、綠純色量子點半導體電致發(fā)光器件的最大光亮度分別已達 1200cd/m2、1160 cd/m2、1600cd/m2［14］。 同年， Yu Zhang 等 人 用ZnCuInS/ZnS核/殼量子點制作的白光器件的光亮度達300cd/m2，CIE坐標為 (0.336，0.339)，非常接近于白光中心坐標 (0.333，0.333)，器件的顯色指數(shù)更是高達92［15］。國內(nèi)的中科院化學所有機固體室的研究人員制備了紅、橙、黃、綠四種顏色的QD-LED器件，其最大亮度分別達到9046 cd/m2、3200 cd/m2、4470 cd/m2和3700 cd/m2，分別為各色光QD-LED文獻報道的最高值。但是總體而言，量子點電致發(fā)光器件的壽命還不是很高，最好器件壽命也只有10000小時左右，還有很大改進與提升的空間。

4 量子點電致發(fā)光器件用于航空艙內(nèi)照明的可行性分析及測試方案

4.1 可行性分析

由于量子點半導體電致發(fā)光器件具有許多優(yōu)異特性，我們可以把半導體量子點發(fā)光器件引入航空艙照明系統(tǒng)中，通過選擇不同熒光材料的化學組分以及適當量子點尺寸，來精確控制半導體量子點電致發(fā)光器件發(fā)射的熒光光譜，逐步消除或減少發(fā)光器件在近紅外區(qū)域的能量輻射，以便制備滿足1976 UCS夜視兼容色度圖 (如圖4所示)中所要求的夜視兼容區(qū)域的夜視綠、夜視黃、夜視白等發(fā)光器件，例如:

圖4 1976 UCS夜視兼容色度圖Fig.4 Chromaticity diagram of UCS NVIS compatible lighting in1976

(1)夜視綠器件:可以選擇綠光納米晶體材料來制作量子點綠光器件，使該器件的色坐標在夜視綠A和B范圍內(nèi)，由量子點綠光器件發(fā)射的熒光光譜離近紅外區(qū)域較遠，所以非常適合用來制作航空艙內(nèi)與NVIS相兼容的儀器儀表、警示信號等系統(tǒng)的照明光源。

(2)夜視黃器件:選擇黃光納米晶體材料，來制作色坐標在夜視黃范圍內(nèi)的黃光器件，如航空艙內(nèi)的跳燈、部分警示燈等。但需要通過精確控制量子點納米晶體材料的尺寸，使該黃光器件的熒光光譜盡量遠離NVIS夜視系統(tǒng)響應區(qū)域，以便滿足夜視兼容性要求。

(3)夜視白器件:通過調(diào)整紅綠藍 (RGB)三基色量子點的化學組分并通過精確控制其尺寸，來制作色坐標在夜視白范圍內(nèi)并且與NVIS相兼容的白光器件，它可以作為航空艙內(nèi)的導光板照明系統(tǒng)的光源。

(4)夜視紅器件:由于紅光納米晶體料的發(fā)光光譜距離近紅外區(qū)域較近，如不加裝濾波片，很難得到同使用A類 (625nm)濾光片的夜視系統(tǒng)相兼容器件。

總之，正是由于量子點半導體電致發(fā)光器件具有優(yōu)異的發(fā)光性能、極窄的光譜半寬度 (18～25nm)以及可以發(fā)射可見光區(qū)域內(nèi)任何光波段的熒光光譜等諸多優(yōu)點，我們完全可以制作出不用加裝濾波片就能與NVIS系統(tǒng)相兼容的發(fā)光器件，應用于航空艙內(nèi)照明系統(tǒng)中。

4.2 夜視兼容指標測試

目前并沒有專門制定針對航空航天應用的照明標準，夜視兼容性標準只有國軍標1394—92《與夜視成像系統(tǒng)兼容的飛機內(nèi)部照明》以及美國軍用標準MIL-STD-3009。軍標中通常采用以下幾個參數(shù)對座艙照明的夜視兼容性能進行表征［16］:光譜輻亮度夜視兼容NR值、可見透過率及色度;其中NR值與色度為最重要的指標。

(1)NR值的計算方法:

式中 GAorB(λ)——MIL-STD-3009中表四 (五)的A(B)類設備的NVIS相對光譜響應;

