1健康照明的需求
經(jīng)過(guò)過(guò)去十年的半導(dǎo)體材料技術(shù)發(fā)展和制造工藝的提升，白色發(fā)光二極管 (LED) 作為新型的固態(tài)發(fā)光器件已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)光源。其高光效、低能耗、無(wú)污染、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，使其在燈具市場(chǎng)的滲透率連年遞增。然而，隨著LED光源的快速發(fā)展，各種照明應(yīng)用對(duì)光源提出了新的要求。人們從最初的對(duì)LED光效和成本的重視逐漸發(fā)展到對(duì)其光品質(zhì)和健康的追求。目前市場(chǎng)上一些光源的光譜缺失、色彩還原性差，一些LED燈由于驅(qū)動(dòng)電源等使用不當(dāng)，存在頻閃、眩光、用眼安全等諸多問(wèn)題，用戶體驗(yàn)不佳。因而為了符合消費(fèi)者對(duì)生活品質(zhì)以及舒適度的需求，高光品質(zhì)、舒適健康的照明技術(shù)成為近期市場(chǎng)的發(fā)展主流趨勢(shì)，也對(duì)白光LED封裝及模組技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。
2全光譜白光的技術(shù)方案
目前實(shí)現(xiàn)白光的方式主要有以下兩種：第一種是通過(guò)多色LED多芯片組合(無(wú)熒光粉)實(shí)現(xiàn)白光。該技術(shù)路線主要要解決“黃色鴻溝“問(wèn)題，黃光LED芯片成為主要技術(shù)瓶頸。以南昌大學(xué)江風(fēng)益教授代表的研究團(tuán)隊(duì)正致力于研究硅襯底高光效黃光LED芯片的開(kāi)發(fā)，并取得了關(guān)鍵性進(jìn)展，黃光LED電光轉(zhuǎn)換效率突破22.7%，達(dá)業(yè)界領(lǐng)先(圖1)。由于此實(shí)現(xiàn)白光的技術(shù)路線對(duì)各色芯片的要求較高、初期成本較貴，且考慮到多色芯片長(zhǎng)時(shí)間熱態(tài)使用可能出現(xiàn)的光色差異導(dǎo)致色溫不穩(wěn)定性問(wèn)題，應(yīng)用領(lǐng)域雖潛力巨大但目前仍受到一定限制。
第二種方法是單色LED芯片激發(fā)多種熒光材料實(shí)現(xiàn)連續(xù)白光光譜。由于芯片材料及結(jié)構(gòu)單一、簡(jiǎn)單、封裝及控制成本較低，是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)全光譜白光的主要方案。通過(guò)在藍(lán)光或其他單色LED芯片上涂敷熒光材料轉(zhuǎn)化成白光，因此熒光材料是決定白光質(zhì)量和色彩還原效果的關(guān)鍵因素。過(guò)去市場(chǎng)常規(guī)的藍(lán)光芯片+黃色或綠色/紅色熒光粉組合模式，會(huì)產(chǎn)生白光LED藍(lán)光過(guò)剩、短波青光(~490nm)缺失、長(zhǎng)波紅光不足問(wèn)題。 新型全光譜LED在芯片和熒光粉選擇及配比上進(jìn)行了較大改善和優(yōu)化，從而達(dá)到近似于自然光的高品質(zhì)白光照明體驗(yàn)。
高品質(zhì)白光LED照明體現(xiàn)在舒適性、真實(shí)性、安全性、健康性四個(gè)方面。其具備優(yōu)異的視覺(jué)舒適性(適當(dāng)?shù)牧炼群土炼染鶆蛐?，無(wú)閃爍和眩光)，高顯色性，用眼安全和迎合晝夜節(jié)律調(diào)節(jié)等特點(diǎn)，滿足消費(fèi)者心理和生理健康。從LED封裝的角度來(lái)說(shuō)，高品質(zhì)白色LED光源應(yīng)具備較高的顯色性以呈現(xiàn)物體的本真顏色，即光源光譜更接近于太陽(yáng)光或白熾燈標(biāo)準(zhǔn)光源，連續(xù)性佳，平滑均勻。其次，光源不含紫外(UV)及紅外(IR)輻射、并符合人眼敏感曲線。同時(shí)，滿足對(duì)光質(zhì)量、色飽和度分辨率要求高的場(chǎng)所。例如：高保真、色飽和度照明符合博物館、畫(huà)廊的需求;用于商業(yè)照明能夠提供較少色差的購(gòu)物環(huán)境，有利于商品的銷售;用于手術(shù)燈照明可以正確顯示血液，皮膚以及傷口組織的顏色;用于教育照明還原書(shū)本畫(huà)面強(qiáng)，提高學(xué)習(xí)注意力;用于攝像攝影實(shí)況轉(zhuǎn)播，良好的色彩飽和度和高保真度使氣氛還原更加清晰真實(shí);用于家居照明，高品質(zhì)的白光使人們感覺(jué)更舒適，更加享受生活。