全光譜LED技術(shù)研究進(jìn)展

裘金陽，陳 磊，王新中，林金填

(1.深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與通信學(xué)院，廣東深圳 518172;2.華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢 430074;3.深圳清華大學(xué)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(dǎo)體發(fā)光二極管(Light emitting diode，LED)被稱為第三代照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點，其產(chǎn)品已經(jīng)普遍應(yīng)用于日常照明和顯示領(lǐng)域[1-6]。目前，通常采用藍(lán)光芯片搭配黃色熒光粉(YAG∶Ce3+)或采用藍(lán)光芯片激發(fā)綠色熒光粉和紅色熒光粉[7-8]實現(xiàn)白光LED。其中，采用藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉實現(xiàn)白光LED由于光譜缺乏紅色組分，顯色指數(shù)一般都在70左右[9-10]。而采用藍(lán)光芯片激發(fā)綠色熒光粉和紅色熒光粉實現(xiàn)白光LED，其顯色指數(shù)能夠達(dá)到80或90以上。

近年來，隨著一些專業(yè)照明領(lǐng)域?qū)ED產(chǎn)品提出了高品質(zhì)的要求[11]，全光譜LED的概念應(yīng)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(shù)接近100且無藍(lán)光危害等優(yōu)點[12]，被認(rèn)為是未來半導(dǎo)體照明技術(shù)的一個主流方向。

全光譜LED作為一種新型的白光實現(xiàn)方案近年來得到了快速的發(fā)展，在教育照明、植物照明、商業(yè)照明、醫(yī)療照明、博物館照明、相機補光燈等眾多專業(yè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)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(xiàn)真正的太陽光譜還存在一定的技術(shù)壁壘，紫外和遠(yuǎn)紅光及紅外部分仍存在一定的光譜缺失，且光效仍需進(jìn)一步地提升。本文重點介紹了全光譜LED概念、標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)問題及如何進(jìn)一步優(yōu)化全光譜LED的光譜功率、光譜連續(xù)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(xù)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(shù)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(xiàn)全光譜[13]。如圖1所示為光譜能量分布圖(Spectral power distribution，SPD)，現(xiàn)有技術(shù)實現(xiàn)的光譜分布與太陽光譜仍然存在較大差距，特別是在藍(lán)綠光波段有著較大的缺失。

圖1 現(xiàn)有技術(shù)全光譜與太陽光譜全光譜對比圖。(a)現(xiàn)有技術(shù)全光譜:藍(lán)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(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為全光譜LED應(yīng)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(yōu)異的顯色性，低藍(lán)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(lán)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(qū)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(shù)來表示光源的顯色性，設(shè)定參照光源的顯色指數(shù)為100。用待測光源照明CIE某標(biāo)準(zhǔn)色板(i=1～15)，再用與該白光光源色溫相同的標(biāo)準(zhǔn)光源照明該色板，如圖2所示為各標(biāo)準(zhǔn)色板圖。

其中色板所呈現(xiàn)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(shù)Ri表示:

圖2 R1～R15標(biāo)準(zhǔn)色塊圖Fig.2 Standard color card of R1-R15

常規(guī)LED的評價標(biāo)準(zhǔn)通常都是一般顯色指數(shù)Ra:

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

一般顯色指數(shù):Ra＞95;特殊顯色指數(shù):R1～R15＞90。

普通LED光譜中藍(lán)光波段能量較大，長時間照射會對人體產(chǎn)生藍(lán)光危害:導(dǎo)致視網(wǎng)膜損傷、抑制褪黑色素、導(dǎo)致睡眠紊亂和一系列內(nèi)分泌失調(diào)[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(lán)光的光譜能量占比，有效抑制了富藍(lán)光帶來的藍(lán)光危害。應(yīng)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(wǎng)膜的傷害。

