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Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13039 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Kürzlich wurde ein Phänomen namens „Blue-Light-Leakage“ festgestellt, das durch Überhitzung von pcW-LEDs verursacht wird und ein Risiko für Benutzer darstellt. Diese Studie konzentriert sich auf die Untersuchung und Optimierung einer Lösung zur Lösung dieses Problems. Um das Problem der Überhitzung und des Austritts von blauem Licht anzugehen, haben wir die Anwendung eines speziellen thermochromen Materials namens Crystal Nano Cellulose (CNC) untersucht. Wir haben CNC in die Epoxidlinse der weißen LEDs eingebaut. Wichtig ist, dass CNC unter Standardbedingungen einen vernachlässigbaren Einfluss auf die optischen Eigenschaften des ausgegebenen weißen Lichts hat. Wenn es jedoch zu einer Überhitzung kommt, die zum Austritt von blauem Licht führt, löst der Temperaturanstieg einen Verdunkelungseffekt in der CNC aus. Dieses thermochrome Verhalten von CNC ermöglicht eine starke Absorption des blauen Lichts, was zu einer deutlichen Unterdrückung des Ausgangslichtstroms führt. Dadurch wird die Lampe gedimmt, was nicht nur verhindert, dass die Augen des Benutzers schädlichem bläulichem Licht ausgesetzt werden, sondern auch als Indikator für die Alterung der pcW-LED dient. Durch die Implementierung von CNC als reaktionsfähiges Material beim Design weißer LEDs bietet diese Studie eine praktische und effektive Lösung, um die negativen Auswirkungen des durch Überhitzung verursachten Austritts von blauem Licht zu mildern. Diese Verbesserung erhöht die Sicherheit und den Komfort der Benutzer und bietet gleichzeitig ein Frühwarnsystem für die Alterung von pcW-LEDs.

Die Festkörperbeleuchtung (SSL) mit der Weißlichtquelle phosphorkonvertierter weißer Leuchtdioden (pcW-LEDs) hat Eigenschaften wie hohe Energieeffizienz, schnelle Reaktion, korrekte Farbwiedergabe, lange Lebensdauer und niedrige Kosten gezeigt1, 2,3,4,5,6. Das weiße Licht kann auf Basis dichromatischer, trichromatischer und tetrachromatischer2 erzeugt werden. Die einfachste, effizienteste und am weitesten verbreitete Methode ist die Verwendung eines blauen LED-Chips zur Anregung des herunterkonvertierten gelben Leuchtstoffs von YAG:Ce. Die Ausgangsmischung von blauem und gelbem Licht führt zu einer „weißen“ Wahrnehmung für das menschliche Auge2. Zu den Forschungsarbeiten im Zusammenhang mit pcW-LEDs zählen die Probleme einer geringen räumlichen Farbgleichmäßigkeitsverteilung, eines niedrigen Farbwiedergabeindex (CRI), der Gefahr von Blaulicht, der Temperaturabhängigkeit der Effizienz und der Farbleistung, die viele Wissenschaftler zu Untersuchungen anregten und in zahlreichen Artikeln darüber berichteten7 ,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Kürzlich wurde von Sun et al. über das Phänomen des blauen Lecks berichtet, das während des Betriebsprozesses von pcW-LEDs auftritt. in einem Bericht aus dem Jahr 202217. Das Blue-Leakage-Phänomen wird durch eine deutliche Abnahme der gelben Emission des Leuchtstoffs und eine nicht ganz so starke Abnahme des vom Chip kommenden blauen Lichts definiert. Der mit dem Blau/Gelb-Verhältnis verbundene Wert der korrelierten Farbtemperatur (CCT) steigt also drastisch an. Die Gründe für die bläuliche Lichtabgabe hängen mit dem Überhitzungseffekt zusammen, der auf die Begrenzung der internen Quanteneffizienz und den Stoke-Verlust des Leuchtstoffs zurückzuführen ist18,19,20. Es gibt viele Berichte über die Wirkung von blauem Licht auf das Netzhautgewebe menschlicher Augen21,22,23,24. Für das menschliche Auge bestehen Risiken hinsichtlich der Visualisierung, der gesunden Beleuchtung und der Sicherheit der Photobiologie. Es wurden einige Anstrengungen unternommen, um die negativen Auswirkungen von blauem Licht auf die biologische Sicherheit, die Visualisierung und die Schlafqualität des Menschen zu verringern25,26,27,28. In mehreren Studien wurden Lösungen für das Wärmemanagement von pcW-LEDs vorgeschlagen. Yang et al. berichteten, dass basierend auf der Selbstkompensation zwischen der Anregungseffizienz und der Konversionseffizienz der Leuchtstoffe eine Stabilisierung der CCT in pcW-LEDs erreicht werden kann29. In einer verwandten Studie haben Yang et al. schlug einen praktischen Ansatz zur Messung der Leuchtstofftemperaturen in laufenden pcW-LEDs vor, der dabei helfen kann, Informationen über die thermischen Bedingungen zur Steuerung des thermischen Effekts in pcW-LEDs zu erhalten30. Sun et al. Entwickelter Schaltkreisschutz zur Verbesserung der photobiologischen Sicherheit des menschlichen Auges vor den pcW-LEDs bei Überhitzungsbedingungen17.

