低色漂全光譜LED照明用整體解決方案——2020神燈獎(jiǎng)申報(bào)技術(shù)

項(xiàng)目名稱：  低色漂全光譜LED照明用整體解決方案

 Low color drift full spectrum LED lighting overall solution

申報(bào)單位：  江蘇博睿光電有限公司

綜合介紹或申報(bào)理由：

半導(dǎo)體照明是采用LED芯片激發(fā)熒光粉產(chǎn)生白光的一種新型照明技術(shù)，是第三代半導(dǎo)體中最具代表性且率先得到推廣應(yīng)用的技術(shù)之一，更是“十三五”發(fā)展規(guī)劃的戰(zhàn)略發(fā)展重點(diǎn)。熒光粉是LED照明光源中唯獨(dú)能夠同時(shí)提供光色轉(zhuǎn)換和光效提升的關(guān)鍵材料，直接決定了白光LED的光效、色溫、顯色指數(shù)乃至使用壽命，是關(guān)乎LED照明器件性能高低的卡脖子材料之一。國際LED產(chǎn)業(yè)一線大廠長期布局熒光粉技術(shù)。2018年，日本NIMS在美建立的專利聯(lián)盟正式啟動(dòng)了以熒光粉為核心手段的專利絞殺策略，企圖遏制我國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

當(dāng)前，全球半導(dǎo)體照明技術(shù)正在步入從量變向質(zhì)變轉(zhuǎn)換的發(fā)展階段。在此背景下，最求具有連續(xù)光譜結(jié)構(gòu)的全光譜照明光源由于兼具優(yōu)異的色彩還原能力和人本照明的健康屬性，對于促進(jìn)人類照明體驗(yàn)質(zhì)的飛躍和改善健康都具有深遠(yuǎn)的意義，已然成為業(yè)界共同關(guān)注的焦點(diǎn)和熱點(diǎn)。

但自2018年以來，為了滿足未來照明需求，各類全光譜解決方案被陸續(xù)推出。但是結(jié)合光效、成本及產(chǎn)業(yè)配套等各方面因素來看，基于藍(lán)光芯片的全光譜照明方案（顯色指數(shù)Ra>96,R1~R15>90）最有可能在未來2~3年實(shí)現(xiàn)普及推廣，這已逐漸成為業(yè)內(nèi)共識。但是該方案在實(shí)際應(yīng)用中卻存在非常明顯的色漂問題，具體表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一方面冷熱態(tài)色漂大，盡管在冷態(tài)時(shí)顯指可以達(dá)到要求，但在一旦達(dá)到工作狀態(tài)，芯片節(jié)溫上升導(dǎo)致顯色指數(shù)下降，特別R9、R11、R12等特殊顯色指數(shù)會(huì)降至85左右，難以滿足應(yīng)用需求；一方面，長期老化色漂嚴(yán)重，隨著工作時(shí)間延長，亮度下降的同時(shí)，色漂嚴(yán)重也是制約其推廣應(yīng)用的重要制約因素之一。

前期的研究結(jié)果表明，熒光粉的光效及其抗劣化性能是影響全光譜照明光源的關(guān)鍵因素。因此圍繞如何提升全光譜熒光粉的光效，及其在高溫高濕以及長期輻照環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性，是攻克這一難題的關(guān)鍵所在。

作為國內(nèi)半導(dǎo)體照明熒光粉龍頭企業(yè)，博睿光電積極布局低色飄全光譜解決方案熒光粉的研發(fā)，在配方多元組分聯(lián)控技術(shù)及光譜的寬幅精控技術(shù)、超高溫高壓多級氮化合成技術(shù)、梯度結(jié)構(gòu)提升耐久性技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重要突破，低色漂全光譜照明白光LED所需的全色系熒光粉的系列綜合應(yīng)用性能已達(dá)到甚至超越進(jìn)口同類產(chǎn)品的水平，處于國際領(lǐng)先水平。

主要技術(shù)參數(shù)：

（1）全色溫段（2700~6500K），實(shí)現(xiàn)全光譜白光LED，顯色指數(shù)Ra≥96，R1~R15≥90。

（2）采用本方案的全光譜白光LED，105℃工作時(shí)光效降幅（相對于25℃）≤13%，色漂降幅小于1%，冷熱態(tài)ΔRi≤1.2。

（3）采用項(xiàng)目全色系熒光粉制成的白光LED，經(jīng)1000h老化后的長期老化色漂光效降幅≤5~6%，色漂幅度≤7‰。

與國內(nèi)外同類產(chǎn)品或同類技術(shù)的比較情況：

為了更清晰的說明本方案的技術(shù)優(yōu)勢，下面以目前市售的其他廠家全光譜方案作為對照組，以我司在2019年推出的低色漂全光譜解決方案Fbright與之從冷熱態(tài)色漂和長期老化色漂兩個(gè)方面進(jìn)行對比。

