全光譜LED技術研究進展

裘金陽，陳 磊，王新中，林金填

(1.深圳信息職業技術學院電子與通信學院，廣東深圳 518172;2.華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢 430074;3.深圳清華大學研究院，廣東深圳 518057;4.旭宇光電(深圳)股份有限公司，廣東深圳 518101)

1 引 言

半導體發光二極管(Light emitting diode，LED)被稱為第三代照明光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，其產品已經普遍應用于日常照明和顯示領域[1-6]。目前，通常采用藍光芯片搭配黃色熒光粉(YAG∶Ce3+)或采用藍光芯片激發綠色熒光粉和紅色熒光粉[7-8]實現白光LED。其中，采用藍光芯片激發黃色熒光粉實現白光LED由于光譜缺乏紅色組分，顯色指數一般都在70左右[9-10]。而采用藍光芯片激發綠色熒光粉和紅色熒光粉實現白光LED，其顯色指數能夠達到80或90以上。

近年來，隨著一些專業照明領域對LED產品提出了高品質的要求[11]，全光譜LED的概念應運而生，其具有光譜和太陽光可見光光譜相似度高、色彩飽和度和保真度高、顯色指數接近100且無藍光危害等優點[12]，被認為是未來半導體照明技術的一個主流方向。

全光譜LED作為一種新型的白光實現方案近年來得到了快速的發展，在教育照明、植物照明、商業照明、醫療照明、博物館照明、相機補光燈等眾多專業領域都得到了廣泛的應用，但還是存在著一些問題需要解決，例如目前的全光譜要實現真正的太陽光譜還存在一定的技術壁壘，紫外和遠紅光及紅外部分仍存在一定的光譜缺失，且光效仍需進一步地提升。本文重點介紹了全光譜LED概念、標準、關鍵技術問題及如何進一步優化全光譜LED的光譜功率、光譜連續性及覆蓋范圍，提升全光譜LED的顯指和光效是目前研究的熱點。

2 全光譜LED的概念與特性

2.1 全光譜LED的概念

全光譜是指光譜波長范圍覆蓋可見光、并包含少量紅外光和紫外光的連續光譜，同時要求光譜圖中各段波長的比例相對均衡，顯色指數接近100(Ra＞97，CRI＞95，R1～R15＞90)。太陽光就是自然界中典型的全光譜，目前研究者們普遍致力于模擬5 000 K太陽光譜來實現全光譜[13]。如圖1所示為光譜能量分布圖(Spectral power distribution，SPD)，現有技術實現的光譜分布與太陽光譜仍然存在較大差距，特別是在藍綠光波段有著較大的缺失。

圖1 現有技術全光譜與太陽光譜全光譜對比圖。(a)現有技術全光譜:藍光芯片+黃色熒光粉(YAG∶Ce3+)+添加黃綠色熒光粉(Ga-YAG)+紅色熒光粉(氮化物熒光粉);(b)太陽光全光譜。Fig.1 Comparison of present SPD and solar SPD.(a)Present full spectrum SPD(yellow phosphor+green phosphor+red phosphor).(b)Solar SPD.

2.2 全光譜LED的特性

目前業內普遍認為全光譜LED應同時具有以下特性:光譜覆蓋范圍寬，類太陽光光譜，高色彩飽和和逼真度，優異的顯色性，低藍光危害。

其中寬光譜可以通過短波和長波熒光粉搭配使用得到，例如使用藍綠色熒光粉搭配綠色熒光粉及紅色熒光粉就能在可見光區域得到較寬的波譜。與此同時，也有部分研究者著手于超寬光譜熒光粉的研究。

光源的顯色性[14]就是指一個光源反映物體真實顏色的能力，目前普遍采用CIE于1965年提出的“測驗色”法來評價光源的顯色性。該方法采用顯色指數來表示光源的顯色性，設定參照光源的顯色指數為100。用待測光源照明CIE某標準色板(i=1～15)，再用與該白光光源色溫相同的標準光源照明該色板，如圖2所示為各標準色板圖。

其中色板所呈現的顏色的差異(ΔΣ Ei)表征該白光光源的顯色性，并用特殊顯色性指數Ri表示:

圖2 R1～R15標準色塊圖Fig.2 Standard color card of R1-R15

常規LED的評價標準通常都是一般顯色指數Ra:

評價全光譜LED的顯色性時，同時對一般顯色指數Ra和特殊顯色指數Ri提出了要求，目前行業普遍認為全光譜LED需要同時滿足以下顯色性要求:

