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光源器件的创新方向(全光谱技术、健康照明)及趋势展望

       导读: 经过过去十年的半导体材料技术发展和制造工艺的提升,白色发光二极管(LED)作为新型的固态发光器件已经逐渐取代了传统光源

1  健康照明的需求

       经过过去十年的半导体材料技术发展和制造工艺的提升,白色发光二极管(LED)作为新型的固态发光器件已经逐渐取代了传统光源。其高光效、低能耗、无污染、长寿命等优点,使其在灯具市场的渗透率连年递增。然而,随着LED光源的快速发展,各种照明应用对光源提出了新的要求。人们从最初的对LED光效和成本的重视逐渐发展到对其光品质和健康的追求。目前市场上一些光源的光谱缺失、色彩还原性差,一些LED灯由于驱动电源等使用不当,存在频闪眩光、用眼安全等诸多问题,用户体验不佳。因而为了符合消费者对生活品质以及舒适度的需求,高光品质、舒适健康的照明技术成为近期市场的发展主流趋势,也对白光LED封装及模组技术提出了新的挑战。


2  全光谱白光的技术方案

       目前实现白光的方式主要有以下两种:第一种是通过多色LED多芯片组合(无荧光粉)实现白光。该技术路线主要要解决“黄色鸿沟“问题,黄光LED芯片成为主要技术瓶颈。以南昌大学江风益教授代表的研究团队正致力于研究硅衬底高光效黄光LED芯片的开发,并取得了关键性进展,黄光LED电光转换效率突破22.7%,达业界领先(图1)。由于此实现白光的技术路线对各色芯片的要求较高、初期成本较贵,且考虑到多色芯片长时间热态使用可能出现的光色差异导致色温不稳定性问题,应用领域虽潜力巨大但目前仍受到一定限制。


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       第二种方法是单色LED芯片激发多种荧光材料实现连续白光光谱。由于芯片材料及结构单一、简单、封装及控制成本较低,是当前实现全光谱白光的主要方案。通过在蓝光或其他单色LED芯片上涂敷荧光材料转化成白光,因此荧光材料是决定白光质量和色彩还原效果的关键因素。过去市场常规的蓝光芯片+黄色或绿色/红色荧光粉组合模式,会产生白光LED蓝光过剩、短波青光(~490nm)缺失、长波红光不足问题。新型全光谱LED在芯片和荧光粉选择及配比上进行了较大改善和优化,从而达到近似于自然光的高品质白光照明体验。

       高品质白光LED照明体现在舒适性、真实性、安全性、健康性四个方面。其具备优异的视觉舒适性(适当的亮度和亮度均匀性,无闪烁和眩光),高显色性,用眼安全和迎合昼夜节律调节等特点,满足消费者心理和生理健康。从LED封装的角度来说,高品质白色LED光源应具备较高的显色性以呈现物体的本真颜色,即光源光谱更接近于太阳光或白炽灯标准光源,连续性佳,平滑均匀。其次,光源不含紫外(UV)及红外(IR)辐射、并符合人眼敏感曲线。同时,满足对光质量、色饱和度分辨率要求高的场所。例如:高保真、色饱和度照明符合博物馆、画廊的需求;用于商业照明能够提供较少色差的购物环境,有利于商品的销售;用于手术灯照明可以正确显示血液,皮肤以及伤口组织的颜色;用于教育照明还原书本画面强,提高学习注意力;用于摄像摄影实况转播,良好的色彩饱和度和高保真度使气氛还原更加清晰真实;用于家居照明,高品质的白光使人们感觉更舒适,更加享受生活。为更精准的衡量光源还原物体颜色的能力,业界开始采用新的方法来评估对比不同光源的色品质表现,比如,在CRI测试基础上增加IES TM-30-15评价标准对颜色保真度(RF)和颜色色域度(RG)双参数体系进行评估,针对性地解决了CRI体系中对比色代表性不足、色空间不对称、参考光源不连续等问题。此外在光谱设计时,考虑较低的高能蓝光占比以减少潜在的蓝光危害,及通过封装设计和传感来调控LED色温及亮度随日照变化及使用场景的需求,并符合人体生理节律。