   （1）基本光色參數(shù)情況

在顯色相同的情況下，F(xiàn)Bright方案封裝的全光譜白光LED的光通量及顯色對比情況明顯優(yōu)于照組方案，具體性能指標(biāo)見表1。

  （2）冷熱態(tài)色漂的改進(jìn)效果

圖1（a）（b）分別顯示了對照組方案在冷熱態(tài)的光譜以及Ri值的變化情況。如圖1（a）可以清晰的看出， 當(dāng)LED燈珠進(jìn)入熱態(tài)后，光譜出現(xiàn)明顯變化，而且這種變化覆蓋率從500nm至650nm。圖1（b）顯示的對照組在冷熱態(tài)時(shí)的Ri值清晰的顯示，普通顯值R1~R8都發(fā)現(xiàn)了明顯下降，特殊顯值中對應(yīng)飽和紅色的R9出現(xiàn)明顯下降。表明紅粉出現(xiàn)了一定程度的劣化。  

圖2（a）（b）分別顯示了FBright方案在冷熱態(tài)的光譜以及Ri值的變化情況。如圖2（a）所示，F(xiàn)Bright方案進(jìn)入熱態(tài)后，從500~700nm范圍內(nèi)的光譜基本與冷態(tài)重合，而僅僅是在480~500nm波段出現(xiàn)了變化，主要是由于熱態(tài)，芯片峰波長紅移，導(dǎo)致與藍(lán)綠光光譜的強(qiáng)度疊加，使得485nm附近波段強(qiáng)度有所提高。FBright方案在冷熱態(tài)時(shí)的普通顯值R1~R8降幅小幅收窄，而特殊顯色指數(shù)改進(jìn)明顯，特別是R10、R11降幅得到有效改善，達(dá)到了行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的全光譜Ri＞90的標(biāo)準(zhǔn)。

  （3）長期老化色漂

通過對比兩組燈珠在經(jīng)歷1000小時(shí)后的光譜變化情況以及Ri值，以期說明FBright方案在抗老化色漂方面的技術(shù)優(yōu)勢。對比FBright和對照組在老化前后的光譜差異，可以看出兩方案在老化前后的光譜變化趨勢是一致的，但是在變化幅度方案存在一定差異，即FBrigh方案的變化幅度相對更?。▓D4和5）。

如圖6所示，通過與對照組對比ΔRi的大小，可以非常清晰的看出FBright方案在長期老化后，ΔRi有所改善，尤其是在關(guān)鍵的R9、R10、R11等特殊顯值方面，降幅得到明顯改善。

經(jīng)濟(jì)評價(jià)分析：

全光譜照明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的商用化，必將對現(xiàn)有常規(guī)顯指的照明產(chǎn)品形成了第二次全面升級換代，預(yù)計(jì)未來3~5年，全光譜熒光粉將繼續(xù)保持20%以上的增長率。以熒光粉在LED照明中的成本占比約在3~5%進(jìn)行測算，屆時(shí)僅國內(nèi)全光譜LED熒光粉的市場規(guī)模將達(dá)到1億元以上，考慮到國際市場的需求規(guī)模，全球總規(guī)?？赡苓_(dá)到2~3億元左右。

我司在2019年推出的低色漂全光譜解決方案現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)及批量出貨，但是目前總體規(guī)模尚小，月出貨量達(dá)到300kg以上。隨著全光譜技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，以及在國際國內(nèi)已經(jīng)構(gòu)建起來的銷售網(wǎng)絡(luò)，后續(xù)將會(huì)迎來大幅度的增長，為公司發(fā)展提供了新的支撐。預(yù)計(jì)未來3-5年，我司推出的低色漂全光譜解決方案將引領(lǐng)相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域發(fā)展，充分發(fā)揮資本市場的平臺(tái)優(yōu)勢以及自身專業(yè)優(yōu)勢，通過自主開發(fā)、外延擴(kuò)張等方式，促進(jìn)生物、醫(yī)療、軍工等新型高端產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，推動(dòng)國內(nèi)乃至動(dòng)全球上游元器件，中游封裝，下游產(chǎn)品應(yīng)用的協(xié)同發(fā)展，為宏觀經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)運(yùn)行注入了新動(dòng)力，為未來的全球規(guī)模增長提供更多的穩(wěn)健渠道。

