全光譜可調色溫高品質LED光源的研制

聶叢偉 閆永生 張青

摘 要：我國LED照明經過近20多年的高速發展已經由單獨追求光效轉向全面追求光品質。本文論述了全光譜可調色溫高品質LED光源技術研究，該研究成果不僅能滿足常規的照明需求，還能通過調節不同顏色LED發光的配比獲得不同色溫、不同顯色指數、不同光譜的照明光源。利用多基色進行光譜合成，得到連續光譜及可調色溫的高品質LED光源。利用多通道驅動裝置，通過智能系統，通過環境參數反饋，實現多光譜合成高品質連續可調的LED照明系統。

關鍵詞：全光譜；可調色溫；高品質；LED技術

1 概述

人類漫長的經濟社會的發展史是以人們活動時間的延長為標志。從原始社會的天氣狀況良好下的捕獵、采集活動到封建農耕社會的日出而作，日落而息，再到工業社會的兩班三運轉的倒班工作，再發展到信息社會的“夜經濟”“夜生活”，這些都充分體現了這一社會發展規律。隨著平均活動時間的延長，人類對照明提出了更高的要求。廣義上講，照明分三類，一是最基本的功能照明，二是滿足人心理的舒適照明，三是治療某些人生理疾病的醫療照明。[1]同時，對照明的需求也進一步增加，人類活動從平面空間光照轉轉向立體空間光照，平面空間光照指的是白天不需要人工光源，自然光即可滿足人們的日常需求，夜晚的需求也是短時間的、局部的，對光源品質的要求也不高，而立體空間則要滿足人們更長時間的照明需要，對光源品質也就有了更高的要求。另外，從光健康的角度的研究表明，人類的情緒走向、思維速度、內分泌系統甚至生命節律，不但與環境的光強狀態有關，也與環境的光譜結構有關，社會發展需要使得人們更長時間地活動在人工光源環境下，這就促使照明行業運用更多的技術手段，使人工光照環境更加符合人類生存發展的規律，從而將人們的生理狀態、心理狀態更加健康，更加具有身心健康和工作效率。因此，高品質照明是LED照明發展的主要方向之一，更強的還原能力，更舒適的光譜結構適應多種需要的光譜可變性等是LED整個行業均面臨的課題。

2 理論分析

從理論技術上講，實現高品質LED照明主要有兩種途徑，途徑一是采用多色窄光譜高效率LED（如紅、黃、綠、青、藍光）合成全光譜白光，主要目標是為了獲得大的色域空間，目前的應用領域多為顯色和電視播放等方面。該路線沒有LED激發熒光粉帶來的能量損失，通過多色LED的單獨控制可以在較大范圍內調節光譜，但面臨的主要問題是青光的缺失和黃光LED效率明顯偏低，目前國家重點專項正布置青光技術研發，而黃光國際最高水平是南昌大學研發的功率型黃光LED電光轉換效率為14%（20 A/cm2）。途徑二是采用藍光LED激發多色熒光粉（如紅粉、黃粉、綠粉、青粉等）獲得白光。主要應用領域是照明，面臨的主要問題仍是LED激發熒光粉帶來的能量損失，同時光源在使用過程中缺乏光譜可變的靈活性，兩途徑的結合運用即采用多基色芯片與多成分熒光粉綜合運用以獲得高品質的光照產品有著廣闊的研究空間。

3 技術路徑

現有LED白光是通過藍光LED激發黃色熒光粉獲得的，光電轉換效率已遠超白熾燈和日光燈，但光品質不夠高，主要表現在顯色指數、色溫和光效之間難以協調發展，雖然也有可調色溫的LED產品出現，但都是僅僅實現了色溫的變化，不能保證連續可調的區間的保證高品質照明的需求。因此選擇的技術路徑為：面向led行業發展的主要方向，從器件設計和封裝工藝入手，研究相關的關鍵技術從而初步實現全光譜覆蓋并根據需要進行調整的LED器件，為高品質照明系統的實現提供堅實的技術基礎。采用多基色芯片和YAG、氮化物、量子點熒光粉，利用藍、青、綠、黃、橙、紅六基色合成連續光譜白光產生技術，采用小間距多基色合成連續光譜的LED光源封裝技術，制備全光譜、可調色溫、高品質LED光源。高品質LED照明應具備聯系色溫在可調的區間內具有高顯色指數、高光效、對人眼安全與舒適等特點。

4 研制過程

在全色溫范圍內，確定目標色溫的光譜形態和成分分量，通過計算機模擬和理論計算，分析現有白光LED的光譜，找出現行光譜缺陷。分析光源的特征參數確定基色的光譜形態和分量成分。設計各基色的光譜的實現方案，并實驗各基色的光通量控制特性和光譜變化特性。開展高品質封裝光源的光譜的選擇與設計，通過計算機模擬技術，設計多芯片互聯鏈路。研究芯片與熒光粉，熒光粉之間的相互激發與吸收的匹配性，在多種規格的熒光粉及量子點混合狀態下熒光粉及量子點空間分布狀態控制技術，熒光粉的空間分布狀態與LED的發光效率、可靠性以及生產成本有十分密切的關系。包括粉體物理參數（形狀、粒徑、密度等）的確定、混合方式、多頭在同一個封裝腔體內的點膠方式、膠體固化程序等，實現光譜連續和高品質所需要的熒光粉空間形態，從而實現LED光參數和色參數的目標。設計各基色的分布狀態，實現光源空間分布的均勻性，研究設計各基色的電學特性，設計光源的電拓撲，以實現驅動電壓的一致性。研究基于低電流密度應用的LED驅動技術，設計多芯片LED的電應力匹配，設計滿足多種芯片混合封裝的結構設計；引線端獨立設計，可在外接的引線端任意并聯或串聯，方便驅動電源的設計；設計多通道驅動裝置，通過智能系統，通過環境參數反饋，實現多光譜合成高品質連續可調系統。

通過研究，獲得LED典型參數：在發光面直徑小于15mm的高導熱率、高反射腔體內，可實現在顯色指數大于80的情況下，相關色溫在22006600K的連續可調，而且保證，在色容差均可以做小小于5SDCM的全色域照明，光效大于90lm/W。

5 結語

人類生理和心理健康是照明行業面臨的重要課題，還原世界本來的狀態和強化某種特征影響人們的認知結果，這就需要照明系統能夠完成這樣三個目標，在不同的場合，不同的時段給人們展現不同的狀態。這就需要光源和照明裝置要具有全光譜覆蓋和光譜調整能力。我國在十三五開局之年以重點研發計劃的形式布局了下一代LED照明光源即高品質LED照明的研發。這必將推動我國LED照明技術引領世界，并滿足消費市場不斷提升的需求，這將帶來顯著的經濟和社會效益。

參考文獻：

[1]聶叢偉.第四范式對照明舒適度的推進分析[D].石家莊：河北師范大學，2018.06.

項目：本文章的研究工作受助于石家莊市科學研究與發展計劃，項目編號：181130471A

作者簡介：聶叢偉，男，趙縣人，研究方向：LED封裝技術與應用。