全光譜LED健康照明：機遇與挑戰

靳梓諾，沈亞龍，2，趙虎旦

(1.宿遷學院 材料工程系，江蘇 宿遷 223800；2.南京理工大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 210094；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033)

引言

近些年來，被人們廣泛使用的照明產品無疑是白光LED。LED又名發光二極管，相較于傳統照明，LED是一種全新的固態照明技術——半導體固態照明。不同于白熾燈的鎢絲，半導體固態照明的發光材料主要依靠其內部的PN結，可以直接將電能轉變為光能。因此目前市場上的白光LED具有光電轉換效率高、耗能少、壽命長等優點[1]。白光發光二極管根據芯片數目可以分為單芯片型和多芯片型，由于多芯片型LED構造較為復雜，生產成本較高。因此相比之下，適合量產的家用LED燈為市面上主流的單芯片型白光LED，其利用光致發光的發光機理，制備方法主要采用“紫外線或者藍光芯片激發各色摻有稀土元素的熒光粉”[2]，由此復合發光生成白光。

隨著LED技術的不斷發展與成熟，人們對燈具的發光品質也愈加注重。美國環境保護署(U.S. Environmental Protection Agency)于1991年開始提出“綠色照明”的概念。1996年，中國開始正式實施綠色照明工程。隨著綠色照明概念的推行，人們除了關注照明節能環保外，更加注重照明的品質。由于白光LED是由藍光或紫外線激發熒光粉復合發光而成，因此其發射的白光光譜中紫外線或藍光部分較多。而光輻射的危害主要體現在紫外線對人體皮膚的傷害、藍光對眼睛的危害以及熱損傷。IEC 62471:2006標準根據不同光波的發射限值進行了危險等級的劃分，見表1。白光LED除藍光過剩外，在光譜中也存在著青藍光波段較低、紅光波段缺失等缺陷。這些缺陷不僅會對人體健康造成威脅，也會對部分植物生長起到抑制作用。因此，這種藍光危害小、光電轉換效率高的全光譜LED健康照明逐漸成為人和動植物健康生長的主流照明方向。

表1 IEC 62471:2006的生物危害分類

1 全光譜LED

1.1 概念特性

為解決普通LED光譜在藍色波段范圍產生的危害，研究學者們提出了一個新的名詞：全光譜LED。全光譜LED是指光源發出的光涵蓋所有可見光，即紅、橙、黃、綠、藍、靛、紫七色，以及少量的不可見光[3]。太陽光屬于自然光，太陽光譜是人們最為熟悉的全光譜，其光譜是連續的。從圖1可以看出，全光譜沒有普通LED光譜中各波段比例嚴重失調的問題，從而彌補了普通LED在光譜上藍光過剩、青色光缺失、長波紅光不足[4]的缺陷。這些優勢不僅減少了普通LED的藍光過剩帶給人體的視覺疲勞，同時，其連續可調的寬光譜滿足了不同動植物生長的光照需求，為動植物的生長提供了有利的光照環境。

圖1 太陽光譜與普通燈具光譜圖比較Fig.1 The comparison of the solar spectrum and the spectral map of ordinary lamps

顯色特性是衡量光色特性是否優越的標準之一。顯色指數CRI 的大小反映了其光源對物體的顯色能力的好壞。從圖2中可以看出，顯色指數越高，物體色彩還原度越大，帶給人們的視覺效果越好。目前全光譜LED的平均顯色指數Ra高達97以上[5]，要遠遠高于普通LED，即全光譜LED相較于普通LED具有高顯色特性，能更大程度地還原物體本身的色彩。

圖2 不同顯色指數燈源的顯示效果Fig.2 Display effect of different color rendering index lamp sources

1.2 制備方法

目前全光譜LED制備方法主要分為多基色LED方案和LED激發多色熒光粉方案。而對于LED激發熒光粉方案，熒光粉的種類對全光譜LED的性能起著決定性作用。因此，針對不同照明應用場景的需求，可以摻入不同的熒光粉，以此制備出不同光電特性的全光譜LED。