In den letzten Jahren hat die Entwicklung der Nanowissenschaften und Nanotechnologie viele Möglichkeiten eröffnet, spannende Lösungen für die Lösung neu auftretender Probleme in der Festkörperbeleuchtung, wie z. B. Blue Leakage, zu finden. Zellulose ist eine davon. Die Cellulosefamilie kann in unterschiedlicher Morphologie und Größe synthetisiert werden, beispielsweise als Cellulose-Nanokristalle (CNC), Cellulose-Nanofasern (CNFs) und bakterielle Cellulose (BC)31,32,33. Mehrere Studien berichteten über den Einsatz von CNC zur Lösung einiger Probleme von PCW-LED-Anwendungen. Xu et al. berichteten, dass durch die Abdeckung einer mit Nanokristallen gefüllten Polymerschicht außerhalb einer Kapselungslinse die Winkelfarbgleichmäßigkeit von phosphorkonvertierten weißen LEDs um 71,4 % reduziert werden konnte, während über 85 % der Lichtenergiedurchlässigkeit erhalten blieben, der gemeldete Wert der Winkel-CCT-Abweichung ( ACCTD) betrug 587 K bei 4 % CNCs34. Chowdhury et al. berichteten, dass das Einfüllen von CNC in die Leuchtstoffschicht die winkelabhängige CCT-Abweichung verringert. Bei der Simulation mit pcW-LEDs bei einer CCT von 4220 K und einer Einstellung von CNC-Füllung von 3 % und 6 % des Gewichts betrug die erhaltene ACCTD 173,45 K bzw. 59 K35. Nach unserem Kenntnisstand muss über eine solche Studie, bei der die CNC zur Verhinderung des Problems der Blaulichtleckage eingesetzt wird, noch berichtet werden.

In diesem Artikel schlagen wir eine Lösung vor, um das blaue Licht zu absorbieren, wenn es zu einem Austritt von blauem Licht kommt. Wir haben zunächst die thermischen und optischen Eigenschaften von CNC untersucht, um sicherzustellen, dass es für die Anwendung von Blaulichtleckage in pcW-LEDs geeignet ist. Schließlich führen wir CNC in die Epoxidlinse ein, die den Chip und den Leuchtstoff von pcW-LEDs bedeckt. Die Auswirkung auf die optischen Eigenschaften wird analysiert, insbesondere wenn das Phänomen des Blaulichtaustritts auftritt.

Das Problem der Blaulichtleckage hängt mit einer Variation des Verhältnisses von blauem und gelbem Licht (B/Y-Verhältnis) aufgrund unterschiedlicher Auswirkungen des thermischen Anstiegs auf blaues Licht (vom Chip) und gelbes Licht (vom Leuchtstoff) zusammen. Um dieses Phänomen zu analysieren, wurde ein Experiment durchgeführt, bei dem der Überhitzungszustand für pcW-LED erzeugt und die optischen Eigenschaften gemessen wurden. Im Versuchsaufbau wird das Thermoelement (Typ T) auf der Rückseite der pcW-LEDs angebracht. Überhitzung entsteht durch weniger Wärmeableitungsmedien bei Verwendung der Glasplatte im Aufbau17. Zur Messung des Verhaltens optischer Eigenschaften wird eine Ulbrichtkugel verwendet. Das Ergebnis der Überhitzung, die das Blaulichtleckproblem verursacht, ist in Abb. 1a dargestellt. Mit steigender Temperatur nimmt der Lichtstrom ab. Allerdings erhöht sich der CCT-Wert entsprechend, insbesondere wenn die Temperatur höher als 180 °C ist. Der CCT-Wert hängt vom B/Y-Verhältnis ab, daher bedeutet die Erhöhung des CCT-Werts eine Erhöhung des B/Y-Verhältnisses, also einen Blauverlust.

