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Jan 31, 2024

アクティブサーマル

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 12433 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この研究では、蛍光体変換白色発光ダイオード (pcW-LED) が過熱した場合の青色光漏れ (目の損傷など) に関連する問題を解決するための回路設計を提案し、実証しました。 この回路に必要なのは、正の熱係数のサーミスタ、抵抗器、およびダイオードを直列および並列に接続することだけです。 したがって、コンポーネントに簡単に統合できます。 シミュレーションと対応する実験結果は、この方法が過熱コンポーネントの注入電流を正確に抑制でき、動作温度に戻った後に LED が正常に動作できることを示しています。 したがって、過熱が発生したときに青みがかった光への曝露を避けるなど、ユーザーの目を積極的に保護することができます。 また、光束の消灯はLEDの交換を促す合図となります。 提案された方法は、低コスト、効果的、簡単で、LED 照明の品質と生物学的安全性を向上させるのに役立ちます。

ソリッドステート照明（SSL）は、高いエネルギー効率、高速応答、許容可能な演色性、長寿命、低コストなどの利点により、徐々に白熱電球に取って代わりつつあります1、2、3、4、5、6。 白色光は、二色、三色、四色アプローチなど、さまざまな方法で作成できます2。 中でも、二色性アプローチは、そのシンプルさと効率性により広く使用されています。 このアプローチでは、白色光は青色発光ダイオード (LED) ダイと黄色蛍光体 2 の組み合わせによって生成されます。 このような白色光源は、一般に、蛍光体変換白色発光ダイオード（ｐｃＷ－ＬＥＤ）と呼ばれる。 通常の状態では、pcW-LED 構造の動作プロセスにおける発熱に大きく寄与する主な原因は 2 つあります。それは、青色 LED ダイの効率と蛍光体の変換効率 (自身の量子効率とストークス損失を含む) です。 。 最初の熱源は、青色 LED ダイを通る電気の流れにおける、注入された電子から放出された青色光子への変換効率に関係します。 電気パワーから光パワーへの変換効率は 70% を超える可能性があります。 したがって、入力電力の少なくとも 30% が熱に変換される可能性があります 7,8。 2 番目の熱源は蛍光体領域であり、ストークス損失、つまり励起波長と再放射波長の間の波長差に関係します 2,9。 青色励起波長と黄色発光波長のピークがそれぞれ450nmと550nmの場合、波長変換効率（励起波長と再発光波長の比）は約82%となります。 したがって、このプロセスからのエネルギーの約 18% が熱に変換されます。 特に、通常の状態が十分に維持されていない場合、青色 LED ダイおよび蛍光体領域での非放射変換が優勢となるため、大量の熱が発生します。 PCW-LED では熱が避けられない問題であり、相関色温度 (CCT) の上昇、カラーシフト、効率の低下、機械的特性の劣化など、出力白色光の品質に多くの悪影響をもたらすことはよく知られています10。 、11、12、13、14、15、16、17、18、19。 熱影響に関する比較的深刻な問題は、図1に示すように、ランプがまだ明るいにもかかわらず、青みがかった光が観察される現象です。これは、黄色光の熱減衰速度が青色光の熱減衰速度よりも速いためです。 、青色光と黄色光のパワー比（B/Y 比）が大幅に増加し、出力白色光の色がより青みがかります（非常に高い CCT 値、たとえば 10,000 K を超える）9。 青みがかった光は光学機器を使用すると簡単に検出できますが、人間の目で認識するのは簡単ではありません。 したがって、青色光の漏れが発生すると、何の警告もなくユーザーの目は青色の光にさらされる可能性があります。 図2に正常時と異常時の温度特性と過熱によるB/Y比への影響を示します。 過熱が発生すると、pcW-LED の温度は通常の状態よりもはるかに高くなります24、25。 さらに、熱減衰率の違いにより、過熱が発生した状態では通常の状態よりも B/Y 比が高くなります。 pcW-LED のパッケージ内が高温になると、蛍光体の熱消光が発生し、青色光の漏れを引き起こす色のドリフトが発生する可能性があります。 蛍光体の温度が上昇すると、蛍光体粒子の熱消光により外部量子効率が低下し、発せられる黄色光が減り、蛍光体体積を通過する青色光が増加します。 熱管理が十分でないと、通常動作時の青色光と黄色光のバランスが保てなくなります。 その結果、重大な CCT ドリフトが発生したり、最悪の場合は青色光漏れが発生したりすることになります 26,27。

