“高亮度藍色發光二極管”解析

李為軍，施曉紅，陳超中，楊 樾

(上海市質量監督檢驗技術研究院，國家燈具質量監督檢驗中心，國家電光源質量監督檢驗中心(上海)，上海時代之光照明電器檢測有限公司，全國照明電器標準化技術委員會燈具分技術委員會，上海 201100)

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“高亮度藍色發光二極管”解析

李為軍，施曉紅，陳超中，楊 樾

(上海市質量監督檢驗技術研究院，國家燈具質量監督檢驗中心，國家電光源質量監督檢驗中心(上海)，上海時代之光照明電器檢測有限公司，全國照明電器標準化技術委員會燈具分技術委員會，上海 201100)

從“高亮度藍色發光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學獎說起，就藍光LED發光機理、目前發展的現狀、LED藍光危害等問題進行探討，以幫助大家對藍光LED有更深入的認識。

LED；藍光LED；LED藍光；藍光危害

引言

LED是一種能將電能轉化為光能的半導體電子器件。盡管紅光LED和綠光LED已經存在了很長一段時間，并被應用于機器儀器的顯示光源，但由于藍光LED的缺失，令照明用白光LED光源始終無法創建。

20世紀90年代，三名日本科學家經過不懈努力突破了藍光LED的關鍵技術，也因發明“高亮度藍色發光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學獎。

1 高亮度藍光LED的技術突破及應用

目前，采用GaN類半導體材料開發高亮度藍光LED已成為業界主流。作為能發出藍光的材料，受到研究人員關注的有碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)和氮化鎵(GaN)等3種。其中，SiC屬于間接帶隙的半導體材料，ZnSe和GaN屬于直接帶隙的半導體材料。在相同條件下，直接帶隙半導體材料的發光效率要高于間接帶隙的半導體材料。

1.1 高亮度藍光LED

20世紀90年代，三名科學家(赤崎勇、天野浩、中村修二)經過不懈努力和反復摸索，終于制造出藍光LED不可或缺的純凈氮化鎵結晶體、高效p層、以及能使該結晶體進行量產的金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)生長技術，為高效白光LED照明產品的生產和商業化應用開發奠定了基礎。

而以前曾盛行用來開發藍光LED的Ⅱ-Ⅵ族ZnSe半導體材料，由于生長過程中p-n結內形成的缺陷在高閾值電流、高結溫環境下會迅速擴散，使得其壽命的進一步提高十分困難，嚴重影響了其市場的應用。自GaN基高亮度藍光LED被開發出來后，制造藍光LED的主流就變成了GaN基材料。近年來，基于GaN材料制造的藍光LED其性能已經大幅提高，并獲得了廣泛應用，其中最重要的應用是顯示技術和白光照明。

1.2 實現白光LED的技術

目前，實現白光LED的方法主要有三種：(1)多芯片LED技術。通過紅光LED、綠光LED、藍光LED合成白光。(2)藍光LED+熒光粉技術。利用藍光LED芯片激發黃色熒光粉(紅色熒光粉+綠色熒光粉)合成白光。(3)紫外LED+熒光粉技術。利用紫外LED芯片激發三基色熒光粉合成白光。

這三種方法合成的白光LED發出的光譜中都有藍光的成分。

2 藍光LED與LED藍光

藍光LED和LED藍光是兩個不同的概念。藍光LED是指發射單一藍光波長的LED芯片，經過不同的合成技術能產生白光，并用于各類LED照明產品中；LED藍光是指各類LED照明產品的發射光譜中含有的藍光。

藍光并非LED光源所特有，我們日常所用的光源例如鹵素燈、熒光燈等所發的光譜中都有藍光的成分，太陽光里也有藍光的成分。

圖1給出了色溫都為3000K的四種常見光源的光譜。圖1(a)是白熾燈光譜，該光源在380nm～490nm區間的光譜占總發射譜的7.8%；圖1(b)是熒光燈光譜，該光源在380nm～490nm區間的光譜占總發射譜的16.5%；圖1(c)是陶瓷金鹵燈光譜，該光源在380nm～490nm區間的光譜占總發射譜的16.5%；圖1(d)是LED光譜，該光源在380nm～490nm區間的光譜占總發射譜的11.2%。由此可見，在相同的色溫下，LED光源的藍光成分與使用其他傳統光源的藍光成分相比并不是太高*所謂藍光光譜占總光譜的百分比是指藍光光譜波段的積分量占總光譜波段積分量的百分比。。

圖1 四種相同色溫光源的光譜圖(來自CELMA:optical safety of LED lighting)Fig.1 four kinds of the same color temperature spectra (from CELMA: optical safety of LED lighting)

3 LED照明產品的藍光危害評估

在使用各類LED照明產品的同時，人們開始關注其藍光危害，從了解藍光的基本概念出發，再看現實產品的測試結果，發現LED照明產品的藍光并不是想象中的那么“有危害”。

3.1 藍光危害的概念

在應用各類人造光源的同時，人們也正關注其存在光生物危害，如藍光危害。

藍光危害也稱視網膜藍光危害，是指由波長主要介于400nm與500nm的輻射照射后引起的光化學作用，導致視網膜損傷的潛能。

GB/T 20145—2006《燈和燈系統的光生物安全性》規定了視網膜藍光危害的評價方法。

大家知道，各類光源均存在高低不同的藍光相對光譜能量，所以藍光危害的評估涉及的光源也不僅是LED。但某些光源藍光相對光譜能量很低，不至于對視網膜造成危害，所以目前在進行視網膜藍光危害的安全性評估時，涉及的光源是LED、金屬鹵化物燈和一些特殊的鹵鎢燈。