1.2.1 多基色LED構筑

多基色LED構筑法主要是將多種不同顏色的單色LED芯片集體構筑，通過不同的排列組合，改變波峰值與半高寬等光譜特征，從而得到連續光譜且具有高顯色性和高光效特點的一種制備方法。目前通過三基色LED芯片混合而成的白光顯色指數可達到85以上，而四色芯片組合的LED顯色指數可達到88以上[6]。

1.2.2 單色LED光譜擬合法

單色LED光譜擬合是根據不同顏色LED的光譜特性，選取合適的單色LED光譜進行疊加，并通過光譜擬合數學模型、光譜擬合優化算法等成功實現全光譜LED照明。王宏民等[7]提出將LED光譜合成自然光全光譜的數學模型為：

(1)

式中，L(λ)為目標光譜曲線；In(λ)為單色LED在額定電流下光譜分布函數；kn為擬合系數。

成功建立數學模型后，分別利用最小二乘法、LM算法得到擬合所需的單色LED的擬合參數并進行參數優化。隨后采用遞減實驗的方法，對擬合結果進行優化。最終結果顯示，27種單色LED合成光譜結果滿足AM1.5的A級標準，17種單色LED合成光譜滿足AM1.5的B級標準，達到模擬太陽光照明的光譜匹配度要求[8]。

1.2.3 藍光LED芯片+黃紅色熒光粉

為進一步彌補現有技術中全光譜紅色波段的缺失問題(圖3)，研究學者們相繼提出在此制備基礎上加入不同波長的紅色熒光粉，以達到使全光譜更貼近太陽光譜的目的。Uheda等[9]提出在黃色熒光粉中摻入新型氮化物紅色熒光粉CaAlSiN3:Eu2+。將發光波長為450～470 nm的藍光芯片激發黃色與紅色熒光粉，從而得到長波紅色發射峰，提高了光譜的整體連續性，改善了顯色性能。CaAlSiN3:Eu2+紅色熒光粉熱穩性較好，但是合成時需要高溫高壓，因此難以進行大規模生產。

圖3 現有技術全光譜與太陽光譜比較圖[10]Fig.3 The comparison of the full spectrum of existing technologies with the solar spectrum

1.2.4 雙芯藍光芯片+多色熒光粉

雙芯藍光芯片搭配多色熒光粉是利用兩個不同波長的藍光芯片激發熒光粉使部分特殊顯色指數達到90以上的一種制備方案。任昌烈等[11]通過實驗得出結論：在光源色溫為5 000 K時，若兩個藍光芯片的發光波長分別在447.5～450 nm和455～457.5 nm范圍內，并搭配密度為6 450 kg·m-3的Y3(Al，Ga)5O12:Ce3+黃綠色熒光粉和少量氮化物紅色熒光粉(Sr，Ca)AlSiN3:Eu2+、密度為6 100 kg·m-3的Y3(Al，Ga)5O12:Ce3+黃綠色熒光粉與氮氧化物BaSi2O2N2∶Eu2 +藍綠色熒光粉，可組成顯色指數高達97.8的全光譜白光LED。

1.2.5 紫光芯片+RGB三基色熒光粉

此制備方案是用波長為395 nm左右的紫光芯片搭配一定比例的紅、綠、藍三色熒光粉，可得到顯色指數高、顏色穩定性好的優質全光譜LED[12]。日本與韓國目前在中國銷售的全光譜LED，其制備技術為紫光芯片(UV)激發三基色熒光粉。圖4所示為目前市面上主流的紫外光激發全光譜LED光譜圖。然而，隨著色溫的升高，光譜中藍色波段能量越大，對人體的傷害越高。因此，為了降低燈具工作時的色溫，楊皎潔[13]提出了一種新型商用短波藍色熒光粉NaSrSeSi2O7:Eu2+和NaBaLuSi2O7:Eu2+青色熒光粉。實驗結果表明，將市面上普通藍色熒光粉替換為焦硅酸鹽藍色熒光粉，并搭配其他顏色商業熒光粉，再加入青色熒光粉，在波長為330 nm的UV芯片激發下得到的WLEDs器件，其相關色溫顯著下降。同時，此方法也有效填補了短波長部分，彌補了青色光缺失造成的波谷。由此，光源光譜更加接近太陽光光譜。

