CC BY
82
УДК 628.931
МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ЛЮМИНОФОРОВ ДЛЯ СВЕТОДИОДНЫХ ОСВЕТИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Е. В. СОБОЛЕВ, А. О. ДОБРОДЕЙ,
Е. Н. ПОДДЕНЕЖНЫЙ, А. А. БОЙКО
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
В связи с повышенной заинтересованностью ведущих светотехнических компаний в производстве светодиодных световых приборов (ССП) с одной стороны, и многообразием и сложностью возможных конструктивных решений последних с другой, особый интерес приобретает компьютерное моделирование процесса преобразования оптического излучения (света) в ССП. Актуальным является моделирование процесса люминесценции в системе «светодиод - люминофор» для оценки качества предлагаемых решений на стадии светотехнического расчета, что позволит увеличить техникоэкономические и эксплуатационные характеристики ССП.
Однородность цвета и эффективность источников белого света и световых приборов на основе системы «светодиод - люминофор» сильно зависит от пространственного расположения люминофора. Существует два варианта расположения люминофора внутри источника: ближнее и удаленное [1]. Основным недостатком источников света с ближним расположением люминофора является поглощение его излучения полупроводниковым кристаллом [2], а также деградация люминофора под действием температуры [3]. Эти проблемы можно решить, если люминофор пространственно отделить от источника излучения. Такая технология используется рядом ведущих светотехнических компаний как при производстве светодиодов белого света [4], так и при производстве ССП [5]. Моделирование хода лучей и результаты экспериментов с источником, созданным на основе синего светодиода 1пОаК и люминофора, пространственно удаленного от него, показали увеличение интенсивности излучения люминофора на 75 и 27 % соответственно [1], [6]. Основным недостатком конструкций световых приборов с удаленным люминофором является относительно высокий расход люминофора, а также удорожание технологии нанесения люминесцентного покрытия, обусловленное дополнительными расходами, направленными на уменьшение агломерации наночастиц люминофора.
Целью данной работы является моделирование процесса люминесценции в системе «синий светодиод - удаленный фотолюминесцентный преобразователь» для оценки качества преобразования света, а также разработка конструкции светодиодного светильника на основе удаленного дискретного фотопреобразователя с уменьшенным расходом люминофора.
Компьютерное моделирование фотолюминесцентного преобразователя
В рамках данной работы было проведено компьютерное моделирование процесса преобразования света в системе «синий светодиод - удаленный фотолюминесцентный
преобразователь» в программе TracePro [7]. В качестве исходных данных были приняты: СД Cree XR Blue (Xmax = 465 нм) [16]; характеристики спектров возбуждения и излучения люминофора на основе YAG: Ce3+ (Xex_max = 460 нм; Xem_max = 560 нм). Модели спектров светодиода и люминофора, принятые для расчета, представлены на рис. 1.
Рис. 1. Модели спектров светодиода Cree XR Blue и люминофора на основе YAG: Ce3+
На основе образца, полученного в НИЛ «Техническая керамика и наноматериалы» ГГТУ им. П. О. Сухого, люминесцентного покрытия с островковой структурой (рис. 2, а), состоящей из агломератов наночастиц люминофора и областей прозрачности, смоделирована и предложена конструкция дискретного фотолюминесцентного преобразователя, включающего «ячейки прозрачности» и «ячейки люминофора» (рис. 2, б).
Результаты моделирования для различных конструктивных решений удаленного фотолюминесцентного преобразователя приведены на рис. 3. Соотношение «ячеек люминофора» и «ячеек прозрачности» для конструктивного решения: № 1 - 1/0; № 2 - 1/1; № 3 - 2/1; № 4 - 3/1.
Результаты моделирования координат цветности для модели образца люминесцентного покрытия с островковой структурой по отношению к стандартным излучателям МКО Б65 и Е представлены на рис. 4.
а)
б)
Рис. 2. Образец (а) люминесцентного покрытия с островковой структурой (1 - агломерированные частицы ИАГ; 2 - области прозрачности) и модель дискретного фотолюминесцентного преобразователя света (б)
0,9 о,В 0,7 О,В 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1
0,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 О^ 0,6 0,7 0,8
х
Рис. 3. Координаты цветности для конструктивных решений № 1-4 по отношению к стандартным излучателям МКО Б65 и Е
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
х
Рис. 4. Координаты цветности для модели образца люминесцентного покрытия с островковой структурой по отношению к стандартным излучателям МКО Б65 и Е
В результате моделирования предложена конструкция дискретного фотолюми-несцентного преобразователя света, состоящего из «ячеек прозрачности» и «ячеек люминофора» с повышенной концентрацией оптически-активной составляющей, обусловленной агломерацией наночастиц люминофора. Данная конструкция в значительной степени уменьшает расход дорогостоящего люминесцентного порошка. При этом предложенная конструкция фотопреобразователя сохраняет равномерность и макрооднородность излучения без существенных изменений качественных показателей излучений (рис. 3, 4).