一般顯色指數:Ra＞95;特殊顯色指數:R1～R15＞90。

普通LED光譜中藍光波段能量較大，長時間照射會對人體產生藍光危害:導致視網膜損傷、抑制褪黑色素、導致睡眠紊亂和一系列內分泌失調[15]。全光譜LED通過提升紅光和綠光波段的光譜能量，降低了藍光的光譜能量占比，有效抑制了富藍光帶來的藍光危害。應用在教育場景和辦公場景中能有效緩解人員視力疲勞，減少對視網膜的傷害。

3 全光譜LED現有技術及其優缺點

3.1 紫光全光譜

紫光全光譜方案采用近紫外LED芯片激發三基色熒光粉來實現全光譜[16-17]。一般選用波長為405～420 nm的UVA芯片，搭配藍色熒光粉(鋁酸鹽熒光粉)、黃綠色熒光粉(Ga-YAG)、紅色熒光粉(氮化物熒光粉)，最終得到如圖3所示的較為平緩的“象背型”光譜圖，其光譜和太陽光可見光譜相似度高于95%。

該方案使用藍色熒光粉激發藍光波段，在抑制藍光和補齊靛色(480 nm附近的藍光)方面更加優異，同時，紫光芯片的使用又使其光譜補齊了短波紫光的部分，光譜連續性更好[18]，更接近太陽光譜。但是該方案也存在一些弊端，首先，由于UV芯片自身的局限性，會存在價格較高，光電轉換效率相對較低的問題;其次，目前藍色熒光粉的外量子效率較低且可靠性仍需進一步提升，應用于大功率產品時容易導致光衰，并存在色漂移較大的問題。

圖3 紫光全光譜圖Fig.3 Spectral figure of near UV chip emitted full spectrum LED

3.2 藍光全光譜

藍光全光譜方案其實更像是常規白光LED方案的升級版，在傳統白光LED“藍光芯片+黃色熒光粉(YAG∶Ce3+)”的基礎上，添加黃綠色熒光粉(Ga-YAG)和紅色熒光粉(氮化物熒光粉)，補足了常規LED光譜中綠光波段和紅光波段的波谷，如圖4(a)所示。但是，芯片所在的450 nm波段和綠色熒光粉激發的495 nm波段之間仍然存在一個明顯的深溝。基于上述問題，趙方儀等[19]通過添加氮氧化物藍綠色熒光粉BaSi2O2N2∶Eu2+來彌補這一缺陷，取得了較好的效果。研究多種波段藍光芯片和熒光粉之間的耦合技術，也是實現LED光譜高連續性、獲得高品質全光譜LED的關鍵技術。圖4(b)為采用雙藍光技術實現LED的光譜圖，該方案光譜連續性較好，且短波藍光強度較低。

藍光激發全光譜相對紫光激發全光譜具有成本低、光效高、易于產業化等優點。但同時也存在不足之處:色溫較高時短波藍光的抑制作用不明顯;480～490 nm左右的靛色部分熒光粉的量子效率和穩定性需要進一步改進;采用雙藍光激發方案，其光譜效果相對單藍光具有較大提升。

圖4 藍光全光譜圖。(a)單藍光全光譜圖;(b)雙藍光全光譜圖。Fig.4 Spectral figure of blue light chip emitted full spectrum LED.(a)Single blue light peak full spectrum SPD.(b)Double blue light peaks full spectrum SPD.

4 提高全光譜LED品質的研究方法

目前主流的全光譜LED實現方案都存在著各自的不足，距離理想的太陽全光譜仍然有較大的差距。研究者們試圖從不同方面著手，以期進一步提升其光譜質量。

4.1 全光譜用熒光粉的研究

熒光粉決定了LED的光譜形狀，根據基質體系的不同，白光LED熒光粉可以分為鋁酸鹽體系熒光粉、硅酸鹽體系熒光粉、氮化物及氮氧化物體系熒光粉等[20-21]。

鋁酸鹽體系熒光粉具有亮度高、發射峰寬、成本低等優點，應用較為廣泛，研究最為成熟，目前一系列的工作正致力于該體系熒光粉的改性，從而提升熒光粉的熱猝滅性能和亮度[22]。典型代表就是日亞化學公司于1996年開發的Ce3+激活釔鋁石榴石(Y3Al5O12，簡稱YAG)黃粉。硅酸鹽基質體系熒光粉具有發射光譜覆蓋較寬、化學穩定性較高等優點，但是對濕度較為敏感，不耐高溫，目前已報道的硅酸鹽熒光粉基質主要包括Ca3Si2O7∶Eu2+、Sr2SiO4∶Eu2+、LiSrSiO4∶Eu2+、Ca2Sc3Si3O12∶Eu2+、Sr3SiO5∶Ce3+等[23-24]。稀土離子激活金屬氮化物/氮氧化物體系的發光材料具有激發波段寬、發射顏色多樣、熱穩定性和化學穩定性好、無污染等優點，已成為國內外研究的熱點，主要包括 MAlSiN3∶Eu2+(M=Sr，Ca)、MSiN2∶Eu2+(M=Ca，Sr)、M2Si5N8∶Eu2+(M=Sr，Ca，Ba)等[25]，但是由于這類熒光粉研究起步較晚，其晶體結構變化和熒光性能調控方面仍需深入研究。