圖4 紫外光LED激發全光譜圖[10]Fig.4 The full spectrum of UV LED excitation

2 全光譜LED的機遇

全光譜LED的機遇來源于其優越的光色特性和廣闊的應用市場前景。全光譜LED的優勢主要體現在其光譜較普通LED更加接近自然光光譜，有效減少了藍光危害，緩解視覺疲勞。因此被廣泛應用于日常家庭照明、教育照明、動植物照明等領域。

2.1 健康照明

追求健康照明是人們日益增長的美好生活需求的具體表現之一。研究表明，人長時間在帶有能量較大的藍光波段LED照明下，人體視神經會受到較大的傷害，造成人體視覺疲勞、近視等；同時，會干擾人體生物節律，對人體健康產生影響。對于糖尿病患者來說，由于他們服用的藥物大多屬于光敏感性藥物，若患者用藥過后長時間暴露在藍光過剩的光照環境下，極大概率會引起患者的視網膜病變，且隨著燈的色溫越高，其所包含的藍色光波段能量越大。因此，在這個人們不斷追求“健康生活”的時代里，減少藍光過剩產生的危害開始成為研究學者們主攻的一個課題。

2.2 教育照明

隨著預防控制全國兒童青少年近視率等一些政策的出臺，教育照明被逐漸重視起來。

2018年8月，國家衛生健康委員、教育部等部門聯合印發了《綜合防控兒童青少年近視實施方案》。方案中提到：預計到2030年我國兒童近視率應控制在3%左右，小學生、初中生和高中生近視率應分別控制在38%、60%和70%以下。預防近視中，除了加強自身的防范意識外，環境因素也至關重要，例如用眼的環境和燈具的選擇等。《中小學校普通教室在照明設計安裝衛生要求》中指出：對于教室照明，學校應充分利用自然光。使用燈具照明時應盡量選擇色溫指數高、藍光危害少的白光LED。因此制造出性能優越、舒適度高的教育照明燈具的工作迫在眉睫，全光譜LED照明應用前景也十分廣闊。從表2可以看出，全光譜LED相較于傳統LED，可以幫助教室里的學生更好地緩解眼部疲勞，符合現行國家標準。

表2 改造前后學校教室光源品質對比

2.3 動植物照明

隨著農牧產業的發展，光電科技越來越多地應用到農牧產業上來。農牧產業大力發展的同時也帶動了動植物照明產業的崛起。全光譜LED憑借其自身的優勢在農牧照明市場的前景也愈加廣闊。

奶牛生產性能(產奶量)是評判奶牛品質的標準之一[14]。有研究發現，每天長時間接觸光照的奶牛，其牛奶產量可相對提高5%～16%[15]。同時，與白光和黃光LED燈相比，藍光過剩的LED燈會給奶牛造成更多的壓力。因此，可以利用智能控制系統，搭配傳感器等其他智能設備，制備出一種應用于奶牛養殖的全光譜LED照明控制系統。傳感器用于檢測當地牧場位置的平均光照強度、色溫，以及光譜中藍光的比例。然后通過調節控制照明系統中光譜不同波長的發光比例、光照強度、色溫等光色指數，使全光譜LED發出的光達到最適合奶牛生產生活的光源標準，從而增加奶牛的產奶量。

