一种降低蓝光危害的白光LED二次封装光转换性能评价研究

吴政明, 袁双龙, 崔中倪

(1.上海祥羚光电科技发展有限公司,上海 200331;2.华东理工大学 材料与工程学院,上海 200237; 3.上海市稀土协会,上海 200234)

一种降低蓝光危害的白光LED二次封装光转换性能评价研究

吴政明1, 袁双龙2, 崔中倪3

(1.上海祥羚光电科技发展有限公司,上海 200331;2.华东理工大学 材料与工程学院,上海 200237; 3.上海市稀土协会,上海 200234)

通过利用创新生产制作的纳米稀土荧光粉(YAG)作为二次封装光转换材料,能够产生面发光的发光体,有效提高LED照明灯具的视觉舒适度,降低光生物危害指标值以及解决LED照明的富蓝光和眩光问题.本研究研制的LED二次封装光转换结构荧光罩(板、膜)具有良好的耐温性能和较强的抗老化性能,提供行业内二次封装光转换的评价体系.

LED二次封装光转换; 视觉舒适度; 光生物危害指标值

0 引 言

据联合国环境计划署报告[1],2010年照明用电占全球总电力需求的15%,信息处理服务有限公司(IHS)估计,全球照明市场年度总收入接近1万亿美元.电价的上涨、气候的变化和能源独立的需求是造成全球照明市场转向高效节能光源方向的主因.根据最近美国能源部(DOE)的报告,2010年美国照明消耗电量占总用电量的比例约为18%.至2025年,依靠固态照明(SSL)技术可每年节省电量2.17×108W·h,约为现在美国照明用电量的三分之一,相当于节约能源2.5万亿英热单位(Btu),这大约等于2025年美国风力发电的总和,或12个太阳能发电站发电量的总和.按照电价0.1美元一度电计算,相当于每年可节省2170亿美元,相当于2 000万个美国家庭每年的照明用电.具体来说,预计到2025年,半导体照明光源需要实现200 lm/W,灯具市场渗透率达60%左右,才能实现达到2.17×107MW·h的节能潜力.最近,CREE和飞利浦先后宣布灯具样品达到200 lm/W 的发光效率,证明达到高性能水平的可行性.

随着半导体照明产业的不断发展,各种类型、形态的LED灯具层出不穷,并且迅速进入户外照明和室内照明等功能性照明领域[2].现代照明不仅仅是对光的需求,更是对舒适、人性化的光环境的需求,逾量的光辐射对人类生产、生活环境会造成不良影响.由于LED的发光集中、方向性较强,容易在部分区域的一定方向产生较高的亮度,从而造成眩光、相对较高强度的蓝光溢出现象,严重影响照明效果[3].因此,在设计制造LED灯具时,除了考虑LED光源的空间光分布外,还应考虑到可能引起的光生物危害指标值和眩光问题.

1 实验工艺方法

1)将稀土荧光粉(YAG)通过特殊的工艺处理,将其粒径处理至粒径D90(3 μm),波长550 nm,以提高其激发效率;

2)根据灯罩(板)等不同厚度确定混入透明PC料中的荧光粉比例,再根据透光率要求渗入一定比例扩散母粒,挤压成灯罩(板);

3)确定灯具封装色温和荧光罩合成所需色温灯具(灯具产品参考图1);

4)实验数据,如表1,2所示.

表1 新型低蓝光LED球泡灯与普通LED球泡灯的数据比较

表2 新型低蓝光LED日光灯与传统荧光灯具的数据比较

图1 高效防眩光、低蓝光LED灯具产品图片

从表3和图2、3的数据可以看出,在筒灯功率、色温、光效的条件下,通过二次光转换原理,使灯罩(管)形成一个面光源发光体,扩大了单位面积发光光子束,有效降低蓝光辐射能量和视网膜热危害指标值,并且明显提高LED照明灯具的视觉舒适度,同时也明显降低了光源的眩光影响.从灯具的材料、灯具的构造、灯具的数量及灯具位置等因素进行优化组合,能有效解决灯具的眩光现象,提高灯具的视觉舒适度.

表3 教室LED灯具实测数据汇总对比表

注:1)标准值:《DB31/539-2011中小学校及幼儿园教室照明设计规范》中所列的相关项目测量标准;2)实测值:经国家灯具质量监督检验中心现场检测的使用新型低蓝光LED教室灯具的实测数据;3)教室照明LED灯具的眩光等级值为CIE A级,均匀度为0.72;4)教室黑板用LED灯具的效率为88.6%,均匀度为0.87.