S=lr/lm——亮度比例系數(shù)，lr為表中規(guī)定的NVIS輻亮度所對應的亮度;

lm——由光譜輻射計測量到的亮度;

N(λ)——被測照明器件的光譜響應;dλ取5nm。

把所測出的數(shù)據(jù)代入式 (1)即可求得器件的NVIS輻亮度值 (NRAorB)。

(2)求色度坐標所用公式和計算方法:

式中 x，y——CIE 1931色度坐標值。

式中 u'，v'——被測產(chǎn)品的1976 UCS色度坐標;

u'1，v'1——特定顏色區(qū)域中心點的 1976 UCS色度坐標;

r——規(guī)定顏色在1976色度圖上允許誤差圓區(qū)域的半徑。

首先測出發(fā)光器件的CIE 1931色度坐標，然后再根據(jù)公式 (2)和 (3)直接求出它的1976 UCS色度坐標。把所得的相關(guān)結(jié)果代入公式 (4)中，可以驗證被測照明器件的色度坐標是否在夜視兼容照明色度要求范圍內(nèi)。

根據(jù)美國軍用標準MIL-STD-3009，艙內(nèi)照明器件NR的值應滿足: －1.0≤NR≤1.7E－10，色度應滿足圖5中對航空艙內(nèi)夜視照明顏色的規(guī)定。可以用夜視測試系統(tǒng) (OL 770-NVS，Gooch＆Housego)來測試和計算半導體量子點電致發(fā)光器件的熒光光譜和NR值 (如圖5所示)。

圖5 OL 770-NVS夜視測試系統(tǒng)Fig.5 OL 770-NVS Night Vision Test System

4.3 照明指標與測試

在滿足圖4所示的夜視顏色標準外，航空艙內(nèi)照明指標還應參考國際照明委員會室內(nèi)工作場所照明標準。因此，這些航空艙內(nèi)照明光源的指標還應包括:

(1)光亮度:艙內(nèi)發(fā)光光源亮度的變化會直接影響飛行員的準確判斷能力及反應速度。所以，艙內(nèi)各照明光源需具備合適的亮度，以滿足白天、黑夜以及陰雨晴云等各種環(huán)境下不同的亮度要求。

(2)色溫及顯色指數(shù):光源的相關(guān)色溫描述了光源發(fā)光的顏色特性，一般來說可以使用色溫在3000K～6000K之間的偏暖光源進行艙內(nèi)照明。光源的顯色指數(shù)表明了光源的顯色特性，航空艙內(nèi)照明一般要用顯色指數(shù)在80以上的光源。

(3)眩光及頻閃:光源要求無眩光、無頻閃，光源的一致性要好。

(4)壽命及可靠性、安全性。應該選擇壽命長、安全可靠的發(fā)光器件進行艙內(nèi)照明。

(5)航天航空特殊環(huán)境耐受性測試。由于航空航天任務的特殊性，還需要考慮半導體量子點電致發(fā)光器件在惡劣環(huán)境下長時間正常工作的可靠性。需要進行飛行過程中加速度與振動沖擊測試及高低溫環(huán)境測試等耐受性試驗。

可以用LED光通量積分球測試系統(tǒng)來測試半導體量子點電致發(fā)光器件的主波長、峰值波長、光譜半寬度、色溫、CIE色度坐標、光亮度、光通量及器件的發(fā)光光譜等指標，以便選擇合適的半導體量子點電致發(fā)光器件，應用于航空艙內(nèi)照明系統(tǒng)中。

5 展望

半導體量子點發(fā)光器件尚存在許多問題需要解決:第一，量子點電致發(fā)光器件的外量子效率還比較低。第二，量子點器件的壽命還比較短，將來需要改進芯片結(jié)構(gòu)及封裝工藝以提高器件的壽命。第三，器件的色彩一致性較差，這將直接影響到器件的顯色指數(shù)。第四，現(xiàn)在許多量子點納米晶材料大都含有鎘、鉛等重金屬，從環(huán)保角度出發(fā)，將來需要制備不含重金屬的量子點發(fā)光器件。相信隨著量子點材料制備水平及其性能控制技術(shù)的不斷發(fā)展，上述問題將會得到根本性的解決，到那時半導體量子點電致發(fā)光器件必將廣泛應用于航空艙內(nèi)照明系統(tǒng)中。

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