一種降低藍光危害的白光LED二次封裝光轉換性能評價研究

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 材料與工程學院,上海 200237; 3.上海市稀土協(xié)會,上海 200234)

一種降低藍光危害的白光LED二次封裝光轉換性能評價研究

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 材料與工程學院,上海 200237; 3.上海市稀土協(xié)會,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值以及解決LED照明的富藍光和眩光問題.本研究研制的LED二次封裝光轉換結構熒光罩(板、膜)具有良好的耐溫性能和較強的抗老化性能,提供行業(yè)內(nèi)二次封裝光轉換的評價體系.

LED二次封裝光轉換; 視覺舒適度; 光生物危害指標值

0 引 言

據(jù)聯(lián)合國環(huán)境計劃署報告[1],2010年照明用電占全球總電力需求的15%,信息處理服務有限公司(IHS)估計,全球照明市場年度總收入接近1萬億美元.電價的上漲、氣候的變化和能源獨立的需求是造成全球照明市場轉向高效節(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年美國風力發(fā)電的總和,或12個太陽能發(fā)電站發(fā)電量的總和.按照電價0.1美元一度電計算,相當于每年可節(jié)省2170億美元,相當于2 000萬個美國家庭每年的照明用電.具體來說,預計到2025年,半導體照明光源需要實現(xiàn)200 lm/W,燈具市場滲透率達60%左右,才能實現(xiàn)達到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到200 lm/W 的發(fā)光效率,證明達到高性能水平的可行性.

隨著半導體照明產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,各種類型、形態(tài)的LED燈具層出不窮,并且迅速進入戶外照明和室內(nèi)照明等功能性照明領域[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)境會造成不良影響.由于LED的發(fā)光集中、方向性較強,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、相對較高強度的藍光溢出現(xiàn)象,嚴重影響照明效果[3].因此,在設計制造LED燈具時,除了考慮LED光源的空間光分布外,還應考慮到可能引起的光生物危害指標值和眩光問題.

1 實驗工藝方法

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燈具(燈具產(chǎn)品參考圖1);

4)實驗數(shù)據(jù),如表1,2所示.

表1 新型低藍光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,通過二次光轉換原理,使燈罩(管)形成一個面光源發(fā)光體,擴大了單位面積發(fā)光光子束,有效降低藍光輻射能量和視網(wǎng)膜熱危害指標值,并且明顯提高LED照明燈具的視覺舒適度,同時也明顯降低了光源的眩光影響.從燈具的材料、燈具的構造、燈具的數(shù)量及燈具位置等因素進行優(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燈具實測數(shù)據(jù)匯總對比表

注:1)標準值:《DB31/539-2011中小學校及幼兒園教室照明設計規(guī)范》中所列的相關項目測量標準;2)實測值:經(jīng)國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心現(xiàn)場檢測的使用新型低藍光LED教室燈具的實測數(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燈光強分布圖

圖3 低藍光LED燈光強分布圖

2 技術原理

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換出白光,然后利用一次封裝產(chǎn)生的白光中的藍光去激發(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換,并使熒光罩轉換為一個面光源發(fā)光的發(fā)光體,有效降低了單位面積發(fā)光強度,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值(技術原理圖參考圖4).

圖4 低藍光二次封裝光轉換原理圖

3 國內(nèi)外同類產(chǎn)品和技術現(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)新設計、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值的優(yōu)化[4],只是仿照傳統(tǒng)照明燈具的模樣,認為外觀接近、具有高效的發(fā)光體,且配有LED擴散罩起均光作用的,就是節(jié)能燈具,而忽略了LED照明的優(yōu)勢.同時LED擴散板(罩)只是對LED芯片發(fā)光光線起到遮蓋、均光和保護作用,無法有效降低光生物危害指標值及直接眩光效應.對LED背光源(液晶顯示屏等)因其背景光色溫在12 000 K左右,通過擴散和均光色溫無明顯降藍光作用,會造成光生物危害指標值過高、視覺舒適度較差的問題,在行業(yè)內(nèi)尚無LED二次封裝光轉換性能的評價體系.

4 LED二次封裝光轉換的前景和預測

研究的順利實施,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二次封裝光轉換的性能評價的實踐探索

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、黃光復合為白光,易產(chǎn)生富藍光現(xiàn)象,且光源為點光源通過光擴散罩起到均光作用,直接眩光現(xiàn)象較嚴重.但是通過二次光轉換的熒光罩(膜),能有效降低光生物危害指標值,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 結束語

一種低藍光LED二次封裝光轉換的性能評價是根據(jù)光生物危害的指標值、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,該項技術的成功研制將會使我國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,同時這項技術的成功研制也填補了行業(yè)內(nèi)無二次封裝光轉換的性能評價體系的一個空白.

[1] 呂新橋.從美國DOE新報告看全球LED照明趨勢 [EB/OL].[2014-05-27].https://club.1688https://club.1688.com/art icle/39277022.htm.

Lyu X Q.Global LED lighting trends from a new DOE report in the United States [EB/OL].[2014-05-27] https://club.1688https://club.1688.com/art icle/39277022.htm.

[2] 劉志勇.LED照明發(fā)展中五個亟待解決的問題——色溫范圍、照明標準、亮度范圍、照明總均勻度和眩光控制 [J].中國照明,2009(5):84-87.

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[3] 孫禮騰.LED燈具眩光特性的研究與評價 [D].杭州:浙江大學,2012

Sun T L.The research and evaluation for LED glare [D].Hangzhou:Zhejiang University,2012.

[4] 方景,肖輝,邴赫亮.城市光污染——LED顯示屏亮度問題的思考 [J].照明工程學報,2013(s1):72-76.

Fang J,Xiao H,Bing H L.Urban light pollution-the thought of LED display screen luminance [J].China Illuminating Engineering Journal,2013(s1):72-76.

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)光材料方面的應用研究.E-mail:wzm5687@163.com

吳政明,袁雙龍,崔中倪.一種降低藍光危害的白光LED二次封裝光轉換性能評價研究 [J].上海師范大學學報(自然科學版),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)