3 全光譜LED現(xiàn)有技術(shù)及其優(yōu)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(fā)三基色熒光粉來實現(xiàn)全光譜[16-17]。一般選用波長為405～420 nm的UVA芯片，搭配藍(lán)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(lán)色熒光粉激發(fā)藍(lán)光波段，在抑制藍(lán)光和補齊靛色(480 nm附近的藍(lán)光)方面更加優(yōu)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(xù)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(zhuǎn)換效率相對較低的問題;其次，目前藍(lán)色熒光粉的外量子效率較低且可靠性仍需進(jìn)一步提升，應(yīng)用于大功率產(chǎn)品時容易導(dǎo)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(lán)光全光譜

藍(lán)光全光譜方案其實更像是常規(guī)白光LED方案的升級版，在傳統(tǒng)白光LED“藍(lán)光芯片+黃色熒光粉(YAG∶Ce3+)”的基礎(chǔ)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(guī)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(fā)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(lán)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(lán)光芯片和熒光粉之間的耦合技術(shù)，也是實現(xiàn)LED光譜高連續(xù)性、獲得高品質(zhì)全光譜LED的關(guān)鍵技術(shù)。圖4(b)為采用雙藍(lán)光技術(shù)實現(xiàn)LED的光譜圖，該方案光譜連續(xù)性較好，且短波藍(lán)光強度較低。

藍(lán)光激發(fā)全光譜相對紫光激發(fā)全光譜具有成本低、光效高、易于產(chǎn)業(yè)化等優(yōu)點。但同時也存在不足之處:色溫較高時短波藍(lán)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(wěn)定性需要進(jìn)一步改進(jìn);采用雙藍(lán)光激發(fā)方案，其光譜效果相對單藍(lán)光具有較大提升。

圖4 藍(lán)光全光譜圖。(a)單藍(lán)光全光譜圖;(b)雙藍(lán)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(zhì)的研究方法

目前主流的全光譜LED實現(xiàn)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(jìn)一步提升其光譜質(zhì)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(jù)基質(zhì)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(fā)射峰寬、成本低等優(yōu)點，應(yīng)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(xué)公司于1996年開發(fā)的Ce3+激活釔鋁石榴石(Y3Al5O12，簡稱YAG)黃粉。硅酸鹽基質(zhì)體系熒光粉具有發(fā)射光譜覆蓋較寬、化學(xué)穩(wěn)定性較高等優(yōu)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(zhì)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(fā)光材料具有激發(fā)波段寬、發(fā)射顏色多樣、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、無污染等優(yōu)點，已成為國內(nèi)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(jié)構(gòu)變化和熒光性能調(diào)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(zhì)量，部分研究者對全光譜用熒光粉展開了研究。當(dāng)前，超寬帶熒光粉的開發(fā)作為其中一條研究思路已經(jīng)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(fā)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(fā)射峰，如圖5所示，可以實現(xiàn)可見光內(nèi)的可調(diào)諧發(fā)射，其超寬的發(fā)射光譜為開發(fā)高顯色指數(shù)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(fā)射光譜，使用該單相熒光粉制作的白光LED展現(xiàn)了優(yōu)異的顏色質(zhì)量(Ra=97，R9=91)。Wang等[28]利用高溫固態(tài)反應(yīng)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(fā)下，熒光粉在470 nm和600 nm處出現(xiàn)兩個主要的寬譜帶，激活離子在基質(zhì)晶格中的不同占位導(dǎo)致了多個發(fā)射峰的出現(xiàn)。

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(yīng)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(qū)域。針對上述現(xiàn)象，有研究者致力于開發(fā)新型熒光粉來對靛色波段進(jìn)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(tài)反應(yīng)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(jié)果顯示，該熒光粉和YScSi4N6C∶Ce3+(藍(lán)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(fā)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(diào)特性，但是其調(diào)節(jié)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(lán)綠色波谷。