(a) Charakteristisch für blaue Leckagephänomene. (b) Darstellung der Farbeigenschaften von Proben unter normalen Bedingungen und (c) Überhitzungsbedingungen. (d) Darstellung der Lichtstromunterdrückung, die durch die Verdunkelung der CNC verursacht wird.

Unser Ziel ist es, blaue Lecks zu verhindern, indem wir das thermochrome Material von CNC in die Epoxidlinse von pcW-LEDs einbringen. Das Arbeitsprinzip zur Verhinderung des Austretens von blauem Licht basiert auf dem optischen und thermischen Verhalten der CNC unter normalen Bedingungen und Überhitzungsbedingungen. Unter Standardbedingungen ist die Temperatur im Inneren der pcW-LEDs niedrig (z. B. weniger als 150 °C). Da der Temperaturwert nicht hoch genug ist, um eine Farbänderung bei der CNC hervorzurufen, ist die Linse immer noch transparent, wie in Abb. 1b dargestellt, und es gibt keinen Einfluss auf das ausgegebene weiße Licht. Wenn blaues Licht austritt, ist die Temperatur in der Epoxidlinse höher als die stabile Temperatur der CNC (z. B. höher als 200 °C) und die CNC wird daher dunkel, wie in Abb. 1c dargestellt. Die abgedunkelte CNC absorbiert das Ausgangslicht stark, insbesondere im blauen Bereich. Dadurch wird der Ausgangsfluss deutlich gedimmt, wie in Abb. 1d dargestellt.

CNCs sind stäbchenförmige Partikel in Nanogröße, die zunehmend als geeignet für Bausteine zur Herstellung von Materialien mit Anwendungen in so unterschiedlichen Bereichen wie Biotechnologie, Elektronik, Optik und Verpackung angesehen werden32,33,36. In dieser Arbeit wurden von der University of Maine (Forest Products Laboratory) bereitgestellte CNCs aufgrund ihrer thermischen Eigenschaften als optische Sicherung für pcW-LEDs-Geräte 37 verwendet. Sie bestehen aus stabförmigen kristallinen Partikeln mit einer Länge von 110 ± 48 nm und 4,8 nm ± 1,1 nm Dicke, wie durch Rasterkraftmikroskopie in einer früheren Studie bestimmt38. Um ihre Dispersion in der hydrophoben Silikonmatrix des Geräts zu begünstigen, wurde die CNC-Oberfläche durch das Aufpfropfen von Chloracetateinheiten (Chl) über eine Acylierungsreaktion mit Vinylchloracetat (Sigma Aldrich) hydrophobiert. Diese Reaktion wurde in wasserfreiem Dimethylsulfoxid (DMSO) mit K2CO3 als Katalysator gemäß einem bereits in der Literatur beschriebenen Versuchsprotokoll38,39 durchgeführt. Nach Bestätigung der Oberflächenpfropfung durch FTIR-Spektroskopie wurden die thermischen Eigenschaften der erhaltenen CNC-Chl-Partikel durch thermogravimetrische Analyse (TGA), Hochtemperatur-Röntgenbeugung und Hochtemperatur-Durchlässigkeit bewertet. Die Ergebnisse sind in Abb. 2 dargestellt.

(a) TGA-Thermogramm der CNC-Chl-Partikel zwischen 20 und 650 °C. (b) Röntgenbeugungsspektren der CNC-Chl-Partikel bei verschiedenen Temperaturen. (c) Transmission der mit CNC-Chl gefüllten Silikonplatten bei verschiedenen Temperaturen.

Die thermogravimetrische Analyse wurde mit einem TGA Q50-Gerät (TA Instrument) bei einer Heizrate von 10 °C/min und in einer N2-Umgebung durchgeführt. Das Thermogramm von Abb. 2a steht im Einklang mit dem dreistufigen Abbauprozess, der im Allgemeinen beobachtet wird, wenn CNCs einem Temperaturgradienten ausgesetzt werden40: Erstens verliert das CNC das an seiner Oberfläche adsorbierte Wasser zwischen 20 und 125 °C (I); Anschließend wird das CNC zwischen 200 und 400 °C (II) durch gleichzeitige Depolymerisations- und Dehydratisierungsreaktionen in teerartige flüchtige Stoffe (Levoglucosan und Anhydrozucker) und Kohle zersetzt (die Zersetzung beginnt bei 206 °C, die maximale Abbaugeschwindigkeit liegt bei 274 °C). ; Schließlich wird der aliphatische Rest zwischen 400 und 600 °C in polyzyklische Aromaten umgewandelt (III).