為了降低全光譜LED配制難度，并提升其光譜質量，部分研究者對全光譜用熒光粉展開了研究。當前，超寬帶熒光粉的開發作為其中一條研究思路已經開展了許多重要工作。Dai等[26]用BO3陰離子代替Sr5(PO4)3Cl中的PO4陰離子使其晶格發生畸變，合成的Sr5(PO4)3-x(BO3)xCl∶0.04Eu2+熒光粉在446 nm和550 nm處均存在發射峰，如圖5所示，可以實現可見光內的可調諧發射，其超寬的發射光譜為開發高顯色指數的白光熒光粉提供了一條重要的捷徑。Li等[27]合成了一種新型的Sr2AlSi2O6N熒光粉，其具有230 nm的超寬發射光譜，使用該單相熒光粉制作的白光LED展現了優異的顏色質量(Ra=97，R9=91)。Wang等[28]利用高溫固態反應方法合成了單離子活化的單相白光熒光粉Ba2Y3(SiO4)3F∶Eu，在350 nm紫外光激發下，熒光粉在470 nm和600 nm處出現兩個主要的寬譜帶，激活離子在基質晶格中的不同占位導致了多個發射峰的出現。

圖5 Sr5(PO4)2.5(BO3)0.5Cl∶0.04Eu2+(紅線)和 YAG∶Ce3+(黑線)LED光譜Fig.5 PL spectrum of Sr5(PO4)2.5(BO3)0.5Cl∶0.04Eu2+phosphor under excitation at 365 nm(red line).Electroluminescence spectrum of the commercial YAG∶Ce3+-based WLED is also plotted as a reference.

由于缺少相應的熒光粉，目前的全光譜方案在靛色部分存在著一個難以消除的凹陷區域。針對上述現象，有研究者致力于開發新型熒光粉來對靛色波段進行補償，為全光譜用熒光粉的研究提供了另一條思路。Yan等通過高溫固態反應方法研制出了峰值波長在469 nm附近的青色熒光粉YScSi4N6C∶Ce3+，可以用來填充光譜中缺失的靛色部分，適用于全光譜的配比[29]。實驗結果顯示，該熒光粉和YScSi4N6C∶Ce3+(藍色熒光粉)、β-sialon∶Eu2+(綠色熒光粉)、CaAlSiN3∶Eu2+(紅色熒光粉)搭配使用，并用近紫外芯片(λem=405 nm)激發能得到CRI為94.7的高顯指白光器件。(Sr，Ba)5(PO4)3Cl∶Eu2+型熒光粉具有獨特的光譜可調特性，但是其調節機理尚不明確。Fang等[30]綜合分析了其陽離子空位電荷補償和擠出機理，提出了適用于全光譜的Sr3.4Ba1.3Eu0.3-(PO4)3Cl熒光粉，能填補光譜中480～520 nm的藍綠色波谷。

紫光激發全光譜LED中，提供藍光波段的藍色熒光粉是必不可少的。目前普遍采用Eu2+摻雜的氯磷酸鹽和鋁酸鹽熒光粉，這些熒光粉發射峰的半峰寬(Full width at half maximum，FWHM)大體上在20～60 nm之間，并且其最佳激發波長小于370 nm，不利于提升LED的光效和顯指。Chen等[31]通過單源前驅體分解方法制備了介孔氫氧化鋁型藍色熒光粉，測試發現其具有較高的量子產率和較寬的半峰寬，使用該熒光粉組裝的白光LED器件同時具有較高的光效和顯色指數。

除了傳統的熒光粉，還有部分研究者也開始著眼于量子點在全光譜LED上的應用。量子點(Quantum dot，QD)是一種納米尺寸的半導體粒子，具有優異的光電性能。其作為光致發光材料時，發射光的波長取決于其粒徑的大小，因此以量子點為發光體的LED(QLED)可以獲得接近連續光譜的特性，在全光譜領域有著廣闊的應用前景。Zhong等[32]使用量子點制備出了同時滿足高顯色指數、高出光效率的各色溫段白光LED器件，在2 700～6 500 K色溫之間，CRI達到了95，LER≥300 lm/W，其光譜如圖6所示。

OSRAM公司在2019年5月推出了商業化QLED產品，使得CRI為90的器件在3 000 K色溫時光效能達到173 lm//W。

圖6 CRI=95、R9=95的QD-LED白光SPD。Fig.6 Optimal relative SPDs of QD-WLEDs with CRI=95 and R9=95

