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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。

光源器件的创新方向(全光谱技术、健康照明)及趋势展望

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。

3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。

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