技術(shù)及工藝創(chuàng)新要點(diǎn)：

前期的研究結(jié)果表明，熒光粉的光效及其抗劣化性能是影響全光譜照明光源的關(guān)鍵因素。因此圍繞如何提升全光譜熒光粉的光效，提升其在高溫高濕以及長期輻照環(huán)境下的化學(xué)穩(wěn)定性，是攻克這一難題的關(guān)鍵所在。

博睿光電前期在國家“863”及江蘇省成果轉(zhuǎn)化基金等項(xiàng)目的資助下，在LED熒光粉關(guān)鍵共性技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化方面取得長足進(jìn)步，現(xiàn)已發(fā)展成為產(chǎn)品體系最全、銷售規(guī)模最大、市場覆蓋范圍最廣的一家全球性LED熒光粉專業(yè)公司。自2014年起，在科技部中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持下，公司國內(nèi)知名高校院所，開展低色漂全光譜照明用熒光粉整體解決方案的聯(lián)合攻關(guān)，歷時(shí)近三年的研究開發(fā)，在低色漂全光譜照明白光LED所需的全色系熒光粉的系列關(guān)鍵技術(shù)上取得了重要突破。

系統(tǒng)集成熒光粉的配方設(shè)計(jì)、元素?fù)诫s及新型合成技術(shù)，成功設(shè)計(jì)并開發(fā)出波段覆蓋420~670nm的全光譜照明用新型高光效全系列熒光粉，產(chǎn)品體系覆蓋鋁酸鹽、硅酸鹽、氮氧化物等多個(gè)體系，并通過基質(zhì)多元聯(lián)控及量產(chǎn)條件下組份精調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對熒光粉發(fā)射光譜的寬幅精調(diào)。

（1）配方多元組分聯(lián)控技術(shù)及光譜的寬幅精控技術(shù)。通過對熒光粉陰陽離子基團(tuán)的內(nèi)部置換、激活劑離子、多元稀土共摻等關(guān)鍵因素對光譜結(jié)構(gòu)、光轉(zhuǎn)換效率的協(xié)同作用機(jī)制的探索，成功開發(fā)出基于藍(lán)光芯片的全色系熒光粉。其中包括BSON藍(lán)綠粉、硅酸鹽CMSL藍(lán)綠粉、LYAGG黃綠粉以及CASN紅粉等。

通過堿土金屬-Eu離子-P-Cl的聯(lián)合調(diào)控，對CMSL藍(lán)粉實(shí)現(xiàn)光譜的大調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)峰波長在450nm-480nm連續(xù)可調(diào)；通過Eu離子-N/O比和堿土金屬的聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)峰波長為490-500nm可調(diào)的高效BSON藍(lán)綠粉；依靠激活劑離子Ce含量—Lu/Y比—Al/Ga比的協(xié)同聯(lián)控，首次使得LYAGG在原有520nm短波極限波長基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)藍(lán)移突破，使峰波長降至500nm；CASN紅粉則通過對Eu含量—Sr/Ca比—N/O比的聯(lián)調(diào)開發(fā)出高效650-670nm深紅粉（圖7、圖8）。

（2）超高溫高壓多級氮化合成技術(shù)。成功開發(fā)出適用于鋁酸鹽和氮化物的新型多級高壓固相合成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對熒光粉晶粒形核和生長的可調(diào)可控，大幅提升了熒光粉的顆粒均勻度、結(jié)晶度，有效提升了熒光粉晶體的結(jié)構(gòu)剛度；同時(shí)配合熱循環(huán)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得高結(jié)晶度的燒成產(chǎn)物，量子轉(zhuǎn)換效率高達(dá)90%以上，熱猝滅性能也得以顯著改善。

其中，針對LYAGG黃綠粉開發(fā)出超高溫合成技術(shù)，配合助熔劑的精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高結(jié)晶度熒光粉的合成，熱猝滅特性顯著改善。針對氮氧化物熒光粉開發(fā)的超高壓多級氣氛保護(hù)壓力配合的熱循環(huán)合成工藝，通過協(xié)同控制反應(yīng)原料的N-O比例以及保護(hù)氣氛的高純度N2的保護(hù)壓力，可以對BSON和CASN熒光粉的激活劑離子Eu2+/Eu3+比例控制在90%以上、O/N比例降低至5%以內(nèi)。同時(shí)配合熱循環(huán)過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得高結(jié)晶度的燒成產(chǎn)物，量子轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%以上。

