Jak zalévací hmota ovlivňuje optické vlastnosti LED

Zalévací hmota chrání LED moduly před vlhkostí, kondenzací, nečistotami a dalšími vlivy prostředí. Současně mění optické podmínky, za kterých světlo vystupuje z LED do okolí. Důsledkem může být změna světelného toku, homogenity světelné plochy i korelované barevné teploty (CCT). U dlouhodobě provozovaných LED aplikací se k okamžitému optickému vlivu zalití přidává také stárnutí polymeru.

Korelovaná barevná teplota (CCT) se udává v kelvinech a vyjadřuje, zda bílé světlo působí teple (kolem 2700 K), neutrálně (kolem 4000 K), nebo studeně (5000 K a více). Stupnici znázorňuje obr. č. 1. U bílé LED, tvořené modře emitujícím čipem a vrstvou luminoforu, ji určuje poměr modrého světla, které projde bez konverze, a světla, které luminofor převede na delší vlnové délky.

Tento poměr mohou po zalití změnit dva jevy, které posouvají CCT opačným směrem:

• cold shift – okamžitá změna barevné teploty způsobená změnou optického rozhraní po zalití; světlo se posouvá k chladnějším odstínům (CCT roste)
• žloutnutí – dlouhodobá změna polymeru vlivem teploty, UV záření, času a dalších provozních vlivů; světlo se posouvá k teplejším odstínům (CCT klesá)

Obr. č. 1: Stupnice korelované barevné teploty bílého světla od teplé bílé (kolem 1000 K) po denní světlo (8000 K)
Zdroj: Manfred Suppa, Beschichtungsstoffe für die Elektronik, Teil I, str. 537, obr. 16-21

Protože mají oba jevy odlišnou příčinu, je třeba je posuzovat odděleně.

Cold shift:
proč zalití mění barevnou teplotu LED

Cold shift je okamžitý nárůst CCT bílé LED po zalití. Zalití mění poměr nekonvertované modré a konvertované složky světla. U pouzdřené bílé LED dochází na vnějším optickém rozhraní, typicky mezi silikonovým enkapsulantem nebo čočkou a vzduchem, k částečnému odrazu světla. Při určitých úhlech dopadu může nastat také totální vnitřní odraz. Část odraženého světla se vrací do oblasti luminoforu, kde může znovu interagovat s konverzní vrstvou.

Při zalití je vzduch na tomto rozhraní nahrazen polymerem, jehož index lomu je zpravidla bližší indexu lomu silikonu. Rozdíl indexů lomu se zmenší a omezí se zpětný odraz světla do oblasti luminoforu. Ve vystupujícím světle tak u některých konstrukcí LED může vzrůst relativní podíl nekonvertované modré složky.

Obr. č. 2: Schematické znázornění průchodu a odrazu světla v LED bez zalévací hmoty (2a) a se zalévací hmotou (2b).
Zdroj: Hansen-Neon GmbH, Haselund.

Rozsah posunu závisí zejména na konstrukci LED, vlastnostech konverzní vrstvy a indexech lomu použitých materiálů. Výslednou barevnost může dále ovlivnit geometrie a tloušťka zalití, zejména v souvislosti s absorpcí a rozptylem světla v zalévací hmotě.

Rovnoměrné smáčení ovlivňuje stabilitu CCT

Z optického hlediska je důležitý rovnoměrný kontakt zalévací hmoty s povrchem LED. Pokud mezi materiály zůstanou vzduchové mezery, mění se lokální podmínky odrazu a šíření světla. Jednotlivé LED v jednom modulu tak mohou vykazovat rozdílnou barevnou teplotu nebo vyzařovací charakteristiku, přestože před zalitím měly podobné optické vlastnosti. Dlouhodobou stabilitu rozhraní ovlivňuje také adheze a odolnost proti delaminaci.

Žloutnutí:
časově závislý degradační proces polymeru

Transparentní zalévací hmoty mohou během provozu postupně měnit své optické vlastnosti. Ke žloutnutí přispívá zejména dlouhodobé tepelné zatížení a oxidační či fotooxidační procesy. Rozsah změn závisí na chemickém složení materiálu a provozních podmínkách. Žloutnutí se projevuje změnou spektrální transmise, zpravidla zvýšenou absorpcí kratších vlnových délek. U bílé LED tak může docházet k výraznějšímu zeslabení modré složky a následně k posunu barevnosti směrem k teplejším odstínům (pokles CCT) a ke snížení světelného toku.

Jak se hodnotí žloutnutí zalévacích hmot

U transparentní zalévací hmoty nestačí hodnotit pouze její vzhled bezprostředně po vytvrzení. Materiál může být zpočátku bezbarvý a vysoce transparentní, ale při dlouhodobém tepelném zatížení se jeho optické vlastnosti mohou postupně měnit.

Optické stárnutí lze hodnotit dvěma vzájemně se doplňujícími metodami:

1. Kolorimetrické hodnocení – změna barvy materiálu

Pro hodnocení se používá barevný prostor CIE L*a*b*. Celkovou barevnou odchylku mezi původním a zestárlým vzorkem vyjadřuje hodnota ΔE*, zatímco změna souřadnice b* umožňuje sledovat míru žloutnutí. Hodnota ΔE* = 5 odpovídá už jasně viditelné barevné změně materiálu.