3.2 LED照明產品藍光危害摸底測試的情況

在LED產品的光生物安全問題上我們普遍關注的是LED藍光對視網膜藍光危害，為了解國內市場上LED照明產品的藍光危害情況，根據IEC/TR 62778《應用IEC 62471標準評估光源和燈具藍光危害》進行藍光危害評估可能得到的結果如下：

(a)RG0 無限制：在所有燈具中的所有距離，初級光源最高產生了RG0；

(b)RG1 無限制：在所有燈具中的所有距離，初級光源最高產生了RG1；

(c)RG2的Ethr：在某距離時初級光源產生了RG2，此處含有初級光源的燈具產生的照度。危害級別見表1，其中最大暴露時間是指眼睛持續直視光源的時間。

表1 輻亮度值、最大暴露時間和危害等級關系 (來自IEC 62471:2006)Table 1 Radiance、exposure duration and risk rang (from IEC 62471:2006)

我們對市場上銷售的25個LED照明產品進行檢測并評估其對視網膜的藍光危害。25個產品中包括8個LED臺燈、5個LED射燈、9個LED筒燈、1個LED燈泡、2個LED平板燈。檢測結果表明：25個樣品中14個樣品的藍光危害屬于無危險RG0類，11個樣品屬于RG1類危險，無樣品屬于RG2類危險檢測結果，見圖2。這就是說,在正常使用條件下,無LED照明產品出現RG2類危害。

圖2 LED照明產品藍光輻亮度值Fig.2 led product blue radiance

3.3 “富藍”LED產品的藍光對司辰節律的影響

近來的研究結果表明：“富藍”LED照明產品的藍光對人體的司辰節律有一定影響，尤其是波長在450nm左右的藍光，該波長的光正好與人體的司辰視覺有關，有較強的使人分泌褪黑色素抑制劑的能力。褪黑色素的減少會使人興奮，不容易入眠，長此下去會影響人的免疫機制。

圖3給出了一個典型的5500K“富藍”LED白光光譜曲線與晝夜節律靈敏度曲線，它的460 nm最敏感波長與LED的藍光波長基本吻合，該光源發出光的最大光譜能量在460 nm區域，正好與晝夜節律曲線波形相吻合，將影響人體正常的日出而作、日落而息的司辰節律。

圖3 典型的5500K“富藍”LED白光光譜曲線與晝夜 節律靈敏度曲線Fig.3 Typical 5500K rich blue LED white light spectral curve and the circadian rhythm of sensitivity curve

因此，在夜晚建議不宜采用色溫太高的冷色光，最好采用色溫較低的暖色光，以減少高色溫LED產品的藍光對人體司辰節律的影響。

4 總結

隨著LED產品的推廣應用，人們對LED照明的藍光危害問題越來越關注。本文就藍光LED和LED藍光問題進行了分析， 并就LED光源發射譜中藍光所占的比例與傳統照明光源進行了比較，而對目前市場上LED產品的藍光危害評估結果也表明，在正常使用條件下幾乎沒有RG2類危險產品出現，同時為減少藍光對司辰節律的影響，本文建議夜晚家庭照明不宜采用色溫太高的冷色光光源，最好采用色溫較低的暖色光光源。

[1] Nobel Prize The Nobel Prize in Physics 2014[EB/OL].[2014-10-07].http:www.nobelprize.org/nobel-prizes/physics.

[2] 中華人民共和國國家監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 20145—2006燈和燈系統的光生物安全性[S].北京：中國標準出版社，2006.

[3] IEC.IEC 62471:2006燈和燈系統的光生物安全性[S].IEC,2006.

[4] IEC.IEC/TR 62778:2012應用IEC 62471標準評估光源和燈具藍光危害[S].IEC,2012.

[5] 陳超中，施曉紅，劉磊.白光LED的光生物作用特性[J].中國照明電器，2013,(4).

[6] 俞安琪，趙旭.LED照明產品光生物安全風險狀況分析[J].照明工程學報，2013,24(5):6-11.

[7] 俞安琪.發光二極管照明產品藍光危害的檢測分析和富藍化的分析及建議[J].光源與照明，2014,(1).

[8] CELMA.Optical safety of LED lighting CELMA[M].ed1.CELMA,2011.

[9] CELMA.CELMA—ELC Health WG(SM)007_lichtwissen19_Impact of Light on human beings[M].CELMA,2011.

[10] 中國照明學會.照明科學與技術學科發展研究報告(2012—2013)[M].北京：中國科學技術出版社，2014.

Analysis of ‘High Brightness Blue LED’

Li Weijun, Shi Xiaohong, Chen Chaozhong, Yangyue

(ShanghaiInstituteofQualityInspectionandTechnicalResearch(SQI),ChinaNationalLightingFittingQualitySupervisionTestingCentre(CLTC),NationalCenterofSupervision&InspectiononElectricLightSourceQuality(Shanghai),ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.,Subcommittee2onLuminaireofNationalLightingEquipmentStandardizationTechnicalCommittee,LuminariesSpecialtyCommitteeofChina,Shanghai201100,China)

In order to help people better understand the blue LED, the blue LED won the 2014 Nobel Prize in Physics was firstly introduced, and then we discuss the LED blue light hazard, light-emitting mechanism of blue LED, the current development situation and etc.

LED; blue LED; LED blue light; blue hazard

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.011