Конструкция светодиодного светильника на основе удаленного дискретного фотопреобразователя
На основе идеи островкового люминофорного слоя авторами разработан вариант светодиодного светильника с удаленным дискретным фотопреобразователем [8] (рис. 5), предназначенный для эксплуатации внутри помещений в качестве источника рассеянного белого света.
Предлагаемая конструкция светодиодного светильника позволяет получить белый рассеянный свет при использовании светодиодов синего цвета излучения и плафона-рассеивателя, выполненного в виде дискретного фотопреобразователя - термостойкой пластины с рифленой с внутренней стороны поверхностью в форме углублений, заполненных компаундом, состоящим из силиконовой смолы и наполнителя - агломератов наноразмерных частиц люминофора на основе ИАГ, введенного в состав компаунда.
6
Рис. 5. Конструкция светодиодного светильника с удаленным дискретным фотопреобразователем: 1 - корпус; 2 - блок питания; 3 - печатная плата;
4 - светодиоды синего цвета излучения; 5 - проводники; 6 - плафон-рассеиватель
Удаление люминофора от нагретого кристалла светодиода в значительной степени уменьшает термическую деструкцию люминофора. Это увеличивает срок службы светильника и позволяет использовать более мощные светодиоды. Введение люмино-форного компаунда только в углубления фотопреобразователя в значительной степени уменьшает расход люминофора при сохранении равномерности светового потока светильника и однородности излучения. Технология нанесения компаунда в углубления пластины фотопреобразователя проста и совместима с промышленными методами нанесения компаундов и шликерного литья толстопленочных покрытий, используемыми на предприятиях светотехнической и приборостроительной промышленности.
Благодаря дискретному фотопреобразователю предложенная конструкция светодиодного светильника обладает высокой технологичностью, экономичностью и повышенной атмосферостойкостью.
Заключение
Осуществлено компьютерное моделирование процесса люминесценции в системе «синий светодиод - желтый люминофор» для оценки качества преобразования света, на основании чего предложена конструкция дискретного фотолюминесцент-ного преобразователя, состоящего из «ячеек прозрачности» и «ячеек люминофора» с повышенной концентрацией оптически-активной составляющей, обусловленной аг-
ломерацией наночастиц люминофора. Это в значительной степени уменьшает расход люминофора при сохранении равномерности и однородности излучения от фотопреобразователя.
Разработана конструкция светодиодного светильника с удаленным дискретным фотопреобразователем для эксплуатации внутри помещений в качестве источника рассеянного белого света.
Литература
1. Kim J. K., Luo H., Schubert E. F., Cho J., Sone C., Park Y. Strongly enhanced phosphor efficiency in GaInN white light-emitting diodes using remote phosphor configuration and diffuse reflector cup // Japanese Journal of Applied Physics. - 2005. - Vol. 44, №. 21. - P. 649-651.
2. Шуберт, Ф. Светодиоды / Ф. Шуберт ; пер. с англ. под ред. А. Э. Юновича. -2-е изд. - М. : ФИЗМАЛИТ, 2008. - 496 с.
3. Приказчик, С. П. Исследование светотехнических параметров светодиодов / С. П. Приказчик // Св^лотехшка та електроенергетика. - 2008. - № 4. - С. 24-30.
4. Cree [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cree.com/. - Дата доступа: 01.09.2011.
5. Philips [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.lighting.philips.ru/. -Дата доступа: 01.09.2011.
6. Luo H., Kim J.K., Schubert E.F., Cho J., Sone C., Park Y. Analysis of high-power packages for phosphor-based white-light-emitting diodes // Applied physics letters 86, 2435505 (2005).
7. Компьютерное моделирование в инженерной практике / А. А. Алямовский [и др.]. -СПб. : БХВ-Петербург, 2006. - 800 с. : ил.
8. Светильник светодиодный : пат. на полезную модель Респ. Беларусь № 7988, МПК F21S 8/00, H01J 63/00 / А. О. Добродей, Е. Н. Подденежный, А. А. Бойко, Е. В. Соболев ; заявитель Гомел. гос. техн. ун-т им. П. О. Сухого. - № u 20110582 ; заявл. 18.07.2011 ; опубл. 01.12.2011.
Получено 15.01.2013 г.
