半导体量子点电致发光器件用于航空舱内照明的可行性研究

翟保才 张文君 吴奉炳 于海莲 许 键

(上海理工大学，上海 200093)

1 前言

随着我国航空航天工业的不断发展，对航空舱内的照明系统的要求也越来越高，照明系统的可靠性和安全性是飞行员正确迅速实施各项操作的重要保证。因此，为建立和维持一个稳定、高效、长久的舱内照明环境，必须选择合适的发光单元。

目前，航空舱内照明系统 (如图1所示)主要包括:导光板系统、仪器仪表显示系统及信号系统等，而它们的基本发光单元一般由白炽灯、荧光灯及普通LED等构成。荧光灯具有技术比较成熟，可靠性较高，性能比较稳定，以及发光比较均匀等优点，但是其寿命较短、含汞、有频闪并且显色性较差。相比之下，LED作为一种新型的照明光源，具有高亮度、低功耗、长寿命、不含汞、无频闪、响应快、工作电压低、抗震性强等特点，比较适合航空舱内的照明要求。最近，半导体量子点(Quantum Dot)材料逐渐应用于LED技术中，由于量子点LED具有优异的发光性能，因而研究半导体量子点电致发光器件用于航空舱内照明的可行性是非常有必要的。

图1 航空舱内照明Fig.1 Air cabin lighting

2 航空舱内照明的夜视兼容性要求及发展现状

2.1 夜视兼容性要求

对飞行器而言，航空舱内机载设备的光源、指示灯、显示器等发光部件均要求与夜视成像系统(Night Vision Imaging System)相兼容。所谓的夜视兼容就是指飞行器舱内发光光源发出的光不会与NVIS系统相干涉，并保持舱内裸眼可视环境。而一个未经夜视兼容性设计或设计不良的发光体，会产生裸视环境下的镁光灯效应，导致飞行员失视，甚至导致NVIS系统不能正常工作或破坏［1］。

飞行任务过程中，飞行员需要使用夜视仪来观察舱外的环境和目标，而用肉眼浏览舱内各类显示器和仪表。在使用夜视仪时，飞行员为了能看清仪表指示和其他信号，航空舱内通常用白炽灯、荧光灯及普通LED等提供照明。这些显示仪器的背光源和舱内照明光源除了辐射可见光以外，在近红外区域还有较高的能量辐射 (如图2所示)，这些能量辐射正好与夜视成像系统的光谱响应区域 (如图3所示)相重叠，这可导致光灵敏度极高的夜视仪产生眩晕，进而严重干扰NVIS的使用，甚至使夜视仪完全丧失夜视功能［2］。因此必须开发夜视兼容照明器件，以确保夜视系统的正常使用。

图2 20W普通白炽灯与100W日光灯的光谱响应曲线Fig.2 Curve:20W ordinary incandescent and 100W fluorescent spectral response

图3 Class A，B的相对光谱响应曲线Fig.3 Relative spectral response curves of Class A，B

传统的舱内照明系统大都采用在发光光源前面增加滤波片的方法，来滤除近红外区域多余的辐射光谱。这些滤光片通过材料本身的原子或分子对光谱中感应波段进行吸收，来滤除一定波长范围内的光谱。但是这种方案将会导致夜视兼容照明系统的安全性逐步降低，制造变得比较复杂，成本也越来越高，最终的实用价值往往要大打折扣。因此我们迫切需要研究探讨适合航空舱内一般照明要求，且不用加装滤光片，同时又与NVIS相兼容的新型发光器件。

2.2 夜视兼容照明系统发展现状

国外在夜视兼容照明系统的研制方面起步较早，发展比较迅速，相继开发出一系列兼容性能优异的舱内夜视兼容照明系统［3］、［4］。例如 William T.Campbel、Randy M.Maner等人［5］开发了一种双模式背光系统，通过分别在白天、夜间模式照明的LED前上加装两种不同滤光片的方法，使照明系统完全达到夜视兼容要求。Peter A.Zegar等人［6］开发了一种RGB LED阵列，通过选择不同的颜色的LED作为不同模式下的光源，提供背光照明。