(a) 蛍光体変換白色発光ダイオード (pcW-LED) の青漏れ問題は肉眼では見えず、(b) カメラの露出モードを調整することではっきりと観察できます。

(a) 通常状態、(b) 過熱状態における熱特性と青色光と黄色光 (B/Y) の比率の図。

いくつかの研究で、pcW-LED の熱管理が検討されています 20、21、22、23、24、25、26。 張ら。 固相反応によって調製されたSrLu2O4:Ce3+の新規青色蛍光体を報告した。 高い熱安定性があり、室温での発光強度の 86% が 150 °C で維持されます20。 王ら。 は、Ce:YAG ドープ ガラスを使用した pcW-LED の高い熱安定性を報告しました 21。 タンら。 は、高温フォトルミネッセンスを強化した傾斜合金 CdxZn1−xSeyS1−y @ZnS コアシェル量子ドットを使用して LED の色度シフトを低減する方法を提案しました 22。 趙ら。 LED 蛍光体の Li 置換基調整を使用して、効率の向上、調整可能なフォトルミネッセンス、および熱安定性の向上を報告しました 23。 ヤンら。 らは、蛍光体の励起効率と変換効率の間の自己補償に基づいて、pcW-LED の CCT を安定化する方法を提案しました 25。 別のレポートでは、Yang et al. pcW-LEDの動作時に蛍光体の温度を測定するための実用的なアプローチを提案しました。 発光スペクトルを遠隔監視するために、非接触の即時検出方法が使用されました26。 ファンら。 は、熱絶縁蛍光体コーティング層を備えた高出力白色 LED のパッケージング技術を報告しました。 この技術は、従来の LED と比較して、出力光束の飽和点がはるかに高く、高出力動作条件下での色特性の安定性が優れていることを示しました28。 一般に、文献に記載されている解決策は、主に蛍光体材料の熱安定性とパッケージング技術の改善に焦点を当てています。 pcW-LEDの動作過程で発生する過熱による悪影響を完全に排除する理想的な方法はまだありません。

近年、ブルーライトの危険性に関する報告では、大量のブルーライトに過剰にさらされたり、少量のブルーライトに長時間さらされると、人間の目の網膜組織に不可逆的な損傷が生じることが示されています29,30,31。 、32。 ユーザーが子供の場合、このリスクはさらに危険になります。 したがって、特に生活の質の向上のために LED ベースの SSL の品質をアップグレードする過程において、このブルーライトの危険性のリスクを防止または解決するソリューションの必要性がこれまで以上に緊急になっています。 さらに、青みがかった光への過度の露出は、視覚化の観点から不快であるだけでなく、（人間の目に対する生物学的安全性の観点から）隠れたリスクでもあります。 特に、概日周期が変化し、それによって人間の睡眠に影響を与えます。 したがって、青色光の悪影響を軽減するための研究が行われてきました33、34、35、36。

人間の目を青色光への曝露から保護するために、青色光漏れを示しているランプは動作を停止する必要があります。 私たちの知る限り、過熱が発生した場合の PCW-LED からの青色光漏れを防ぐことに関する研究はありません。 この研究では、pcW-LED の青漏れ問題を防ぐための解決策を提案し、実証しました。 過熱を検出し、それに応じて pcW-LED の注入電流を減らす回路が設計されました。 その結果、出力される白色光が大幅に抑制され、ランプが暗くなってしまいました。 したがって、過熱が発生したときに青みがかった光にさらされるのを避けるために、ユーザーの目は積極的に保護されました。 さらに、青色光漏れによるランプの減光状態は、ユーザーに新しいものとの交換を促しました。

この研究では、青色光を含むランプの特性の概要を提供するために、pcW-LED で過熱状態を生成しました。 2.5 A で駆動される電流と低減された熱放散が、Cree XML タイプの pcW-LED に適用されました。 温度と光学特性は、それぞれ熱電対 T 型と分光計で測定されました。 対応する実験設定とその結果を図 1 と 2 に示します。 それぞれ3と4。 図 4 に示す結果は、pcW-LED で過熱が発生すると、たとえランプが明るいままであっても、出力白色光の色性能に重大な影響を与えることを示しています。 CCT は 6500 K から、青みがかった色に対応する非常に高い値 (たとえば、8000 K を超え、最大 12,000 K に達する) まで増加します。 温度は180℃～240℃という非常に高温域の値を示します。

(a) 過熱の影響をテストするための実験セットアップ。 (b) 写真 (a) の緑色の破線の長方形の部分を拡大したもの。

光学特性と過熱状態の関係。

一般に、青漏れ現象と温度の関係は、CCT と温度の結果から明確に観察できます。 出力される白色光は青みがかった光になるため、人間の目の損傷を避けるためにランプはもう使用せず、現在のランプを新しいものと交換する必要があります。 したがって、青色光の漏れが現れたときにpcW-LEDの動作を停止する方法を見つけることは、明るい環境にいるユーザーに対する青色光の悪影響を防ぐための選択肢の1つです。