為更精準(zhǔn)的衡量光源還原物體顏色的能力，業(yè)界開(kāi)始采用新的方法來(lái)評(píng)估對(duì)比不同光源的色品質(zhì)表現(xiàn)，比如，在CRI測(cè)試基礎(chǔ)上增加IES TM-30-15評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)顏色保真度(RF)和顏色色域度(RG)雙參數(shù)體系進(jìn)行評(píng)估，針對(duì)性地解決了CRI體系中對(duì)比色代表性不足、色空間不對(duì)稱、參考光源不連續(xù)等問(wèn)題?！〈送庠诠庾V設(shè)計(jì)時(shí)，考慮較低的高能藍(lán)光占比以減少潛在的藍(lán)光危害，及通過(guò)封裝設(shè)計(jì)和傳感來(lái)調(diào)控LED色溫及亮度隨日照變化及使用場(chǎng)景的需求，并符合人體生理節(jié)律。
3藍(lán)光危害與健康光源的特性
雖然來(lái)自學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、醫(yī)學(xué)界的專家已經(jīng)達(dá)成了基本共識(shí)，即正確使用合格的白色LED照明產(chǎn)品對(duì)人眼來(lái)說(shuō)是安全的，但人眼感應(yīng)藍(lán)光的錐狀細(xì)胞的最大吸收波長(zhǎng)(440-450nm)與常用藍(lán)光芯片的發(fā)光波長(zhǎng)及視網(wǎng)膜藍(lán)光傷害特征曲線有很大的重合，因此，人們會(huì)特別關(guān)注高能藍(lán)光對(duì)敏感人群人眼的影響。如圖2所示，藍(lán)光傷害曲線是指波段位于415-455nm(峰值：435-440nm)，由于波長(zhǎng)短，能量高，可以穿透晶狀體到達(dá)視網(wǎng)膜，光功率中的藍(lán)光成分對(duì)視網(wǎng)膜可能造成潛在的化學(xué)損傷，加速黃斑區(qū)細(xì)胞的氧化，引起視覺(jué)疲勞和視網(wǎng)膜疾病，如老年性黃斑變性(AMD)。國(guó)內(nèi)外已推出一些相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和參考文件作為支持。IEC/EN 62471:2006已經(jīng)建立了關(guān)于評(píng)估燈具的光生物安全性的方法。北美的 ANSI/IESNA RP-27建立了燈具和燈具系統(tǒng)的光生物安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。IEC/TR 62778規(guī)定了一般照明服務(wù)燈具類別的問(wèn)題，并提供了對(duì)LED照明產(chǎn)品應(yīng)用藍(lán)光危險(xiǎn)分類的指導(dǎo)。 燈具通用安全要求標(biāo)準(zhǔn)EN 60598-1：2015針對(duì)LED燈具的要求更新主要包括：針對(duì)LED光源的藍(lán)光傷害，增加了明確的危害等級(jí)要求(RG0/RG1/RG2/RG3);并且基于不同的危害等級(jí)，有相應(yīng)的標(biāo)簽、說(shuō)明書(shū)及固定燈具的安裝要求。此外，考慮到兒童和老人的眼睛結(jié)構(gòu)對(duì)藍(lán)光的透過(guò)率、敏感性與成年人相比相對(duì)較弱，目前已有一些針對(duì)他們對(duì)藍(lán)光危害的承受能力的評(píng)價(jià)方法研究，但還沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。另外，高能藍(lán)光危害的程度與劑量有關(guān)。藍(lán)光的強(qiáng)度越大，危害等級(jí)也就越高。
下面三個(gè)參數(shù)相乘，才能得到藍(lán)光的劑量：
1、光源光譜中本身包含藍(lán)光成分的比重;2、光源本身的亮度;3、受到藍(lán)光照射的時(shí)間。
而這三點(diǎn)，也是燈具設(shè)計(jì)者防止受到藍(lán)光危害而常采用的三個(gè)方向：
1、選擇色溫低的光源;2、降低光源的亮度，方法如增加擴(kuò)散板，避免光源直射眼睛;3、不要在很強(qiáng)烈的光環(huán)境中工作時(shí)間太久。除此之外，我們可以考慮從光源設(shè)計(jì)最大限度降低高能藍(lán)光占比。