蓝光危害与健康光源的特性

       虽然来自学术界、工业界、医学界的专家已经达成了基本共识,即正确使用合格的白色LED照明产品对人眼来说是安全的,但人眼感应蓝光的锥状细胞的最大吸收波长(440-450nm)与常用蓝光芯片的发光波长及视网膜蓝光伤害特征曲线有很大的重合,因此,人们会特别关注高能蓝光对敏感人群人眼的影响。如图2所示,蓝光伤害曲线是指波段位于415-455nm(峰值:435-440nm),由于波长短,能量高,可以穿透晶状体到达视网膜,光功率中的蓝光成分对视网膜可能造成潜在的化学损伤,加速黄斑区细胞的氧化,引起视觉疲劳和视网膜疾病,如老年性黄斑变性(AMD)。国内外已推出一些相关的安全标准和参考文件作为支持。IEC/EN 62471:2006已经建立了关于评估灯具的光生物安全性的方法。北美的ANSI/IESNA RP-27建立了灯具和灯具系统的光生物安全相关标准。IEC/TR 62778规定了一般照明服务灯具类别的问题,并提供了对LED照明产品应用蓝光危险分类的指导。灯具通用安全要求标准EN 60598-1:2015针对LED灯具的要求更新主要包括:针对LED光源的蓝光伤害,增加了明确的危害等级要求(RG0/RG1/RG2/RG3);并且基于不同的危害等级,有相应的标签、说明书及固定灯具的安装要求。此外,考虑到儿童和老人的眼睛结构对蓝光的透过率、敏感性与成年人相比相对较弱,目前已有一些针对他们对蓝光危害的承受能力的评价方法研究,但还没有统一的标准。另外,高能蓝光危害的程度与剂量有关。蓝光的强度越大,危害等级也就越高。

       下面三个参数相乘,才能得到蓝光的剂量:

       1、光源光谱中本身包含蓝光成分的比重;2、光源本身的亮度;3、受到蓝光照射的时间。

       而这三点,也是灯具设计者防止受到蓝光危害而常采用的三个方向:

       1、选择色温低的光源;2、降低光源的亮度,方法如增加扩散板,避免光源直射眼睛;3、不要在很强烈的光环境中工作时间太久。除此之外,我们可以考虑从光源设计最大限度降低高能蓝光占比。


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       然而,蓝光又是白光的基本组成部分。光谱中的蓝光波长范围400-500nm的视觉过程包括颜色感知的重要波长。并且有研究表明,465-495nm蓝光在昼夜节律中起着至关重要的作用(图2)。由于这部分的光可以抑制褪黑素的产生,在白天光谱中增加此部分可以保证作业效率,使人保持清醒、警觉的状态,促进工作积极性、专注性。而在夜晚,通过降低蓝光或色温以达到促进睡眠、调整时差等功能。因此,根据一天中的不同时间与生活需求,综合视觉舒适度、眼睛安全、昼夜节律需求,通过光源的设计,色温连续可调的COB封装,与传感器和控制器结合,可实现色温和亮度的连续可调性,以满足各种场景及与日照时间相匹配的高性能照明要求(图3)。通过对LED光谱的有效调节和控制,LED在光品质和艺术效果上也逐渐超越了传统照明。甚至在被认为传统照明保有相对优势的酒店和零售商业照明领域,LED光源也能提供更加饱满的色彩还原效果。


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4  相关企业与代表性产品

       美国SORRA公司率先推出全光谱光源产品,采用GaN衬底生长制作紫光LED芯片,激发红绿蓝三种荧光粉将紫光转换为白光,包含了400-700nm的可见光谱,CRI95和R9大于90,对含400-480nm激发的光亮剂物体有亮白效果。近期,日本丰田合成及首尔半导体公司也通过类似的紫光或低波长蓝光激发荧光粉转换方式,相应推出全光谱白光系列光源,比如,在200mA驱动下,5000K色温LED光效达110lm/W,实现了与自然光较接近的光谱(图4),准确地呈现物体在自然光中的颜色和结构,这种全光谱白光实现方式近期引起了商业照明的关注。