青みがかった光は一度発生すると感知されにくいため、温度特性と青漏れの状態の関係を考慮して設計しました。 過熱状態を感知するために、熱センサー、つまり正熱係数 (PTC) サーミスターを使用しました。 過熱が発生すると、PTC サーミスタが pcW-LED に流れる電流を減少させ、それによって pcW-LED の磁束消光が発生しました。 pcW-LED の減少した電流量は、非放射ダイオードと固定抵抗器を含む 2 番目のブランチにリダイレクトされました。 PTC の温度依存性を図 5a に示します。 非放射ダイオードの I-V 特性を図 5b に示します。 回路接続図を図 6 に示します。

(a) 正熱係数 (PTC) サーミスタの抵抗の温度依存性 (b) IN5408 ダイオードの I-V 特性。

ブルーライト漏れを防ぐ回路設計。

回路接続は次のように説明できます。 上部のブランチには、直列に接続された PTC サーミスタと pcW-LED が含まれています。 下側のブランチには、固定抵抗と一連の 6 個の非放射ダイオード (タイプ IN5408) が含まれています。 IN5408 ダイオードは、最大 3 A までの大電流を流すことができるため、選択されました。上部ブランチと下部ブランチは並列に接続されています。 回路には定電流が供給されます。

上記の説明により、回路内の電流と電圧の関係は次のように表すことができます。

そして

ここで、I、I1、I2 はそれぞれ回路全体、上部分岐、下部分岐の電流です。 R1 はサーミスタの抵抗であり、温度に依存します。 R2 は固定抵抗の合計抵抗です。 VD は 6 つの IN5408 ダイオードの合計降下電圧の表記であり、VLED は pcW-LED の電圧です。 方程式の数量間の関係に基づきます。 (1) と (2) から、次のような関係が推測できます。

そして

必要なパラメータが既知であるため、各ブランチの電流 I1 と I2 の変化は、正常状態 (過熱が発生していない) と異常状態 (過熱が発生している) での PTC サーミスタの動作に対応しているため、このアプローチはシミュレーションに適しています。 。 詳細には、シミュレーションで使用されるパラメータには、以下に説明する定数パラメータと可変パラメータが含まれます。 一定のパラメータには、pcW-LED の電圧 (VLED)、固定抵抗器の抵抗 (R2)、および回路全体に注入される総注入電流 (I) が含まれます。 シミュレーションで使用した VLED の値は 3.1 V でした。VLED の温度依存性は無視できると仮定しました。 シミュレーションで使用した R2 の値は 1.3 Ω でした。 シミュレーションで使用した回路全体の合計注入電流 I は 0.5 A でした。可変パラメータには、サーミスタの抵抗 (R1) と 6 つのダイオードの合計降下電圧 (VD) が含まれます。 R1 の値は、図 5a に示す抵抗温度依存曲線から得られました。 回路接続では、6 個の IN5408 ダイオードが直列に接続されました。 図 5b に示すように、各ダイオードの値は IN5408 ダイオードの I-V 曲線から使用されます。 シミュレーションからの対応する結果を図 7 に示します。

シミュレーションにおける回路の電流と温度の変化。

青色光漏れを防止する回路の動作原理は次のように説明できます。 通常の状態では過熱はありません。 したがって、PTC サーミスタが接続されている回路および領域の温度は 120 °C 未満になります。 PTC サーミスタはこの温度状態を検出し、低抵抗モードでのみ動作します。 したがって、回路内の電流には影響しません。 したがって、電流は上のブランチにのみ流れ、下のブランチには電流が流れません。 異常状態では、過熱により回路内および PTC サーミスタが接続されている領域の温度が 120 °C 以上に上昇します。 PTCサーミスタが過熱状態の信号を検知し、速やかに高抵抗モードを起動します。 PTC サーミスタの抵抗は指数関数的に増加し、上部分岐を通過する電流に対して大きな障害を引き起こします。 その結果、下側ブランチ (I2) の電流が急速に増加し、それに応じて上側ブランチ (I1) の電流が減少します。 したがって、pcW-LED への注入電流は急速に減少し、光の出力束は大幅に抑制されます。

シミュレーションによる電流の変化を確認するために、対応する実験を実施しました。 図 8 に、実験で使用したコンポーネント (pcW-LED、PTC サーミスタ、固定抵抗器、非放射ダイオード、熱電冷却器 (TEC) など) を示します。 実験に対応する接続​​図は図 6 に示したものと似ていますが、PTC サーミスタを加熱するために TEC が追加されています。 PTC サーミスタによって検出されるさまざまな温度による電流の変化をテストするための実験設定を図 9 に示します。PTC サーミスタの抵抗を変化させるために、サーミスタは TEC コンポーネントの高温の表面によって加熱されます。 温度は、TEC 高温面と PTC サーミスタの境界面の非常に近くに配置された熱電対 (タイプ T) によって検出されます。 熱伝導率1.8W/m・Kの熱伝導ゲルを使用しており、良好な熱伝導を実現します。 温度値は、コンピュータに接続された PicoLog TC08 機器を使用してリアルタイムで検出されます。 回路全体に注入される電流 (I) は、積分球システムの長期テストに基づいて測定されます。 下部ブランチ (I2) の電流は電流計で測定されます。 カメラを使用してコンピュータのデスクトップと電流計の画面を同時に記録し、時間の経過とともに変化する温度と電流値を表示します。

実験で使用したコンポーネント、(a) PC-WLED、(b) PTC サーミスタ、(c) 固定抵抗器、(d) ダイオード、(e) 熱電冷却器 (TEC)。

(a) PTC サーミスタによる検出温度の違いによる電流の変化をテストするための実験装置。 (b) 写真 (a) の赤枠部分を拡大したもの。

回路の各分岐の電流を変化させた実験結果を図10に示します。温度が120℃未満の場合、PTCサーミスタが動作するため、各分岐の電流は変化しません。低抵抗モード。 温度が 120 °C を超えると、PTC サーミスタが作動して高抵抗モードで動作し、電流の通過に大きな障害が発生します。 したがって、上部ブランチの電流 (I1) は下部ブランチにリダイレクトされ、上部ブランチの I1 が減少します。 I1 の減少は、下側ブランチ (I2) の電流の増加に寄与します。 回路内の電流の温度依存性をシミュレーション結果と実験結果で比較する必要があります。 図３と図４に示された結果の間の定性的比較に基づく。 図７および図１０に示すように、実験結果とシミュレーション結果は高い類似性を示している。

実験における温度に対する回路の電流の変化。

最終的な課題は、実際の回路接続で過熱が発生した場合の電流減少による磁束の消失を確認することです。 そこで、実際の回路を作製し、実験を行った。 実験装置と実際の回路 (後者は積分球内に配置されています) をそれぞれ図 11a と図 11b に示します。 この実験では、過熱は TEC デバイスの高温表面による加熱ではなく、オーバードライブによって発生しました。 温度は、PicoLog TC08 機器に接続された熱電対によってリアルタイムで測定されました。 光学特性は積分球システムの長期テストモードを使用して測定されました。 回路全体 (I) への電流注入は定電流モードに基づいて設定されており、積分球の長期テスト モードの結果からリアルタイムで検出して抽出することができました。 固定抵抗器と非放射ダイオード (I2) を含む分岐の電流値は、電流計によって検出されました。 カメラは、時間の経過に伴う電流 I2 の変化と、電流計とコンピュータ画面に表示される温度値を記録するように設定されました。

(a) 実験のセットアップ。 (b) 積分球内に構造物を設置する。

実験結果を図12に示します。深刻な過熱が発生すると、LED基板の温度が急速に上昇し、PTCサーミスタが発熱します。 PTC サーミスタの温度が PTC サーミスタの動作温度を超えると、図 12a に示すように、高抵抗モードがアクティブになり、pcW-LED (I1) を含む回路分岐内の電流が減少します。 同時に、図12aに示すように、固定抵抗器と非放射ダイオードを含む分岐内で転送される電流(I1)の減少により、電流I2が増加します。 電流Ｉ１の減少に対応して、図１２ｂに示すように、光束は大幅かつ急速に抑制される。 過熱が適切に制御されると、図 12c に示すように、LED 基板の温度は上昇しなくなります。

(a) 電流の変化。 (b) 出力磁束の消光。 (c) 温度変化。 (d) pcW-LED に注入される電流が減少する前後の出力光のスペクトル。

スペクトルの観点から磁束消光をより明確に示すために、電流がpcW-LEDに注入される前後の出力光のスペクトルを図12dに示します。 1 秒と 83 秒の時点は、PTC サーミスタが低抵抗モードで動作し、電流 I1 が減少しない時点に対応します。 青色光と黄色光の熱消光により、83 秒のスペクトルは 1 秒のスペクトルよりも低くなります。 87 秒のスペクトルは、83 秒のスペクトルと比較して顕著な抑制を示しています。 図１２ａに示すように、出力スペクトルのこの消光は、電流Ｉ１の大幅な減少によるものである。 PTC サーミスタが高抵抗モードで動作し続けるため、100 秒、201 秒、および 300 秒のスペクトルはそれぞれ 87 秒のスペクトルとほぼ重なっています。 したがって、I1 は小さいままです。 これは、PTC がフラックス急冷の状態を維持するためにうまく機能していることを示しています。