国内也有许多科技人员从事该方面的研究，如吴金华、方俊等人提出了利用不同波长LED组建不用滤光片而与夜视成像系统兼容的照明系统的方案［7］。

但以上所见报道的夜视兼容照明系统中使用的发光光源一般为荧光灯或传统无机LED器件，半导体量子点电致发光器件在航空舱内照明领域的应用还处于空白状态。

3 量子点技术在LED中的应用

量子点是一种尺寸在2～20nm的半导体团簇，又称为半导体纳米晶体，是由Ⅱ—Ⅵ族元素 (如CdSe，CdS，CdTe，ZnSe，ZnS等) 或Ⅲ—Ⅴ族(GaAs，InAs，InP等)元素组成，目前研究较多的是CdSe/(Zn、Cd)S量子点。

半导体量子点纳米晶体材料作为一种新型的荧光材料，具有许多非常出众的优越特性［8］、［9］、［10］、［11］，具体表现在:(1)量子点纳米晶体材料具有非常优良的线性光学性质，同时具有急剧的窄激子吸收特性以及较宽的吸收峰。(2)量子点纳米晶体材料的化学性能非常稳定，荧光效率较高 (90%～95%)，可以经受反复多次激发而不衰减。(3)通过选择纳米晶体材料不同的化学组分以及调整量子点材料的尺寸，可以得到覆盖整个可见光区域的荧光光谱。正是由于半导体纳米晶体材料具有非常特殊的光学特性和荧光机理，最近几年，这种材料在新型LED技术中得到广泛的应用。

现今，随着各国科研人员对量子点技术研究的更加深入，半导体量子点电致发光器件的制作水平已有了显著提高。2007年，V.Wood等人报道的QD LEDs在电流密度为1.6cd/cm2时的最大光亮度为2500cd/m2［12］。2008年L.Kim等人报道的一种RGB QD-LEDs器件，在电流效率为2.3cd/A时，器件的最大光亮度已达15000cd/m2［13］。2011年 Zhanao Tan等人报道的红、黄、绿纯色量子点半导体电致发光器件的最大光亮度分别已达 1200cd/m2、1160 cd/m2、1600cd/m2［14］。 同年， Yu Zhang 等 人 用ZnCuInS/ZnS核/壳量子点制作的白光器件的光亮度达300cd/m2，CIE坐标为 (0.336，0.339)，非常接近于白光中心坐标 (0.333，0.333)，器件的显色指数更是高达92［15］。国内的中科院化学所有机固体室的研究人员制备了红、橙、黄、绿四种颜色的QD-LED器件，其最大亮度分别达到9046 cd/m2、3200 cd/m2、4470 cd/m2和3700 cd/m2，分别为各色光QD-LED文献报道的最高值。但是总体而言，量子点电致发光器件的寿命还不是很高，最好器件寿命也只有10000小时左右，还有很大改进与提升的空间。

4 量子点电致发光器件用于航空舱内照明的可行性分析及测试方案

4.1 可行性分析

由于量子点半导体电致发光器件具有许多优异特性，我们可以把半导体量子点发光器件引入航空舱照明系统中，通过选择不同荧光材料的化学组分以及适当量子点尺寸，来精确控制半导体量子点电致发光器件发射的荧光光谱，逐步消除或减少发光器件在近红外区域的能量辐射，以便制备满足1976 UCS夜视兼容色度图 (如图4所示)中所要求的夜视兼容区域的夜视绿、夜视黄、夜视白等发光器件，例如:

图4 1976 UCS夜视兼容色度图Fig.4 Chromaticity diagram of UCS NVIS compatible lighting in1976

(1)夜视绿器件:可以选择绿光纳米晶体材料来制作量子点绿光器件，使该器件的色坐标在夜视绿A和B范围内，由量子点绿光器件发射的荧光光谱离近红外区域较远，所以非常适合用来制作航空舱内与NVIS相兼容的仪器仪表、警示信号等系统的照明光源。

(2)夜视黄器件:选择黄光纳米晶体材料，来制作色坐标在夜视黄范围内的黄光器件，如航空舱内的跳灯、部分警示灯等。但需要通过精确控制量子点纳米晶体材料的尺寸，使该黄光器件的荧光光谱尽量远离NVIS夜视系统响应区域，以便满足夜视兼容性要求。

(3)夜视白器件:通过调整红绿蓝 (RGB)三基色量子点的化学组分并通过精确控制其尺寸，来制作色坐标在夜视白范围内并且与NVIS相兼容的白光器件，它可以作为航空舱内的导光板照明系统的光源。