（3）梯度結(jié)構(gòu)提升耐久性技術(shù)。LED照明及顯示器件中，熒光粉必須承受超高功率密度光輻照和強(qiáng)烈的熱沖擊，其抗輻照/熱劣化特性不足將會(huì)嚴(yán)重制約LED的使用壽命。本項(xiàng)目結(jié)合原料配比調(diào)控、超高溫下晶體生長控制技術(shù)及原位表面改性技術(shù)，在業(yè)內(nèi)首次制備出具有優(yōu)異抗劣化性能的梯度結(jié)構(gòu)熒光粉，通過在熒光粉晶粒表面構(gòu)建厚度約10nm的納米擴(kuò)散阻擋層（圖10），有效阻止了熒光粉內(nèi)部激活劑離子在高溫下的氧化和高溫水汽侵蝕，緩解了熒光粉長期光衰及色漂問題。同時(shí)，梯度結(jié)構(gòu)表面的構(gòu)建可增強(qiáng)熒光粉顆粒與應(yīng)用環(huán)境介質(zhì)的反應(yīng)活性，改善界面接觸熱特性，高密度藍(lán)光輻照下熒光膜層溫升顯著降低。

圖11為本項(xiàng)目研制的全光譜LED熒光粉和商用全光譜LED熒光粉在藍(lán)光激發(fā)下的1000h老化數(shù)據(jù)，可見低色漂全光譜解決方案系列熒光粉老化具有明顯優(yōu)勢。

（4）全光譜調(diào)制技術(shù)。通過熒光粉組合設(shè)計(jì)和激發(fā)光譜結(jié)構(gòu)調(diào)控，成功解決熒光粉間再吸收導(dǎo)致的光譜變形和光效損失問題，并創(chuàng)新利用特定熒光粉體系間的再激發(fā)實(shí)現(xiàn)光譜的二次調(diào)節(jié)，有效兼顧全光譜結(jié)構(gòu)和高光效的雙重需求。如圖12所示，全光譜方案Ra達(dá)到95以上，R9-R15全部達(dá)到90以上。

實(shí)際運(yùn)用案例和用戶評價(jià)意見：

低色漂全光譜解決方案全面打破了國際巨頭的技術(shù)壟斷，不僅得到了國內(nèi)上市公司的肯定，而且陸續(xù)通過了多家國際一線大廠的認(rèn)可。經(jīng)客戶測試評估，與國外同類進(jìn)口產(chǎn)品對比，在顯色指數(shù)、發(fā)光效率、光色一致性以及使用壽命等方面均處于國際領(lǐng)先，長期性能優(yōu)異，綜合性價(jià)比優(yōu)勢突出，解決了冷熱態(tài)色漂問題，為客戶節(jié)省了千萬元的采購成本，并取得了顯著效益。

某國內(nèi)領(lǐng)先的LED照明上市企業(yè)使用了低色漂系列的熒光粉方案應(yīng)用在COB光源上，用以解決在光源點(diǎn)亮過程中產(chǎn)生的高熱量導(dǎo)致色飄過大問題。通過方案改善，色坐標(biāo)降低幅度減少28%，由此達(dá)到了熱態(tài)情況下COB光源顏色變化不大的良好效果，促進(jìn)了該企業(yè)新產(chǎn)品的開發(fā)，很好的支撐了新產(chǎn)品研發(fā)的需求，真正為支撐我國稀土功能材料產(chǎn)業(yè)發(fā)揮重要作用。

某專業(yè)從事LED封裝的高新技術(shù)企業(yè)使用了低色漂全光譜方案系列的熒光粉應(yīng)用在暖白色溫LED燈絲燈上，用以解決在LED燈絲燈點(diǎn)亮使用過程中所產(chǎn)生的高熱量導(dǎo)致的色坐標(biāo)偏移過大和亮度維持率低的問題。其中色坐標(biāo)降低幅度減少15%，亮度維持率從原來的88.5%提升90%，很好的改善了燈絲燈的應(yīng)用問題，節(jié)省數(shù)近百萬元的熒光粉采購成本。

某中國電子信息百強(qiáng)企業(yè)使用了該方案系列的熒光粉應(yīng)用在正白全光譜貼片光源上，用以解決在光源點(diǎn)亮過程中的顯色指數(shù)降低的過大問題。通過方案改善，顯色指數(shù)Ra降幅從原來2.2降至0.5，色坐標(biāo)降低幅度減少21%，由此達(dá)到了熱態(tài)情況下顯色指數(shù)仍然高于97的良好效果。節(jié)約了時(shí)間成本同時(shí)，完成了用于通用照明及液晶背光的海爾、創(chuàng)維、康佳、京東方、風(fēng)行電視等國內(nèi)知名企業(yè)訂單，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