Obr. č. 3: Příklady zkoušek tepelného stárnutí s PUR zalévací hmotou (80 °C / 10 000 h)
Zdroj: Peters – TI 15/19, Optical properties of transparent casting compounds

Jak teplota urychluje žloutnutí zalévací hmoty

Teplota optické stárnutí výrazně urychluje. Při dlouhodobých zkouškách tepelného stárnutí zalévací hmoty Wepuran VT 3402 KK-NV bylo přibližně stejné barevné odchylky ΔE* = 5 dosaženo za následujících podmínek:

Zdroj: PETERS, TI 15/19. Kolorimetrické měření vzorků o tloušťce 200 µm na bílém podkladu.

Doba do ΔE* ≈ 5 se s teplotou zkracuje velmi rychle: zvýšení z 60 na 80 °C ji zkracuje zhruba 3,3×, z 80 na 100 °C zhruba 6×.

Zkouška při 100 °C navíc představuje zrychlené stárnutí nad běžně deklarovaným provozním rozsahem tohoto materiálu, proto uvedené časy nelze považovat za předpověď životnosti LED modulu. Ukazují ale, jak výrazně teplota stárnutí ovlivňuje. Při návrhu je proto nutné zohlednit skutečnou teplotu zalévací hmoty v blízkosti LED, nikoli pouze teplotu okolí.

2. Měření spektrální transmise – změna propustnosti světla

Kolorimetrie popisuje celkovou změnu barvy, ale neříká, které části spektra jsou více nebo méně propustné. K tomu slouží měření transmise. Spektrální transmise vyjadřuje, jaký podíl dopadajícího světla prochází materiálem při jednotlivých vlnových délkách. Ukazuje tedy nejen celkový pokles propustnosti, ale i to, které části spektra materiál postupně více tlumí, u žloutnoucího polymeru především modrou oblast.

PETERS v TI 15/19 sleduje oblast přibližně 300 až 1000 nm, přičemž viditelné světlo leží zhruba mezi 380 a 780 nm. S rostoucí teplotou a dobou stárnutí se transmisní křivky mění výrazněji a při silnějším zatížení zasahuje změna i do viditelné oblasti.

Obr. č. 4: Transmisní křivky PUR hmoty VT 3402 KK-NV při dlouhodobém zatížení 100 °C
Zdroj: Peters – TI 15/19, Optical properties of transparent casting compounds

Žloutnutí polyuretanových a silikonových zalévacích hmot

U transparentních PUR systémů může dlouhodobé tepelné zatížení vést k žloutnutí a snížení propustnosti světla. Pro vyšší provozní teploty proto bývají vhodnější opticky stabilní silikonové systémy (SIR), ale samotná silikonová báze neručí za neměnné optické vlastnosti, rozhodují vlastnosti konkrétního materiálu. Více podrobností si můžete přečíst v našem předchozím článku –  Zalévací hmoty pro LED aplikace: kdy zvolit polyuretan a kdy silikon?

Transparentní nebo opálové zalévací hmoty?

Volba mezi čirou a opálovou hmotou neovlivňuje jen vzhled světelné plochy, ale i velikost cold shiftu. Čirá zalévací hmota zachovává bodový charakter jednotlivých LED a má vysokou přímou propustnost. U lineárních světel, profilů a dekorativních modulů se ale často požaduje homogenní světelná plocha bez viditelných LED bodů. K tomu slouží OPAL, tedy světlo rozptylující zalití: v hmotě vznikají rozptylová centra, na kterých se světlo rozptyluje, a jednotlivé LED body splynou v jednolitou plochu.

Podle zkušeností výrobce PETERS opálové verze zalévacích hmot cold shift v praxi zmírňují, úplně ho ale neodstraní.

Obr. č. 5: LED modul zalitý v hliníkovém profilu transparentní hmotou VT 3402 KK-NV (nahoře) a opálovou hmotou VT 3402 OPAL (dole)
Zdroj: Peters

Zvýšení homogenity světelné plochy může být spojeno s optickými ztrátami, jejichž velikost závisí na vlastnostech zalévací hmoty a konstrukci modulu. Rozptyl mění především směrové rozložení světla, zatímco výsledný světelný tok ovlivňují také absorpce a zpětné odrazy. Významnou roli hrají tloušťka zalévací vrstvy, rozteč LED, jejich vzdálenost od výstupního povrchu a geometrie profilu.

Zalití LED mění i to, jak světlo z modulu vystupuje. Cold shift posouvá CCT okamžitě po zalití k chladnějším odstínům, žloutnutí ji naopak postupně snižuje a ubírá světelný tok, proto je třeba je posuzovat odděleně. U opálových systémů navíc rozptyl vytváří homogenní světelnou plochu a v některých formulacích omezuje i změnu CCT po zalití. Výsledek určuje kombinace konstrukce LED, materiálu, tloušťky vrstvy, geometrie, provozní teploty a zpracování, proto materiál ověřte na reálné sestavě, a to nejen po zalití, ale i po dlouhodobém zatížení.

Nejčastější otázky ke změně barvy světla při zalévání LED

Zdroj: