白光LED厚壁光導(dǎo)點(diǎn)亮泛黃研究及對(duì)策

李祥兵，沈 陽(yáng)，姚 明

（1.神龍汽車(chē)有限公司，湖北 武漢 430050；2.湖北大學(xué)材料與科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

1 引言

白光LED是替代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，實(shí)現(xiàn)高效照明的重要途徑。它具有低電壓、低能耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，而且符合綠色照明工程環(huán)保和節(jié)能的要求，因而在汽車(chē)照明和信號(hào)領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。LED白光一般分為暖白光、白色光、冷白光。暖白光的色溫低于3300K，與白熾燈相近，給人一種舒適和溫暖的感覺(jué)。白色光亦稱(chēng)為中性色光，色溫為3300～5300k，其光線柔和、舒適。冷白光一般偏藍(lán)，色溫一般高于5300k，接近于自然光能使人精力集中。對(duì)用戶而言，照明系統(tǒng)采用白光LED的車(chē)燈，他們希望看到純白光的照明效果，這樣看起來(lái)比鹵素?zé)舾?，視覺(jué)效果更清晰，夜間駕駛也更有安全感；對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)或內(nèi)飾氛圍燈系統(tǒng)，若采用白光，他們希望看到更穩(wěn)定的光色，以便不給其他道路使用者造成不必要的干擾。在汽車(chē)照明燈具設(shè)計(jì)中，由于各種原因，白光LED燈具點(diǎn)亮后泛黃的問(wèn)題比較普遍，這除了與當(dāng)前LED的技術(shù)水平有關(guān)，也與LED燈具本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。點(diǎn)亮后泛黃嚴(yán)重影響客戶感知品質(zhì)，并有可能被客戶判斷為“產(chǎn)品老化”等感知品質(zhì)瑕疵，影響他們的購(gòu)車(chē)欲望和駕駛體驗(yàn)。因此，從源頭上分析和尋求LED燈具點(diǎn)亮泛黃的解決方案勢(shì)在必行。

2 LED白光的形成原理

2.1 光的混色原理

光是電磁波，通?？梢苑譃榭梢?jiàn)光（380～780nm），紅外光（780nm～1mm）和紫外線（100～380nm）3種。白光屬于可見(jiàn)光的一種，它是多種顏色的混光。

1）三原色：在3種顏色中，其中任意兩種不能混拼出第3種時(shí)，這3種顏色即為三原色。

2）加法混色原理：當(dāng)兩種或兩種以上不同光相互混合得到光的亮度是各組分亮度之和。比如，綠光+紅光=黃光，綠光+藍(lán)光=青光，紅光+藍(lán)光=品紅光。

3）原色光與中間色相加得到白光：紅光+青光=白光，綠光+品紅光=白光，藍(lán)光+黃光=白光。

2.2 白光LED的形成原理

由以上分析可知，白光是一種混合光。白光LED可以分為單芯片、雙芯片、三芯片和四芯片等。對(duì)于單晶型LED而言，一般采用單色的LED發(fā)光二極管與熒光粉作用形成白光。在這種情況下，一般采用如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

藍(lán)色LED發(fā)光二極管發(fā)出藍(lán)光后，透過(guò)黃色熒光粉。熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生黃光與原先用于激發(fā)的藍(lán)光互補(bǔ)產(chǎn)生白

2022-01-27光。這種方法所用熒光粉的有效轉(zhuǎn)化效率較低。雖然說(shuō)藍(lán)光LED配合黃色熒光粉的白光LED封裝技術(shù)是目前比較成熟的技術(shù)，但是利用這種方法封裝出來(lái)的白光LED有幾個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題無(wú)法解決：首先是均勻性的問(wèn)題，因?yàn)榧ぐl(fā)黃色熒光粉的藍(lán)光晶粒實(shí)際上參與了白光的配色，所以，藍(lán)光晶粒發(fā)出波長(zhǎng)的偏離、強(qiáng)度的變化以及熒光粉涂抹厚度的改變都會(huì)影響白光的均勻性。最常見(jiàn)的例子是用這種封裝出來(lái)的白光LED中間部分看起來(lái)較藍(lán)（或較白），而旁邊的區(qū)域看起來(lái)較黃（熒光粉涂得較厚），各白光LED的顏色不盡相同。另外，利用藍(lán)光晶粒配上黃色熒光粉的白光LED，具有白光色溫高、演色性偏低等問(wèn)題。紫外光LED（紫色）激發(fā)RGB（紅綠藍(lán)）三波長(zhǎng)熒光粉形成白光。

對(duì)于多晶型LED而言（多個(gè)發(fā)光二極管），一般采用以下兩種方式。

1）采用兩個(gè)或兩個(gè)以上互補(bǔ)的兩色LED發(fā)光二極管，若要形成白光，一般是藍(lán)光LED與黃光LED通過(guò)混光形成白光。由于藍(lán)光LED比較便宜，因此一般采用藍(lán)光LED與熒光粉激發(fā)形成白光。

2）使用三原色發(fā)光二極管（RGB紅綠藍(lán)）通過(guò)混和而形成白光。這種方式要求紅、綠、藍(lán)3種原色光必須采用一種固定的發(fā)光比例，否則，三色混色所形成的就是其他顏色的光。由于這種方式形成的光顏色不太穩(wěn)定，故一般用于小功能LED上，在汽車(chē)照明中，一般用于氛圍燈領(lǐng)域，給用戶營(yíng)造一種漸變的、多彩的視覺(jué)效果。

3 評(píng)價(jià)白光LED的光色指標(biāo)

一般而言，評(píng)價(jià)光源光色的好壞一般采用3個(gè)指標(biāo)：色溫、顯色性和光效。LED光源相對(duì)于傳統(tǒng)光源而言，最大的優(yōu)勢(shì)在于它比傳統(tǒng)光源更加節(jié)能。隨著LED芯片技術(shù)和各種熒光粉技術(shù)的發(fā)展，目前市場(chǎng)上存在的LED（包括車(chē)規(guī)級(jí)LED光源）的光效普遍可以達(dá)到100lm/W以上，部分可以達(dá)到140，甚至160lm/W。相對(duì)于傳統(tǒng)白熾燈，LED光源的光效優(yōu)勢(shì)十分明顯。但是要想獲得與傳統(tǒng)白熾燈可以媲美的白光LED，依然是一個(gè)難題。在汽車(chē)照明中，雖然GB 4785—2019規(guī)定了各個(gè)功能所需要達(dá)到的色溫和顯色性要求，例如家用照明光源的色溫要求不高于5000K，顯色性要求一般是顯色指數(shù)Ra＞80，道路照明光源的要求是4000±50K。因此，控制好白光LED的色溫，提升白光LED的顯色性變得非常重要。

4 基于某H項(xiàng)目的LED光導(dǎo)點(diǎn)亮泛黃原因分析

4.1 H項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)背景

H項(xiàng)目是一個(gè)全球開(kāi)發(fā)車(chē)型，其前照燈位置燈分為兩部分：位于前照燈內(nèi)部位置燈（厚壁注塑光導(dǎo)）和獨(dú)立于前照燈之外的位置燈（厚壁注塑光導(dǎo)）。前照燈內(nèi)部的光導(dǎo)為45°傾斜布置，從上向下為直線型。獨(dú)立于前照燈之外的位置燈位于前照燈上方，從左到右為一種弧形結(jié)構(gòu)。在開(kāi)發(fā)階段，從車(chē)輛正前方看，上下兩部分位置燈點(diǎn)亮后，點(diǎn)亮效果均勻，且均為純白光。但從側(cè)面（45°角度）看，位于前照燈內(nèi)部的位置燈點(diǎn)亮呈現(xiàn)出肉眼明顯可視不均勻的泛黃效果。而獨(dú)立于前照燈之外的位置燈點(diǎn)亮效果要明顯好于前照燈內(nèi)部的位置燈，引起客戶抱怨。

4.2 光導(dǎo)材料本身泛黃

車(chē)燈光導(dǎo)材料一般采用PC材料。PC材料的光導(dǎo)板偏黃的原因是因?yàn)樯a(chǎn)導(dǎo)光板或?qū)Ч獠考谧⑺軙r(shí)沒(méi)有添加Polymsj導(dǎo)光劑。普通PC的導(dǎo)光板在20cm以外的距離，光線會(huì)逐漸偏黃，而我們需要的是純凈的白光。這種偏黃，主要是因?yàn)镻C料在注塑時(shí)沒(méi)有添加指定的導(dǎo)光劑而產(chǎn)生的，這種Polymsj導(dǎo)光劑添加量非常小，添加前后在LED未點(diǎn)亮?xí)r看不出任何區(qū)別。當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，導(dǎo)光板的光線會(huì)有很大的區(qū)別。

4.3 造型因素

車(chē)燈造型與人的視覺(jué)感知存在一定的關(guān)系，同一車(chē)燈不同的造型給人的感知存在差異。這種感知差異主要體現(xiàn)在亮度、光色和點(diǎn)亮均勻性等方面。比如，對(duì)于前照燈中的位置燈而言，造型為直線型的LED光導(dǎo)結(jié)構(gòu)（如位于前照燈內(nèi)部）和造型為弧面結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)（位于前照燈外部）組合成一個(gè)組合位置燈時(shí)，用戶從不同的角度可能看到不同的點(diǎn)亮效果，如某些區(qū)域點(diǎn)亮亮度不均，某些區(qū)域呈現(xiàn)光導(dǎo)泛黃、偏暗等問(wèn)題。這就要求在造型概念設(shè)計(jì)階段，要保證在一個(gè)組合燈內(nèi)，各部分的造型基本一致，這樣才能保證用戶從同一視覺(jué)方向看過(guò)去，LED光導(dǎo)點(diǎn)亮效果是均勻的。

4.4 結(jié)構(gòu)差異

根據(jù)LED發(fā)出的光導(dǎo)入厚壁光導(dǎo)的方式，可以將厚壁光導(dǎo)的發(fā)光方式分為直射式和側(cè)發(fā)光式，如圖1和圖2所示。假設(shè)LED本身帶有少量的黃色光，對(duì)于直射式，會(huì)導(dǎo)致黃色熒光粉投影后，從車(chē)身側(cè)面看到發(fā)黃現(xiàn)象（熒光粉倒影）。采用側(cè)發(fā)光方式（反射式），黃色熒光粉經(jīng)過(guò)一次反射后，不會(huì)直接投射到可視面，故從車(chē)身側(cè)面看不到發(fā)黃現(xiàn)象。

圖1 直接發(fā)光式

圖2 側(cè)發(fā)光式

4.5 LED的色度擋位選擇不當(dāng)

同一款白光LED生產(chǎn)過(guò)程中，通常會(huì)出現(xiàn)很多色度擋位，有些偏黃，有些偏藍(lán)。如圖3所示，當(dāng)M1，M2區(qū)域?yàn)榧儼坠猓ㄉ珳丶s5500K）時(shí)，L1，L2則為偏暖色（黃）的白光；而N1，N2，P1，P2為偏冷色（藍(lán)）的白光。其中，P1，P2比N1，N2更趨于藍(lán)色。如果理論定義為純白光，M1或M2是最佳的供貨色度擋位。但對(duì)于LED廠家而言，對(duì)于同一種型號(hào)的LED，如果僅供貨一種色度擋位的LED，勢(shì)必造成其他所有擋位的LED報(bào)廢，這樣成本將非常高，所以一般LED廠家會(huì)在供貨M1或M2的同時(shí)，也對(duì)L1，L2，N1，N2等供貨，以便盡可能減少報(bào)廢的LED數(shù)量。當(dāng)廠商在使用L1或L2色度擋位LED時(shí)，就有可能出現(xiàn)LED點(diǎn)亮泛黃的問(wèn)題。

圖3 色度擋位

4.6 LED本身的結(jié)構(gòu)決定

如圖4所示，藍(lán)色部分為藍(lán)光LED芯片，黃色部分為黃色熒光粉。a，b線區(qū)域?yàn)樗{(lán)光LED的發(fā)光邊界，即在a，b線以上LED發(fā)出的藍(lán)光會(huì)與黃色熒光粉混合后形成白光。在a，b線以下，由于光線的反射作用，此區(qū)域的光線很弱，藍(lán)光不能與黃色熒光粉充分混合，因而會(huì)逐漸形成黃色的邊界，離LED芯片中心區(qū)域越遠(yuǎn)，光線就表現(xiàn)得越黃且變暗，以至最終變成黑色區(qū)域。如圖4所示。

圖4 LED點(diǎn)亮泛黃的機(jī)理

4.7 溫度的影響

LED是一個(gè)溫濕敏感元件，溫度對(duì)其光通量尤其敏感。一般而言，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到70～80℃時(shí)，LED的光衰會(huì)達(dá)到20%～30%左右。對(duì)于藍(lán)光LED而言，同樣也存在光的衰減。當(dāng)LED藍(lán)光衰減后，藍(lán)光與黃色熒光粉不能很好混合，導(dǎo)致圖4中黃色增多。在這種情況下，通過(guò)厚壁光導(dǎo)后，就會(huì)呈現(xiàn)黃色現(xiàn)象。