Die Hochtemperatur-Röntgenbeugung wurde mit einem PANalytical X'pert MDP-Diffraktometer durchgeführt, das mit einem Rückwärtsmonochromator, einer Anton-Paar-HKT16-Kammer, einem Szintillationsdetektor und einem Cu-Kα-Strahlungsgenerator (l = 0,15418 nm) ausgestattet war. Die Messungen wurden von Raumtemperatur bis 300 °C in Schritten von 25 °C und mit einer Heizrate von 3 °C/min durchgeführt. Das letzte Diffraktogramm bei 25 °C wurde nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur aufgenommen. Die Datenerfassung erfolgte im 2θ-Bereich von 10°–80° mit einer Schrittgröße von 0,017°. Die Muster wurden mit der Eva Bruker®-Software analysiert und mit der PDF-Datenbank mit der FindIt ICSD-Software verglichen. In den Diffraktogrammen gehören die beiden Peaks bei 39,5 und 46° zum Probenhalter aus Aluminium; ihre leicht geringe Theta-Verschiebung hängt mit ihrer thermischen Ausdehnung zusammen. Das breite Muster unter 25° hängt mit der CNC-Chl-Probe zusammen und ist typisch für die Cellulose-I-Struktur, die in nativer Cellulose zu finden ist41. Diese Beugungspeaks werden zu kleineren Winkeln unter 200 °C verschoben, ohne dass sich das Cellulosemuster verändert, was auf eine Dilatation der CNC-Chl-Partikel ohne Einfluss auf die Struktur schließen lässt. Eine genauere Analyse zeigt, dass sich die Verschiebungen der verschiedenen Peaks in Abhängigkeit von der Temperatur unterscheiden, was darauf hindeutet, dass die Ausdehnung in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist. Bei 225 °C beginnt sich das Muster der Cellulose drastisch zu verändern, was zeigt, dass die kristalline Struktur erheblich beeinflusst wird. Ab 250 °C verschwinden die Peaks, es findet also keine Strukturierung der Atome im Materialinneren mehr statt. Die Zersetzung des CNC-Chl ist somit nachweisbar und irreversibel, da bei einer Temperaturrückstellung auf 25 °C das Zellulosemuster nicht mehr zu erkennen ist. Diese Ergebnisse stimmen mit der TGA überein.

Transmissionsmessungen wurden mit einem handgefertigten Heizgerät mit einem zentralen kreisförmigen Loch von 5 mm Durchmesser durchgeführt, das zum Erhitzen der Proben verwendet wird. Wir legen die Probe zwischen zwei Glasplatten, um eine gleichmäßige Erwärmungstemperatur sicherzustellen. Thermoelemente (Typ T) wurden an der Grenzfläche zwischen Probe und Glasplatte verteilt, um die Temperatur der Probe zu messen. Zur Bestrahlung der Probe wird eine kollimierte Lichtquelle aus pcW-LEDs verwendet. Die Ulbrichtkugel misst den übertragenen Fluss. Die Temperatur der Probe wird durch Thermoelemente auf beiden Seiten der Probe aus Silikonplatten, die 1,0 Gew.-% CNC enthalten, gemessen und auf unterschiedliche Temperaturen von 100 °C, 147 °C, 159 °C, 195 °C und 244 °C erhitzt °C bzw. Die Dicke der Proben beträgt 0,6 mm. Die Heizdauer beträgt 5 Stunden. Das Transmissionsspektrum der Probe bei jeder Temperatur wird als Verhältnis des durchgelassenen Flusses bei der thermisch äquivalenten Temperatur zu dem bei der Anfangstemperatur berechnet. Das Ergebnis der Spektren gegenüber verschiedenen Heiztemperaturen ist in Abb. 2c dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eine leichte homogene Absorption bei 100 °C, die den CNC-Chl-Partikeln zugeordnet wird. Bei 159 °C nimmt die Absorption bei niedriger Wellenlänge um 8 % und im roten Bereich um 4 % zu. Bei 195 °C wird im blauen Bereich eine Absorption von 10 % festgestellt, ohne dass sich der rote Bereich verändert. Unterhalb von 200 °C kann der durchschnittliche Anstieg der Absorption (5–10 %) mit einer leichten Veränderung der Zellulosestruktur aufgrund des Verlusts an adsorbiertem Wasser verbunden sein, der in den Thermogrammen von Abb. 2a erkennbar ist. Die intensivere Absorption im blauen Bereich sollte mit der nach der XRD-Analyse festgestellten Ausdehnung der Partikel zusammenhängen. Bei 244 °C steigt die Absorption drastisch an, insbesondere im blauen Bereich, im Einklang mit der durch TGA- und XRD-Analyse beobachteten CNC-Chl-Zersetzung. Die Verdunkelung ist im blauen Bereich fast vollständig, während der Absorptionsanstieg im roten Bereich nur 35 % beträgt, was wahrscheinlich auf die Diffusion kleiner, zersetzter Fragmente zurückzuführen ist42. Daraus kann geschlossen werden, dass die Zersetzung von CNC-Chl über 200 °C eine ungleichmäßige Absorption im UV-sichtbaren Bereich hervorrief, was möglicherweise mit der Nanogröße der bei der Zersetzung gebildeten Kohle zusammenhängt. Ein ähnliches Verhalten wurde bei Kohlenstoffnanopartikeln43 beobachtet, die ein Absorptionsmaximum bei 420 nm zeigten, oder bei Kohlenstoffpunkten, bei denen die Absorption von 500 auf 200 nm anstieg44,45.