(4)夜视红器件:由于红光纳米晶体料的发光光谱距离近红外区域较近，如不加装滤波片，很难得到同使用A类 (625nm)滤光片的夜视系统相兼容器件。

总之，正是由于量子点半导体电致发光器件具有优异的发光性能、极窄的光谱半宽度 (18～25nm)以及可以发射可见光区域内任何光波段的荧光光谱等诸多优点，我们完全可以制作出不用加装滤波片就能与NVIS系统相兼容的发光器件，应用于航空舱内照明系统中。

4.2 夜视兼容指标测试

目前并没有专门制定针对航空航天应用的照明标准，夜视兼容性标准只有国军标1394—92《与夜视成像系统兼容的飞机内部照明》以及美国军用标准MIL-STD-3009。军标中通常采用以下几个参数对座舱照明的夜视兼容性能进行表征［16］:光谱辐亮度夜视兼容NR值、可见透过率及色度;其中NR值与色度为最重要的指标。

(1)NR值的计算方法:

式中 GAorB(λ)——MIL-STD-3009中表四 (五)的A(B)类设备的NVIS相对光谱响应;

S=lr/lm——亮度比例系数，lr为表中规定的NVIS辐亮度所对应的亮度;

lm——由光谱辐射计测量到的亮度;

N(λ)——被测照明器件的光谱响应;dλ取5nm。

把所测出的数据代入式 (1)即可求得器件的NVIS辐亮度值 (NRAorB)。

(2)求色度坐标所用公式和计算方法:

式中 x，y——CIE 1931色度坐标值。

式中 u'，v'——被测产品的1976 UCS色度坐标;

u'1，v'1——特定颜色区域中心点的 1976 UCS色度坐标;

r——规定颜色在1976色度图上允许误差圆区域的半径。

首先测出发光器件的CIE 1931色度坐标，然后再根据公式 (2)和 (3)直接求出它的1976 UCS色度坐标。把所得的相关结果代入公式 (4)中，可以验证被测照明器件的色度坐标是否在夜视兼容照明色度要求范围内。

根据美国军用标准MIL-STD-3009，舱内照明器件NR的值应满足: －1.0≤NR≤1.7E－10，色度应满足图5中对航空舱内夜视照明颜色的规定。可以用夜视测试系统 (OL 770-NVS，Gooch＆Housego)来测试和计算半导体量子点电致发光器件的荧光光谱和NR值 (如图5所示)。

图5 OL 770-NVS夜视测试系统Fig.5 OL 770-NVS Night Vision Test System

4.3 照明指标与测试

在满足图4所示的夜视颜色标准外，航空舱内照明指标还应参考国际照明委员会室内工作场所照明标准。因此，这些航空舱内照明光源的指标还应包括:

(1)光亮度:舱内发光光源亮度的变化会直接影响飞行员的准确判断能力及反应速度。所以，舱内各照明光源需具备合适的亮度，以满足白天、黑夜以及阴雨晴云等各种环境下不同的亮度要求。

(2)色温及显色指数:光源的相关色温描述了光源发光的颜色特性，一般来说可以使用色温在3000K～6000K之间的偏暖光源进行舱内照明。光源的显色指数表明了光源的显色特性，航空舱内照明一般要用显色指数在80以上的光源。

(3)眩光及频闪:光源要求无眩光、无频闪，光源的一致性要好。

(4)寿命及可靠性、安全性。应该选择寿命长、安全可靠的发光器件进行舱内照明。

(5)航天航空特殊环境耐受性测试。由于航空航天任务的特殊性，还需要考虑半导体量子点电致发光器件在恶劣环境下长时间正常工作的可靠性。需要进行飞行过程中加速度与振动冲击测试及高低温环境测试等耐受性试验。

可以用LED光通量积分球测试系统来测试半导体量子点电致发光器件的主波长、峰值波长、光谱半宽度、色温、CIE色度坐标、光亮度、光通量及器件的发光光谱等指标，以便选择合适的半导体量子点电致发光器件，应用于航空舱内照明系统中。

5 展望

半导体量子点发光器件尚存在许多问题需要解决:第一，量子点电致发光器件的外量子效率还比较低。第二，量子点器件的寿命还比较短，将来需要改进芯片结构及封装工艺以提高器件的寿命。第三，器件的色彩一致性较差，这将直接影响到器件的显色指数。第四，现在许多量子点纳米晶材料大都含有镉、铅等重金属，从环保角度出发，将来需要制备不含重金属的量子点发光器件。相信随着量子点材料制备水平及其性能控制技术的不断发展，上述问题将会得到根本性的解决，到那时半导体量子点电致发光器件必将广泛应用于航空舱内照明系统中。

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