紫光激發(fā)全光譜LED中，提供藍(lán)光波段的藍(lán)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(fā)射峰的半峰寬(Full width at half maximum，F(xiàn)WHM)大體上在20～60 nm之間，并且其最佳激發(fā)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(qū)體分解方法制備了介孔氫氧化鋁型藍(lán)色熒光粉，測試發(fā)現(xiàn)其具有較高的量子產(chǎn)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(shù)。

除了傳統(tǒng)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(yīng)用。量子點(Quantum dot，QD)是一種納米尺寸的半導(dǎo)體粒子，具有優(yōu)異的光電性能。其作為光致發(fā)光材料時，發(fā)射光的波長取決于其粒徑的大小，因此以量子點為發(fā)光體的LED(QLED)可以獲得接近連續(xù)光譜的特性，在全光譜領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。Zhong等[32]使用量子點制備出了同時滿足高顯色指數(shù)、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(dá)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(yè)化QLED產(chǎn)品，使得CRI為90的器件在3 000 K色溫時光效能達(dá)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(shù)白光LED時需要更加復(fù)雜的遍歷計算和調(diào)試配比的過程，在現(xiàn)實的合成過程中較為困難，不利于最終的產(chǎn)業(yè)應(yīng)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(chǔ)上提升器件的光譜質(zhì)量。

Lin等[33]設(shè)計了一種色溫可調(diào)的優(yōu)化光學(xué)性能的白光LED模型:R組，直接激發(fā)的紅光芯片;pc-Y組，藍(lán)光芯片激發(fā)綠色和橙色熒光粉;pc-C組，藍(lán)光芯片激發(fā)綠色熒光粉，如圖7所示。該方案的本質(zhì)其實就是將藍(lán)、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(diào)試過程。通過調(diào)整上述3組基色的比例，在2 731～6 533 K色溫之間實現(xiàn)了Ra≥98，大部分Ri≥95。但是這種方法得到的光譜圖在藍(lán)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(lán)、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(nèi)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(dá)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(nèi)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(biāo)太陽光譜相似程度的數(shù)學(xué)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(nèi)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(shù)，ST(λ)為目標(biāo)光譜分布，Si(λ)為LED光譜分布，Ki為功率系數(shù)。并通過計算機模擬仿真來確定LED功率參數(shù)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(xiàn)

根據(jù)有關(guān)報道，不同色溫的光能夠刺激視網(wǎng)膜細(xì)胞，使大腦做出相應(yīng)的指令，從而影響人的生物鐘和激素分泌，會對人體健康產(chǎn)生一定的影響。為了實現(xiàn)健康照明，有學(xué)者提出了光色可調(diào)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(chǔ)上，經(jīng)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(qū)動不同的LED器件進(jìn)行光色組合，在2 719～6 497 K的色溫范圍內(nèi)取得了CRI高于93的全光譜器件。

也有學(xué)者選擇把全光譜LED和照明控制技術(shù)、調(diào)光模塊、無線IP、移動APP等相關(guān)技術(shù)結(jié)合，提出了一套完整的軟硬件結(jié)合的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，為當(dāng)前的智慧化城市提供一種具體、可實現(xiàn)的照明系統(tǒng)方案[37]。

5 結(jié) 論

本文分別從發(fā)光材料的研究和增加基色數(shù)量兩方面提升現(xiàn)有全光譜LED方案的品質(zhì)。但是其最終效果距離真正的色溫可調(diào)太陽光全光譜還有一定差距，熒光粉的熱穩(wěn)定性、可靠性、特殊波段熒光粉的開發(fā)仍需進(jìn)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(fù)雜的問題，還需要進(jìn)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(xiàn)更健康的照明。同時，全光譜LED還將與控制系統(tǒng)相結(jié)合，在各使用場景下根據(jù)需求智能改變出光品質(zhì)，實現(xiàn)智慧照明?？偠灾S著材料技術(shù)的發(fā)展、工藝的進(jìn)步以及與控制系統(tǒng)的結(jié)合，這種新型照明光源將在未來得到更廣泛的應(yīng)用。