Die durch TGA-, XRD- und Transmissionsmessungen ermittelten thermischen Eigenschaften zeigen deutlich, dass die mit Vinylchloracetat funktionalisierten Cellulose-Nanokristalle bei Überhitzung nach der Dispersion in der Silikonmatrix als effiziente optische Sicherung verwendet werden können.

Gemäß diesem Anwendungszweck sollten zwei Anforderungen erfüllt sein, um sicherzustellen, dass die CNC aus einem geeigneten Material besteht, um den Austritt von blauem Licht zu verhindern. Der erste Grund ist der geringfügige und reversible Effekt der CNC auf die optischen Eigenschaften bei einer Temperatur von weniger als 150 °C. Die zweite Anforderung ist die Irreversibilität der Verdunkelung bei höheren Temperaturen.

Im normalen Betriebszustand von pcW-LEDs beträgt die Temperatur der Epoxidlinse weniger als 150 °C, da empfohlen wird, pcW-LEDs so zu betreiben, dass die Sperrschichttemperatur nicht über 150 °C liegt. Daraus ergibt sich, wie in Abb. 2c dargestellt, eine leichte Abnahme der Transmission bei Temperaturen unter 150 °C. Wenn es zu einer irreversiblen Verdunkelung der Epoxidlinse gekommen ist, ist diese Art von CNC-Material nicht geeignet.

Da die Prüfung der reversiblen Eigenschaft wichtig war, enthielt die Probe einer Silikonplatte 1 Gew.-% CNC. wurde auf eine Temperatur von 147 °C erhitzt, fünf Stunden lang bei dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Verhalten des übertragenen Flusses, das den drei Zuständen Erwärmung, thermisches Äquivalent und Abkühlung entspricht, wurde wie in Abb. 3a dargestellt gemessen, während die entsprechende Temperatur in Abb. 3d dargestellt ist. Das Ergebnis zeigte, dass bei einem Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf etwa 147 °C der übertragene Fluss um 4 % abnahm. Im thermischen Äquivalenzzustand wird der übertragene Fluss konstant gehalten. Wenn die Temperatur auf eine niedrigere Temperatur sinkt, wird der übertragene Fluss wieder wie der Anfangswert hergestellt. Die reversible Eigenschaft von CNC zeigte, dass das CNC bei einer Temperatur von weniger als 150 °C immer noch nicht dunkel wird.

Verhalten des übertragenen Flusses in den Phasen des Aufheizens, des thermischen Äquivalents und des Abkühlens. (a,d) Der Fall der Probe einer Silikonplatte, die CNC enthält und den normalen Arbeitsbedingungen entspricht. (b,e) Der Fall der Probe einer blanken Silikonplatte, die den normalen Arbeitsbedingungen entspricht. (c,f) Der Fall einer Probe einer Silikonplatte mit CNC, die den anormalen Arbeitsbedingungen entspricht (T1 bis T8 bezeichnet die Thermoelemente Nummer eins bis Nummer acht).

Für ein tieferes Verständnis dieser reversiblen Eigenschaft von CNC wird ein ähnliches Experiment durchgeführt, um den Einfluss der Temperatur auf das Silikon-Epoxid-Material zu verstehen. Das Ergebnis ist in Abb. 3b dargestellt, z. Die Ergebnisse zeigen, dass das gleiche reversible Verhalten bei der reinen Silikonprobe auftritt. Der abnehmende übertragene Fluss ist jedoch kleiner als 1 % als bei der Fallprobe einer Silikonplatte mit CNC.