過熱状態が解消された後に温度が低下した場合でも、設計回路が確実に動作するようにするため。 図 13 は、図 11 のセットアップと同様のこの実験のセットアップを示しています。熱電 (TEC) デバイスの高温表面は、PTC サーミスタと PCW-LED を含む回路基板の過熱状態を制御するために使用されます。 TEC装置は外部から手動で電源をON/OFFすることで動作します。 温度は、PTC サーミスタと pcW-LED の近くにある熱電対 1 と 2 によって記録されます。 図１４は、通常段階、過熱段階、過熱段階を除去した後の３つの段階に対応する実験結果を示す。 結果は、1370 秒の時点で、TEC をオンにすることによって過熱状態が生成され、温度がしきい値よりも高く上昇し、PTC サーミスターが高抵抗モードで動作するようになっていることがわかります。 電流がサーミスタを通って流れてpc-WLEDに注入されるのが妨げられ、図14bに示すように出力光束が抑制されます。 1670 秒の時点で、TEC デバイスがオフになり、温度が低い値に下がり、PTC サーミスタが低抵抗モードに戻り、サーミスタを通過する電流が増加して PC に注入されます。 -WLED。 その結果、出力磁束が回復することになります。 図 14c では、CCT は温度の上昇により上昇し、過熱状態が解消されるとより低い値に低下します。 要約すると、PTC サーミスタの特殊な特性のおかげで、設計された回路は、回路内で発生するさまざまな温度段階で適切に動作できます。

(a) 通常時、過熱時、および過熱状態を解消した後の回路の動作をテストするための実験セットアップ。 (b) 写真(a)の長方形の赤い点線を拡大したもの。

(a) 温度、(b) 光束、(c) 通常、過熱、過熱状態を解除した後の 3 段階の CCT 挙動。

pcW-LED の青色光漏れという避けられない現象は、過熱状態の出現と強い関係があります。 私たちの知る限り、定電流電源で駆動される pcW-LED の青色光漏れを防止するソリューションが提案され、成功裏に実証されたのはこれが初めてです。 PTC サーミスタを過熱 (青色光漏れ状態を引き起こす可能性がある) を検出するための熱センサーとして使用する回路が設計されました。 過熱信号が現れると、PTCサーミスタに対応するバイナリ動作モード(通常状態と過熱状態に対応)を起動することで、青色光の漏れを効果的に防止できます。 作動後、低抵抗モードは高抵抗モードに変わり、LED に注入される電流が急速に減少します。 したがって、対応する出力光束を大幅に抑えることができ、ユーザーの目が青みがかった光にさらされることを防ぎます。 その結果、ランプは暗くなります。 さらに、ランプの調光状態は、青色光漏れのあるランプを交換する必要があることをユーザーに思い出させます。 このソリューションは人間の生物学的安全にとって意味があるだけでなく、SSL の分野での pcW-LED を使用した照明品質の向上にとっても意味があります。 この回路は、低コスト、シンプルさ、有効性という利点に加えて、そのシンプルさにより LED コンポーネントに簡単に統合できます。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。

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この研究は、台湾科学技術省から契約番号 109-2221-E-008-087-MY2 で助成を受けました。

国立中央大学光学フォトニクス学部、中麗、32001、台湾

チン・チャーン・スン、クアン・コイ・グエン、シー・カン・リン、チー・ショウ・ウー、ツン・シュン・ヤン、イェ・ウェイ・ユー

国立陽明交通大学電気物理学科、新竹、30010、台湾

チン・チェン・スン

国立台湾科学技術大学色彩照明技術大学院大学、台北、10607、台湾

リー・ツンシアン

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研究のコンセプトと設計はチームリーダーの CCS によって行われました。 実験はQKNによって実施されました。 SKL、CSW、TXL、THY、YWYとのディスカッション。 QKN が原稿を執筆し、CCS が責任著者となりました。

チン・チャーン・サン氏への対応。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

サン、CC、グエン、QK、リー、テキサス州。 他。 定電流で駆動される白色発光ダイオードの青色光漏れを止めるアクティブ温度ヒューズ。 Sci Rep 12、12433 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-16587-4

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受信日: 2022 年 5 月 1 日

受理日: 2022 年 7 月 12 日

公開日: 2022 年 7 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16587-4

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