图2 普通灯罩LED灯光强分布图

图3 低蓝光LED灯光强分布图

2 技术原理

在LED荧光罩(膜)中加入一定比例纳米YAG荧光粉通过LED芯片和涂在芯片上的荧光粉一次封装转换出白光,然后利用一次封装产生的白光中的蓝光去激发荧光罩(膜)中的纳米YAG荧光粉,再次激发产生白光从而完成二次光转换,并使荧光罩转换为一个面光源发光的发光体,有效降低了单位面积发光强度,即有效提高了LED灯具的视觉舒适度,并且降低了光生物危害指标值(技术原理图参考图4).

图4 低蓝光二次封装光转换原理图

3 国内外同类产品和技术现状分析

目前国内和国际上规模较大的知名LED照明企业约几十家,工业总产值超过6万亿元,从芯片研究、装备制造、LED外延片和芯片制造、大功率封装、应用产品的研发、中试及生产、产品检测到市场流通的LED全产业链已经形成,但是产品欠缺创新设计、高科技元素.室内照明如LED日光灯、球泡灯等,除高效节能外,其照明效果与传统照明产品相比还有很大差距,没有真正发挥LED在室内、外照明的长处,主要原因就是很多生产厂商没能真正正确认识传统照明的照明方式和要求的特殊性及光生物危害指标值的优化[4],只是仿照传统照明灯具的模样,认为外观接近、具有高效的发光体,且配有LED扩散罩起均光作用的,就是节能灯具,而忽略了LED照明的优势.同时LED扩散板(罩)只是对LED芯片发光光线起到遮盖、均光和保护作用,无法有效降低光生物危害指标值及直接眩光效应.对LED背光源(液晶显示屏等)因其背景光色温在12 000 K左右,通过扩散和均光色温无明显降蓝光作用,会造成光生物危害指标值过高、视觉舒适度较差的问题,在行业内尚无LED二次封装光转换性能的评价体系.

4 LED二次封装光转换的前景和预测

研究的顺利实施,将提高LED产品的视觉舒适度,大幅降低LED光生物危害指标值,其光色质量将超越传统照明和普通的LED照明,有利于LED照明灯具的民用化普及.研究成果产业化之一就是经过国家灯具质量监督检验中心的测试,是产业化的先决条件.

5 研究LED二次封装光转换的性能评价的实践探索

首先,用LED灯具替代传统照明.在相同的照明条件下,LED灯具比传统照明灯具节能60%以上,而且寿命更长,且无污染,但是由于LED照明是由于蓝、黄光复合为白光,易产生富蓝光现象,且光源为点光源通过光扩散罩起到均光作用,直接眩光现象较严重.但是通过二次光转换的荧光罩(膜),能有效降低光生物危害指标值,解决LED的眩光及光生物危害问题,明显提高LED照明灯具及LED背光源的视觉舒适度.

6 结束语

一种低蓝光LED二次封装光转换的性能评价是根据光生物危害的指标值、视觉舒适度及面光源发光的性能(如照射均匀度、眩光限制、光源颜色、显色性和反射比等),生产出更加健康、柔和、舒适的LED照明灯具,更符合室内照明要求的气氛、情景、情调照明,满足用户的各种照明要求,其造型也要符合用户的审美观.最主要是在符合节能、高效的前提下,该项技术的成功研制将会使我国LED灯具在LED国际市场的竞争中处于优势地位,打开国际市场,同时这项技术的成功研制也填补了行业内无二次封装光转换的性能评价体系的一个空白.

[1] 吕新桥.从美国DOE新报告看全球LED照明趋势 [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] 刘志勇.LED照明发展中五个亟待解决的问题——色温范围、照明标准、亮度范围、照明总均匀度和眩光控制 [J].中国照明,2009(5):84-87.

Liu Z Y.Five problem for LED to solve-color range,lighting standard,luminance range,lighting evenness and glare control [J].China Illumination,2009(5):84-87

[3] 孙礼腾.LED灯具眩光特性的研究与评价 [D].杭州:浙江大学,2012

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

[4] 方景,肖辉,邴赫亮.城市光污染——LED显示屏亮度问题的思考 [J].照明工程学报,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

吴政明(1960-),男,工程师,主要从事LED发光材料方面的应用研究.E-mail:wzm5687@163.com

吴政明,袁双龙,崔中倪.一种降低蓝光危害的白光LED二次封装光转换性能评价研究 [J].上海师范大学学报(自然科学版),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)