然而，藍(lán)光又是白光的基本組成部分。光譜中的藍(lán)光波長(zhǎng)范圍400-500nm的視覺(jué)過(guò)程包括顏色感知的重要波長(zhǎng)。并且有研究表明，465-495nm藍(lán)光在晝夜節(jié)律中起著至關(guān)重要的作用(圖2)。由于這部分的光可以抑制褪黑素的產(chǎn)生，在白天光譜中增加此部分可以保證作業(yè)效率，使人保持清醒、警覺(jué)的狀態(tài)，促進(jìn)工作積極性、專注性。而在夜晚，通過(guò)降低藍(lán)光或色溫以達(dá)到促進(jìn)睡眠、調(diào)整時(shí)差等功能。因此，根據(jù)一天中的不同時(shí)間與生活需求，綜合視覺(jué)舒適度、眼睛安全、晝夜節(jié)律需求，通過(guò)光源的設(shè)計(jì)，色溫連續(xù)可調(diào)的 COB封裝，與傳感器和控制器結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)色溫和亮度的連續(xù)可調(diào)性，以滿足各種場(chǎng)景及與日照時(shí)間相匹配的高性能照明要求(圖3)。通過(guò)對(duì)LED光譜的有效調(diào)節(jié)和控制，LED在光品質(zhì)和藝術(shù)效果上也逐漸超越了傳統(tǒng)照明。甚至在被認(rèn)為傳統(tǒng)照明保有相對(duì)優(yōu)勢(shì)的酒店和零售商業(yè)照明領(lǐng)域，LED光源也能提供更加飽滿的色彩還原效果。
4相關(guān)企業(yè)與代表性產(chǎn)品
美國(guó)SORRA公司率先推出全光譜光源產(chǎn)品，采用GaN襯底生長(zhǎng)制作紫光LED芯片，激發(fā)紅綠藍(lán)三種熒光粉將紫光轉(zhuǎn)換為白光，包含了400-700nm的可見(jiàn)光譜，CRI95和R9大于90, 對(duì)含400-480nm激發(fā)的光亮劑物體有亮白效果。近期，日本豐田合成及首爾半導(dǎo)體公司也通過(guò)類似的紫光或低波長(zhǎng)藍(lán)光激發(fā)熒光粉轉(zhuǎn)換方式，相應(yīng)推出全光譜白光系列光源，比如，在200mA驅(qū)動(dòng)下，5000K色溫LED光效達(dá)110lm/W，實(shí)現(xiàn)了與自然光較接近的光譜 ( 圖4)，準(zhǔn)確地呈現(xiàn)物體在自然光中的顏色和結(jié)構(gòu)，這種全光譜白光實(shí)現(xiàn)方式近期引起了商業(yè)照明的關(guān)注。
此外，市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)白光的另一條技術(shù)路線是在模擬太陽(yáng)光的連續(xù)光譜的同時(shí)，盡量降低對(duì)人眼有害的UV和高能量藍(lán)光光譜，在實(shí)現(xiàn)高顯色指數(shù)的同時(shí)，不明顯犧牲流明效率;在保證使用新型熒光材料的信賴性的同時(shí)，不增加材料及制造成本。比如易美芯光2017年廣州光亞展推出的采用藍(lán)光激發(fā)多種熒光粉實(shí)現(xiàn)類太陽(yáng)光的全光譜系列產(chǎn)品。此類全光譜LED光源正是基于以上幾點(diǎn)考慮，兼顧光效、光品質(zhì)、成本及健康照明應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)品。 采用特定波長(zhǎng)藍(lán)光LED芯片激發(fā)紅、綠、青色等多種熒光粉，實(shí)現(xiàn)光譜可調(diào)的白光光源。通過(guò)優(yōu)化芯片波長(zhǎng)和功率，及與熒光材料吸收及釋放波譜的配方，大幅提高照明LED光源的光譜連續(xù)性、色飽和度、顯色指數(shù)，同時(shí)通過(guò)青色熒光粉對(duì)藍(lán)光的吸收，甚至實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)光，有效降低藍(lán)光占比。許多LED封裝公司也在加快開(kāi)發(fā)藍(lán)光激發(fā)的全光譜照明LED光源，近期朗明納斯、宇極芯光、瑞豐、聚飛等也相繼推出相應(yīng)產(chǎn)品。
依托不斷研發(fā)新型熒光材料與LED芯片的合理配比，優(yōu)化光源光譜，同時(shí)引入智能控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)真正意義上的健康綠色生態(tài)照明。由于照明細(xì)分應(yīng)用的不同需求，光源提供商可根據(jù)光效、色彩要求、顯指參數(shù)、健康指標(biāo)、及成本等進(jìn)行權(quán)衡和優(yōu)化。比如，企業(yè)針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)發(fā)出了通用全光譜悅目、護(hù)眼臺(tái)燈全光譜 LED( 圖5)、影視燈全光譜LED等不同系列產(chǎn)品。
5結(jié)語(yǔ)