4.2 多基色全光譜的研究

全光譜LED對顯色性提出了更高的要求，在白光LED方案中使用更多的基色能有效提升器件的顯色水平。但是引用了更多的基色之后由于其眾多的單色光譜，也會使得在配置高顯色指數白光LED時需要更加復雜的遍歷計算和調試配比的過程，在現實的合成過程中較為困難，不利于最終的產業應用。為此，研究者們提出了各種方案，力求在盡可能簡化配置難度的基礎上提升器件的光譜質量。

Lin等[33]設計了一種色溫可調的優化光學性能的白光LED模型:R組，直接激發的紅光芯片;pc-Y組，藍光芯片激發綠色和橙色熒光粉;pc-C組，藍光芯片激發綠色熒光粉，如圖7所示。該方案的本質其實就是將藍、綠、橙、紅的四基色問題簡化成了三基色問題，簡化了計算和調試過程。通過調整上述3組基色的比例，在2 731～6 533 K色溫之間實現了Ra≥98，大部分Ri≥95。但是這種方法得到的光譜圖在藍光和紅光波段明顯存在難以消除的尖峰，如圖8所示。

圖7 R組、pc-Y組、pc-C組模擬和真實光譜圖。Fig.7 Optimal and real relative SPDs of red LED，pc-Y LED and pc-C LED.

圖8 不同色溫的模擬SPD和真實SPDFig.8 Relative SPDs of optimal and real R/Y/C white LED cluster at different CCTs

柳絲婉等[34]提出了九基色光譜合成全光譜白光LED的方案，初始光譜包括紫、藍、青3種LED芯片和淺綠、黃綠、黃色、橙色、紅色、深紅6種熒光粉。同時還提出了內三角法和同色異譜法來計算各基色的比例。最后兩種九基色合成法得到的白光光譜Ra均高達98以上，其光譜能量分布如圖9所示。

湯露瑤等[35]使用15種不同峰值波長的LED單色光芯片，模擬了色溫在3 000～6 000 K范圍內的太陽光譜。他們基于最小二乘法提出了一種評估組裝光譜和目標太陽光譜相似程度的數學模型:

圖9 不同方法得到的全光譜白光SPD。(a)三基色合成得到的白光SPD;(b)內三角法得到的全光譜白光SPD;(c)同色異譜法得到的全光譜白光SPD。Fig.9 SPDs of three methods’full spectrum LED.(a)White light SPD synthesized by tri-primary color method.(b)White light SPD synthesized by inner triangle method.(c)White light SPD synthesized by metamerism method.

其中E為總光譜失配評價指數，ST(λ)為目標光譜分布，Si(λ)為LED光譜分布，Ki為功率系數。并通過計算機模擬仿真來確定LED功率參數組合。最終得到與太陽光譜類似的白光光源，如圖10所示。

圖10 用13種LED模擬6 000 K太陽光譜圖Fig.10 13 LED simulate solar SPD at CTT of 6 000 K

4.3 健康照明和智慧照明的實現

根據有關報道，不同色溫的光能夠刺激視網膜細胞，使大腦做出相應的指令，從而影響人的生物鐘和激素分泌，會對人體健康產生一定的影響。為了實現健康照明，有學者提出了光色可調的全光譜LED方案，可以模擬從早到晚不同色溫的自然光。Zhang等[36]在 CCT=3 183 K 的全光譜LED的基礎上，經過光譜疊加的的計算機模擬仿真后，加入主波長分別為634.1，513.9，456.2 nm的LED器件，在不同時間段驅動不同的LED器件進行光色組合，在2 719～6 497 K的色溫范圍內取得了CRI高于93的全光譜器件。

也有學者選擇把全光譜LED和照明控制技術、調光模塊、無線IP、移動APP等相關技術結合，提出了一套完整的軟硬件結合的系統體系結構，為當前的智慧化城市提供一種具體、可實現的照明系統方案[37]。

5 結 論

本文分別從發光材料的研究和增加基色數量兩方面提升現有全光譜LED方案的品質。但是其最終效果距離真正的色溫可調太陽光全光譜還有一定差距，熒光粉的熱穩定性、可靠性、特殊波段熒光粉的開發仍需進一步的提升;增加基色完善光譜的方案也仍然存在計算過程復雜的問題，還需要進一步研究。接下來的研究熱點將著眼于配置出更接近太陽光全光譜的同時，消除太陽光譜中紫外等有害波段，實現更健康的照明。同時，全光譜LED還將與控制系統相結合，在各使用場景下根據需求智能改變出光品質，實現智慧照明。總而言之，隨著材料技術的發展、工藝的進步以及與控制系統的結合，這種新型照明光源將在未來得到更廣泛的應用。