光質影響著植物的光合特性、生長發育、生理代謝和形態構建，紅光和藍光是植物進行光合作用和光形態建成的主要光譜[16]。不同植物生長時所需要的最佳光質條件大多有所差異。以綠豆芽苗菜為例，譚仁豪等[17]在研究報告中提出藍光處理下的光源對綠豆芽苗生物量的積累起到一定的抑制作用，而小白菜的葉片發育良好，生長狀態最佳[18]；紅藍光比為1∶2的光源卻促進了生菜的光合作用(圖5)，是生菜高產的優選光源[19]；紅藍復合光為2∶1的光源可以顯著提高秋葵幼苗生長時的各項生理指標[20]，表3概述了不同光質對黃秋葵幼苗成長的影響。因此，可以利用全光譜的光譜可調性，將全光譜LED與智能識別系統相連接。智能識別系統通過掃描不同時間段大棚種植的植物計算出對應植物的最佳生長光譜，使全光譜LED發出最適合此植物生長的光，保證植物的生物累積量、生長狀態等各項生理指標達到“巔峰”狀態。

圖5 不同比例紅藍光對生菜光合作用[19]Fig.5 The effects of different ratios of red and blue light on photosynthesis of lettuce

表3 不同光質對黃秋葵幼苗成長的影響[20]

由此可見，由于全光譜LED在光譜上擁有連續性強、藍光危害小、長波紅光充足、光譜顏色可調等優點，其在未來照明市場的前景不容小覷。

3 全光譜LED的挑戰

3.1 價格

雖然目前全光譜LED憑借它的光譜連續性強、藍光危害小的特點越來越受到廣大消費者的喜歡，LED制造商開始重視并加大投入生產。但是，由于激發熒光粉的UV芯片制作成本高，導致產品價格較為昂貴。因此，對于普通家庭或者工廠而言，他們會更傾向于使用普通LED芯片來減少成本。

3.2 發光效率

目前市場普通的LED燈的發光效率在150 lm/W左右，而大多全光譜LED的效率在122 lm/W左右，低于普通LED燈[21]。發光效率的差異主要來源于技術的成熟與否。普通LED燈經過多年市場開發，開發工藝已十分成熟，而全光譜在市場上的“磨練”仍較少，制造工藝仍處于差強人意的狀態，其所用的藍、紫色芯片和熒光粉的發光效率還有待提高。

3.3 可靠性與穩定性

對于多基色LED方案，由于單色芯片性能不一，尤其是綠色和黃色芯片發光效率遠低于其他芯片而導致“綠色鴻溝”，而且芯片的光衰差異大，容易引起白光色溫不穩定。對于芯片激發熒光粉的制備方法，由于不同熒光粉老化速率不一，可能導致光譜、燈具發光顏色隨著時間的推移逐漸出現偏差。且用于散熱裝置中的封裝材料環氧樹脂在紫光照射下易黃化，長時間會出現色溫漂移，不再維持最初的白光色溫[22]，進而致使LED燈使用壽命減少。

3.4 工作壽命

合格的普通LED燈的工作壽命一般在100 kh[23]，而全光譜因為制作工藝還未成熟，以及熒光粉的穩定性能較差，其工作壽命遠遠小于普通LED燈。此外，由于環氧樹脂在紫外燈長時間的照射下容易黃化，影響透氣透氧性，散熱效果會逐漸減弱，長時間使用后溫度會急劇升高，加劇燈具內部材料的老化，縮短使用壽命。

4 結論

全光譜LED因其光譜更加連續、有害藍光部分比例低的特點，相對于普通LED光譜更加滿足人們對健康生活的追求與需要。比較兩者，全光譜LED的市場更為廣泛、需求量大，因此它的機遇有很多。但是到目前為止，其制備技術不夠成熟，穩定性與可靠性較差，且成本過高，不易被大眾所接受。相信隨著時代的進步以及學者們的不斷研究，其制備技術會愈發簡單便捷，工作效率與使用壽命等方面會大大優化，成為照明市場的領導者。