獲獎(jiǎng)、專利情況：

公司作為蘇南國家自主創(chuàng)新示范區(qū)“瞪羚企業(yè)”、近年來也屢獲殊榮。2016年被評為江蘇省企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)管理標(biāo)準(zhǔn)化示范先進(jìn)單位，2017年度獲評江蘇省“最具成長性高科技企業(yè)”，2018年獲江蘇省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，南京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)等各類獎(jiǎng)項(xiàng)，江蘇省高新技術(shù)產(chǎn)品3項(xiàng)。

到目前為止，公司已圍繞低色飄全光譜方案系列熒光粉授權(quán)專利14件（3項(xiàng)PCT專利陸續(xù)獲歐、美、日等授權(quán)）。

申報(bào)單位介紹：

江蘇博睿光電有限公司成立于2009年9月，注冊資本1250萬元。專業(yè)從事高端稀土發(fā)光材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，是國內(nèi)研發(fā)實(shí)力最強(qiáng)、銷售規(guī)模最大的LED熒光粉專業(yè)公司，已成長為國內(nèi)第一、全球前三的LED熒光粉專業(yè)公司

公司為“國家高新技術(shù)企業(yè)”、蘇南國家自主創(chuàng)新示范區(qū)“瞪羚企業(yè)”、江蘇省企業(yè)知識產(chǎn)權(quán)管理標(biāo)準(zhǔn)化示范先進(jìn)單位、國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成員單位；獲評2017年度省“最具成長性高科技企業(yè)”、18年度“江寧區(qū)最具創(chuàng)新力企業(yè)”、2018年度“江寧高新區(qū)高端制造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新突破獎(jiǎng)”；連續(xù)三年榮獲江寧高新區(qū)“納稅大戶”； 獲江蘇省科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，南京市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

公司近三年的年研發(fā)投入超過2000萬元，建有江蘇省工程技術(shù)研究中心、博士后科研工作站等；先后承擔(dān)了國家發(fā)改委和國家科技部重大專項(xiàng)計(jì)劃、江蘇省成果轉(zhuǎn)化計(jì)劃等，對推動(dòng)我國LED熒光粉技術(shù)和產(chǎn)業(yè)從跟跑、并跑到部分領(lǐng)跑發(fā)揮了重要作用。

公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)2012年獲“江蘇省創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”，現(xiàn)擁有國家“萬人計(jì)劃”，科技部創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，江蘇省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，江蘇省“333工程”中青年領(lǐng)軍人才，江蘇省“333工程”中青年學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人，江蘇省博士集聚計(jì)劃，南京市頂尖專家等人才專家。

近年來公司對高性能熒光粉技術(shù)進(jìn)行了研究和探索。成功開發(fā)出基于藍(lán)光和紫光芯片激發(fā)的高光效高信賴性全色系熒光粉，打破了國外壟斷；尤其是當(dāng)前備受關(guān)注的超高顯色、全光譜照明整體解決方案上率先取得重要突破。為支撐下游照明應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的提檔升級提供重要的材料支撐。

與此同時(shí)，公司積極進(jìn)行專利布局，構(gòu)建專利池，為全面進(jìn)軍國際市場做好充分準(zhǔn)備。目前公司擁有以LED熒光粉為代表的高端稀土發(fā)光材料有效發(fā)明專利67件，其中包括45件中國發(fā)明專利授權(quán)，3項(xiàng)PCT專利分別在歐、美、日、韓等國獲得國家授權(quán)9件（本申報(bào)材料中1:2抵算6件發(fā)明專利），2件臺(tái)灣發(fā)明專利授權(quán)， 13件國內(nèi)發(fā)明專利申請，以及1項(xiàng)PCT申請?zhí)幱趪H階段。

目前在海外市場，公司相繼與Philips、OSRAM、Lumileds和韓國的Samsung、Seoul Semiconductor、日本TOYODA以及臺(tái)灣地區(qū)的Everlight、Lextar等幾乎所有國際一線LED企業(yè)實(shí)現(xiàn)合作。國內(nèi)市場，公司與以國星光電、兆馳光電、鴻利智匯、木林森等為代表的所有上市封裝企業(yè)實(shí)現(xiàn)合作，高端客戶占有率達(dá)90%，市場占有率達(dá)50%。博睿光電已真正發(fā)展成為國內(nèi)唯一一家成功打入多家國際一線企業(yè)的中資全球性熒光粉專業(yè)廠商。

產(chǎn)品圖片：