本世紀(jì)以來(lái)，短短的的二十年時(shí)間，中國(guó)LED產(chǎn)業(yè)的取得了引人矚目的成功，從一個(gè)無(wú)技術(shù)、無(wú)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)，發(fā)展到今天產(chǎn)業(yè)鏈齊全、技術(shù)先進(jìn)、擁有全球最大制造規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。上、中、下油各環(huán)節(jié)的企業(yè)從珠三角拓展到長(zhǎng)三角和全國(guó)各地，規(guī)模不斷壯大，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力不斷得到提升。隨著產(chǎn)業(yè)鏈競(jìng)爭(zhēng)力增強(qiáng)，LED器件封裝格局也在改變，近年來(lái)國(guó)內(nèi)制造商的進(jìn)取精神發(fā)揮到極致，無(wú)論是芯片還是封裝產(chǎn)業(yè)，都在大肆擴(kuò)產(chǎn)，產(chǎn)線以數(shù)十?dāng)?shù)百的單位擴(kuò)張，而國(guó)際廠商在過(guò)去幾年基本上沒(méi)有擴(kuò)產(chǎn)。
在生產(chǎn)技術(shù)和設(shè)備方面，LED封裝制造產(chǎn)線也已經(jīng)鳥(niǎo)槍換炮了，目前的LED封裝制造產(chǎn)線，大部分工藝都實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，并不斷向著智能化互聯(lián)自控技術(shù)發(fā)展。在封裝結(jié)構(gòu)上，從開(kāi)始的引線框架式封裝到多芯片陣列組裝，再到如今的DSP，倒裝技術(shù)以及方興未艾的Mini LED，封裝技術(shù)仍在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下高速地向前發(fā)展。在器件的質(zhì)量環(huán)節(jié)，隨著LED光效商業(yè)化地攀過(guò)了180lm/w的高峰，人們逐步將關(guān)注重點(diǎn)從器件的光效轉(zhuǎn)到更高要求的光色要求，在關(guān)注節(jié)能的同時(shí)更希望滿足健康和情調(diào)照明的要求。
本白皮書(shū)試著從幾個(gè)側(cè)面來(lái)剖析這波瀾壯闊的LED光源產(chǎn)業(yè)全貌，掛一漏萬(wàn)也好，管中窺豹也罷，只望能給企業(yè)的決策者、產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)者一個(gè)有益的參考，以便看清LED光源器件的發(fā)展方向，清楚目前各環(huán)節(jié)一國(guó)外最高技術(shù)的差距，明白人們對(duì)照明產(chǎn)品的深層次需求，促進(jìn)我國(guó)的LED創(chuàng)業(yè)發(fā)展。
悅目系列：具有還原物體顏色真實(shí)生動(dòng)的特性，綜合考慮了高顯色性/低高能藍(lán)光/高光效/低成本的各項(xiàng)指標(biāo)，為通用型98顯指LED，適合應(yīng)用于商照/教育/醫(yī)療/藝術(shù)展廳/家居等。
全光譜護(hù)眼臺(tái)燈系列：著重考慮到成長(zhǎng)發(fā)育的孩子眼睛結(jié)構(gòu)及對(duì)光的透過(guò)率、敏感性和成人的不同，承受藍(lán)光的能力相對(duì)較弱，對(duì)于使用時(shí)間較長(zhǎng)、使用距離近及具有的照度需求的臺(tái)燈，需要關(guān)注高能藍(lán)光成分對(duì)視網(wǎng)膜可能造成的損傷。如圖5所示，通過(guò)LED光源的獨(dú)特設(shè)計(jì)，在高顯指悅目系列基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低短波高能藍(lán)光占比，同時(shí)保障高波段藍(lán)光的比分以促進(jìn)工作積極性及專注性，提高學(xué)習(xí)及工作效率。
全光譜影視燈系列： 除具有較高的顯色性外，滿足R1-R15全部大于90的挑戰(zhàn)，具有極佳的保真及色飽和度;較高的電視照明一致性指數(shù)(TICL=99)使得電視攝像、攝影機(jī)輸出端畫(huà)面的色彩真實(shí)清晰生動(dòng)。
全光譜技術(shù)不限于某種特定的封裝形式，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求封裝成SMD、COB、Flash、DOB等模組產(chǎn)品，為高品質(zhì)照明生活提供多樣靈活的LED燈珠與解決方案。
劉國(guó)旭 易美芯光(北京)科技有限公司CTO
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書(shū)》光源器件 顧問(wèn)
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