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       此外,市场上实现高品质白光的另一条技术路线是在模拟太阳光的连续光谱的同时,尽量降低对人眼有害的UV和高能量蓝光光谱,在实现高显色指数的同时,不明显牺牲流明效率;在保证使用新型荧光材料的信赖性的同时,不增加材料及制造成本。比如易美芯光2017年广州光亚展推出的采用蓝光激发多种荧光粉实现类太阳光的全光谱系列产品。此类全光谱LED光源正是基于以上几点考虑,兼顾光效、光品质、成本及健康照明应运而生的产品。采用特定波长蓝光LED芯片激发红、绿、青色等多种荧光粉,实现光谱可调的白光光源。通过优化芯片波长和功率,及与荧光材料吸收及释放波谱的配方,大幅提高照明LED光源的光谱连续性、色饱和度、显色指数,同时通过青色荧光粉对蓝光的吸收,甚至实现二次转光,有效降低蓝光占比。许多LED封装公司也在加快开发蓝光激发的全光谱照明LED光源,近期朗明纳斯、宇极芯光、瑞丰、聚飞等也相继推出相应产品。

       依托不断研发新型荧光材料与LED芯片的合理配比,优化光源光谱,同时引入智能控制系统,以实现真正意义上的健康绿色生态照明。由于照明细分应用的不同需求,光源提供商可根据光效、色彩要求、显指参数、健康指标、及成本等进行权衡和优化。比如,企业针对不同的应用领域开发出了通用全光谱悦目、护眼台灯全光谱LED(图5)、影视灯全光谱LED等不同系列产品。


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5  结语

       本世纪以来,短短的的二十年时间,中国LED产业的取得了引人瞩目的成功,从一个无技术、无规模的产业,发展到今天产业链齐全、技术先进、拥有全球最大制造规模的产业。上、中、下油各环节的企业从珠三角拓展到长三角和全国各地,规模不断壮大,国际竞争力不断得到提升。随着产业链竞争力增强,LED器件封装格局也在改变,近年来国内制造商的进取精神发挥到极致,无论是芯片还是封装产业,都在大肆扩产,产线以数十数百的单位扩张,而国际厂商在过去几年基本上没有扩产。

       在生产技术和设备方面,LED封装制造产线也已经鸟枪换炮了,目前的LED封装制造产线,大部分工艺都实现了自动化,并不断向着智能化互联自控技术发展。在封装结构上,从开始的引线框架式封装到多芯片阵列组装,再到如今的DSP,倒装技术以及方兴未艾的Mini LED,封装技术仍在市场需求的推动下高速地向前发展。在器件的质量环节,随着LED光效商业化地攀过了180lm/w的高峰,人们逐步将关注重点从器件的光效转到更高要求的光色要求,在关注节能的同时更希望满足健康和情调照明的要求。

       本白皮书试着从几个侧面来剖析这波澜壮阔的LED光源产业全貌,挂一漏万也好,管中窥豹也罢,只望能给企业的决策者、产品的开发者一个有益的参考,以便看清LED光源器件的发展方向,清楚目前各环节一国外最高技术的差距,明白人们对照明产品的深层次需求,促进我国的LED创业发展。

       悦目系列:具有还原物体颜色真实生动的特性,综合考虑了高显色性/低高能蓝光/高光效/低成本的各项指标,为通用型98显指LED,适合应用于商照/教育/医疗/艺术展厅/家居等。

       全光谱护眼台灯系列:着重考虑到成长发育的孩子眼睛结构及对光的透过率、敏感性和成人的不同,承受蓝光的能力相对较弱,对于使用时间较长、使用距离近及具有的照度需求的台灯,需要关注高能蓝光成分对视网膜可能造成的损伤。如图5所示,通过LED光源的独特设计,在高显指悦目系列基础上,进一步降低短波高能蓝光占比,同时保障高波段蓝光的比分以促进工作积极性及专注性,提高学习及工作效率。

       全光谱影视灯系列:除具有较高的显色性外,满足R1-R15全部大于90的挑战,具有极佳的保真及色饱和度;较高的电视照明一致性指数(TICL=99)使得电视摄像、摄影机输出端画面的色彩真实清晰生动。

       全光谱技术不限于某种特定的封装形式,可根据不同的应用需求封装成SMD、COB、Flash、DOB等模组产品,为高品质照明生活提供多样灵活的LED灯珠与解决方案。


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来源于:阿拉丁照明网






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