Eine wichtige Eigenschaft von CNC für die Anti-Blaulicht-Leckage-Forschung besteht darin, dass die CNC nach dem Abdunkeln irreversibel sein sollte. Es ist daher notwendig, mit der Überprüfung der irreversiblen Eigenschaft von CNC zu experimentieren. Die Probe einer Silikonplatte enthält 1 Gew.-% CNC. wurde auf 244 °C erhitzt. Als der Zustand des thermischen Äquivalents erreicht war, wurde dieser Heizzustand fünf Stunden lang beibehalten und dann durch Abschalten der Stromversorgung der Heizung auf Raumtemperatur abgekühlt. Die erhaltenen Ergebnisse sind in Abb. 3c, f dargestellt. Die Änderung des übertragenen Flusses entsprechend den drei Zuständen Aufheizen, thermisches Äquivalent und Abkühlen ist in Abb. 3c dargestellt. Die entsprechenden Temperaturdaten sind in Abb. 3f dargestellt. Der große Unterschied im übertragenen Fluss zwischen dem nach dem Abkühlen und dem anfänglichen übertragenen Fluss weist darauf hin, dass der transparente Zustand der CNC nicht wie der ursprüngliche Zustand nach der Verdunkelung reversibel sein kann. Fotos von Proben vor und nach den Experimenten sind in Abb. 3 enthalten und zeigen die Verdunkelung der auf 244 °C erhitzten Platten und keinen sichtbaren Effekt für die nackte Probe und die auf 147 °C erhitzte Probe.

Der nächste Schritt besteht darin, die Eigenschaften echter pcW-LEDs zu untersuchen, die CNC in ihrer Epoxidlinse enthalten, wie in Abb. 1 beschrieben. Zu diesem Zweck wird eine Probe von pcW-LEDs mit 1 % CNC-Zusatz zum Verpackungsvolumen in Betrieb genommen 0,35A, die Temperatur auf der Rückseite beträgt also ca. 100 °C. Die Langzeittestzeit in der Ulbrichtkugel ist auf 565 h festgelegt. Die Temperatur wird durch das Thermoelement auf der Rückseite der pcW-LEDs erfasst, die auf der Glasplatte angebracht sind. Das Thermoelement wird an den PicoLog TC08-Anschluss angeschlossen, der von der Software im Computer gesteuert wird. Jede Stunde werden Messungen durchgeführt. Die getestete Probe wird in die Ulbrichtkugel gegeben. Das entsprechende experimentelle Ergebnis ist in Abb. 4a – c dargestellt. Abbildung 4a zeigt Raumtemperatur und Temperatur auf der Rückseite der Probe. Die Temperatur der Probenrückseite wird von Raumtemperatur auf 97 °C erhöht.

Verhalten von (a) der auf der Rückseite der Probe gemessenen Temperatur und der Raumtemperatur, (b) dem Ausgangslichtstrom und (c) den Ausgangsspektren bei normalen Arbeitsbedingungen für eine Langzeitmessung der Probe über 565 Stunden mit CNC 1 % . Änderung von (d) Temperatur, (e) Lichtstrom und (f) korrelierter Farbtemperatur im Verhältnis zur Zeit, wenn die Überhitzung in der Probe auftritt. (g) Änderung der Spektren zu mehreren ausgewählten Zeitpunkten, entsprechend vor und nach der Verdunkelung der CNC.

Abbildung 4b zeigt das Lichtstromverhalten des ausgegebenen Lichts während der Testzeit. Die Lichtstärke wird um 15 % reduziert, wenn die Temperatur von Raum- auf Temperaturäquivalenttemperatur steigt, und dann konstant gehalten. Das Flussverhalten zeigt, dass es unter normalen Bedingungen keinen kritischen Einfluss auf den Langzeit-Ausgangslichtstrom gibt. Spektren des Ausgangsflusses zu mehreren Zeitpunkten werden während des Experiments gemessen und in Abb. 4c dargestellt. Das Ergebnis zeigt den höchsten Ausgangsfluss zum Anfangszeitpunkt (Raumtemperatur). Die Spektren zu Zeiten von 1, 100, 200, 300, 400, 500 und 565 Stunden überlappen sich nahezu. Die für jedes Spektrum berechneten CCT-Werte sind identisch und die entsprechenden CCT-Werte betragen 6494 K, 6610 K, 6653 K, 6679 K, 6620 K, 6816 K bzw. 6580 K. Diese Spektren zeigten, dass es nach 565 Stunden Testzeit bei normalen Arbeitstemperaturbedingungen nahezu keine Veränderung in den Ausgangsspektren gab, was bedeutet, dass die CNC bei diesen Temperaturbedingungen keine Farbverschlechterung aufweist. Die Ergebnisse belegen die Eignung von CNC in der Epoxidlinse von pcW-LEDs, die unter Standardbedingungen arbeiten.

Die letzte Arbeit besteht darin, die Effizienz von CNC bei der Verhinderung von Blaulichtlecks zu testen. Um die Verdunkelung der CNC in den Beispiel-PCW-LEDs durch Hinzufügen von CNC zu bewirken, wurde durch die angetriebene Probe bei hohem elektrischen Strom und schlechter Wärmeableitung ein Überhitzungszustand erzeugt. Die Ergebnisse sind in Abb. 4d – g dargestellt. Vom ersten Moment bis zu den 150 Sekunden führte die Überhitzung zu einer thermischen Verschlechterung des Ausgangslichtstroms und einem Anstieg der CCT. Die thermische Verschlechterung des Lichtstroms wird durch die zunehmende strahlungslose Rekombination verursacht, die eher zur Erzeugung von Wärme als zur Erzeugung von Photonen führt. Nach 150 s, wenn die Überhitzung schwerwiegender wird, liegt die Temperatur über 200 °C und der Ausgangslichtstrom nimmt stärker ab. (Abb. 4e). eine Bank in der Kurve kommt zum Vorschein. Dies ist auf die Verdunkelung von CNC zurückzuführen. Wie aus den Lichtspektren (Abb. 4g) und dem CCT (Abb. 4f) hervorgeht, ist die Abnahme der gelben Emission signifikanter als die Abnahme der blauen Emission. Es zeigt sich, dass die Leuchtstoffe während des überhitzten Experiments drastisch verändert werden.

In den vorherigen Abschnitten wurde gezeigt, dass CNC-Material zur Vermeidung von Blaulichtlecks geeignet ist. Es muss jedoch noch die Wirkung der CNC-Dotierungsmenge auf die Leistung der Anti-Blaulicht-Leckage optimiert werden. Überhitzungs-Alterungstests durch den übersteuerten Strom von 1,4 A werden für pcW-LED-Proben ohne 0,5 %, 1,0 % und 1,5 % CNC in der Epoxidlinse durchgeführt. Farbveränderungen und optische Eigenschaften werden gemessen und verarbeitet, um die Löschung des Lichtstroms mit der CNC-Gewichtskonzentration zu vergleichen. Das visuelle Verhalten der pcW-LEDs-Probe als Funktion der CNC-Gewichtskonzentration ist in Abb. 5 dargestellt. Der Grad der Verdunkelung hängt von der hinzugefügten CNC-Gewichtskonzentration ab; Die Farbe von Proben ohne CNC zeigt eine klare Farbe der Epoxidlinse, während die Farbproben CNC 0,5 %, CNC 1,0 % und CNC 1,5 % nach Alterungstests gelblich, braun und kräftig schwarz sind.

(a) Der Schwarzfarbwert im Vergleich zur dotierten Gewichtskonzentration von CNC. (b) Die Änderung des blauen Lichtflusses über der Zeit als Funktion der dotierten Gewichtskonzentration von CNC.

Der relative Lichtstrom ist in Abb. 5a dargestellt, wobei bei Proben, die kein CNC enthalten und 0,5 % enthalten, der Lichtstrom regelmäßig abnimmt, ohne dass sich die Kurve verbiegt. Darüber hinaus ist der Lichtstrom der 0,5 %-Probe höher als der der reinen Siliziumprobe. Der Unterschied im Verhalten zwischen der Probe ohne CNC (nackte Silikonlinse) und der Probe mit CNC 0,5 % kann mit einem Mechanismus zusammenhängen, wie z. B. dem Vorhandensein von CNC, das dazu beiträgt, die Effizienz der Lichtextraktion zu erhöhen und die Effizienz des Wärmemanagements für das Verpackungsvolumen zu verbessern35.

Bei Proben mit CNC 1,0 % ist die Krümmung der Lichtstromkurve zum Zeitpunkt von 100 s offensichtlich. Die Lichtstromkurve der Beispiel-CNC mit 1,5 % ist stärker als die der Beispiel-CNC mit 1,0 %, und die Biegung beginnt bei 80 s. Die Werte beider Lichtstromkurven der Proben CNC 1,0 % und CNC 1,5 % liegen nach dem Biegevorgang unter 0,1, was darauf hindeutet, dass die pcW-LEDs dunkler werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass 0,5 % der abgedunkelten CNC nicht ausreichen, um das Licht zu absorbieren und eine wesentliche Dimmung der pcW-LEDs zu bewirken. Allerdings sind die Konzentrationen von CNC 1,0 % und CNC 1,5 % geeignet, bei Überhitzung eine deutliche Abschreckung zu bewirken. Um jedoch Material zu sparen und kosteneffektiv zu sein, reicht eine Konzentration von 1,0 % CNC aus, um eine deutliche Flussmittelabschreckung zu bewirken.

Die Änderung des blauen Lichtflusses im Zeitverlauf ist in Abb. 5b dargestellt. Die Krümmung der Kurve des blauen Lichtflusses ist bei den Proben CNC 1,0 % und CNC 1,5 % deutlich und stark und nicht bei der Probe CNC 0,5 %. Die Ergebnisse zeigten, dass die Menge des absorbierten blauen Lichtflusses von der dotierten Gewichtskonzentration des CNC abhängt. Außerdem ist die Konzentration von 1,0 % CNC gut genug, um eine erhebliche Absorption des blauen Lichtflusses zu bewirken.

Nach unserem besten Wissen wurde erstmals eine einzigartige Lösung auf thermischer Chrombasis vorgeschlagen und demonstriert, die auf das Phänomen des bläulichen Ausgangslichts der pcW-LEDs bei Überhitzung angewendet wird. Eine PCW-LED sollte bei Überhitzung nicht mehr funktionieren, damit das menschliche Auge nicht mehr bläulichem Licht ausgesetzt wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde CNC-Chl in die Epoxidlinse eingebracht, um als Schutzschicht mit zwei Eigenschaften zu wirken: Transparenz im normalen Betriebszustand und irreversible Verdunkelung im anormalen Betriebszustand bei Überhitzung. Die Eigenschaften des CNC-Chl-Materials wurden untersucht, bevor es in das Verpackungsvolumen von pcW-LEDs eingeführt wurde. Die Verdunkelung von CNC im Alterungstestexperiment zeigte eine hohe Effizienz bei der Unterdrückung des Ausgangsflusses und der CCT. Daher sind die Augen des Benutzers nicht mehr dem bläulichen Licht ausgesetzt, sobald es erscheint. Die Lösung soll die Lichtqualität und die Sicherheit für das menschliche Auge im Hinblick auf die Photobiologie erhöhen. Ein Vorteil der Verdunkelung der CNC, die das Dimmen der Lampe bewirkt, besteht außerdem darin, den Benutzer an das bläuliche Lichterscheinen zu erinnern, sodass die alternde Lampe durch eine neue ersetzt werden sollte.

Alle Datensätze dieser Studie sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die Forschung wurde vom Nationalen Rat für Wissenschaft und Technologie in Taiwan mit der Fördernummer gefördert. 111-2218-E-008-004-MBK, 111-2221-E-008-028-MY3 und 109-2221-E-008-087-MY2.

Abteilung für Optik und Photonik, National Central University, Chung-Li, 32001, Taiwan

Quang-Khoi Nguyen, Tsung-Hsun Yang, Yeh-Wei Yu und Ching-Cherng Sun

Fakultät für Physik und Technische Physik, VNUHCM-Universität der Wissenschaften, Ho-Chi-Minh-Stadt, 700000, Vietnam

Quang-Khoi Nguyen

Vietnam National University Ho-Chi-Minh-Stadt, Ho-Chi-Minh-Stadt, 700000, Vietnam

Quang-Khoi Nguyen

Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, ICMCB, UMR 5026, F-33600, Pessac, Frankreich

Benoit Glorieux

Univ. Bordeaux, CNRS, Bordeaux INP, LCPO, UMR 5629, F-33600, Pessac, Frankreich

Gilles Sebe

Abteilung für Elektrophysik, National Yang Ming Chiao Tung University, Hsinchu, 30010, Taiwan

Ching-Cherng Sun

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Studienkonzept und -design wurden vom Teamleiter CCS vorgeschlagen; QKN und BG führten das Experiment durch, BG und GS stellten die CNC zur Verfügung; THY und YWY nahmen an der Forschungsdiskussion teil; BG, QKN und CCS arbeiteten an der Manuskripterstellung und CCS reichte das Manuskript ein.

Korrespondenz mit Ching-Cherng Sun.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Nguyen, QK., Glorieux, B., Sebe, G. et al. Passive Anti-Leckage von blauem Licht für phosphorkonvertierte weiße LEDs mit kristallinen Nanozellulosematerialien. Sci Rep 13, 13039 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-39929-2

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Eingegangen: 02. Mai 2023

Angenommen: 02. August 2023

Veröffentlicht: 10. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-39929-2

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