5 消除厚壁光導(dǎo)點(diǎn)亮泛黃的對(duì)策

5.1 提高電流

由于白光是藍(lán)光和黃色熒光粉混合的結(jié)果，提高藍(lán)光LED的輸入電流后，藍(lán)光LED發(fā)出的光更強(qiáng)，這樣藍(lán)光與黃色熒光粉可以實(shí)現(xiàn)更加充分的混合，即藍(lán)光和黃色熒光粉的混合效率可以得到很大的提升。從圖4可以看到，混合后的白光打到光屏上，整體效果更白，但是周?chē)蝗θ匀粫?huì)呈現(xiàn)一圈黃色光斑，與電流提高之前相比，黃色光斑會(huì)減少。另外，當(dāng)LED的正向電流增加10mA后，根據(jù)LED的顯示波長(zhǎng)（色彩）與正向電流的關(guān)系曲線（圖5），其正向電壓變化的范圍為800mV，白光LED工作電壓的變化會(huì)改變其發(fā)光的色彩（從波長(zhǎng)較長(zhǎng)的顏色逐漸變化為波長(zhǎng)較短的顏色，即由暖色逐漸向冷色轉(zhuǎn)變），這主要因?yàn)楣ぷ麟妷旱淖兓淖兞苏螂娏?。?duì)于不同的白光LED，其電流-電壓特性也會(huì)呈現(xiàn)較大的差異。這就是為什么當(dāng)白光LED的電流提高后，除了視覺(jué)感知更加刺目以外，整體效果會(huì)更白。

圖5 LED顯色波長(zhǎng)（色彩）與正向電流的關(guān)系曲線

5.2 將直接發(fā)光變?yōu)閭?cè)面發(fā)光方式

從前面的分析可以看出，采用直射發(fā)光方式，LED發(fā)光的白光（周?chē)蝗S色光斑）通過(guò)厚壁光導(dǎo)后，相當(dāng)于通過(guò)一個(gè)透鏡對(duì)黃色光斑區(qū)域進(jìn)行了放大，因而會(huì)呈現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象。如果將LED與厚壁光導(dǎo)設(shè)計(jì)成帶一定角度的側(cè)發(fā)光方式，由于光線傳播方向發(fā)生了改變，其發(fā)黃的程度也會(huì)有很大的改善。當(dāng)然，采用側(cè)發(fā)光的方式，所需要的設(shè)計(jì)空間更大，因此在設(shè)計(jì)階段，要詳細(xì)核實(shí)空間是否足夠。

5.3 更換LED

由于白光是藍(lán)光LED表面增加一層黃色熒光粉后進(jìn)行混合形成的。從圖4可以看出，如果將熒光粉的高度h適當(dāng)降低，即將藍(lán)光LED與黃色熒光粉不充分混合的區(qū)域適當(dāng)降低，則白光周?chē)蝗Φ狞S光光斑會(huì)有所減少，通過(guò)厚壁光導(dǎo)后，其發(fā)黃的視覺(jué)效果也會(huì)有很大程度的減輕。更換LED一般采用兩種方式，一是將LED的色度擋位更改為偏白的色度擋位，二是選擇高度h盡可能小的LED。另外選擇帶環(huán)形硅膠膜的LED（圖6），硅膠膜（TiO）的作用在于將LED發(fā)光區(qū)域周?chē)狞S暈屏蔽掉，這樣LED得到的光即為純白光。

圖6 帶硅膠膜的LED

5.4 增加皮紋

皮紋的作用是將光打散后重新混合。一般而言，LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)厚壁光導(dǎo)后，如果厚壁光導(dǎo)的入射表面是一個(gè)光滑的表面，則此時(shí)光在光導(dǎo)表面的傳播主要是折射和反射，但更多的成分是折射。如果將厚壁光導(dǎo)的入射表面增加皮紋后，則入射表面變成一個(gè)凸凹不平的表面，此時(shí)雖然傳播方式仍然是折射和反射，但是光被反射的成分相對(duì)于未加皮紋的表面會(huì)增多，折射的成分會(huì)降低。在這種情況下，對(duì)同一個(gè)光源，通過(guò)厚壁光導(dǎo)后的光通量降低，因而增加皮紋后的光導(dǎo)亮度會(huì)所有降低。另外，增加皮紋后，由于光的反射作用增強(qiáng)，白光中的黃色成分也會(huì)通過(guò)反射而降低，因而增加皮紋后，點(diǎn)亮后的效果會(huì)更白。

5.5 更換光導(dǎo)材料

目前厚壁光導(dǎo)一般采用PC和PMMA兩種材料。PC材料略偏黃，需要在注塑過(guò)程中增加導(dǎo)光劑。PMMA材料更純白一些，但PMMA的耐溫極限溫度比PC略低一些。因此，在耐候性能保證的前提下，壁光導(dǎo)采用PMMA材料可以幫助得到更加純白的光。

6 結(jié)論及展望

通過(guò)上述措施嘗試后發(fā)現(xiàn)，LED本身點(diǎn)亮泛黃是根本原因，采用皮紋的方式可以很好地改善（不是消除）光導(dǎo)點(diǎn)亮泛黃的問(wèn)題。其他措施雖然在本項(xiàng)目（處于工業(yè)化階段）未看到較為明顯的改進(jìn)效果，但是在設(shè)計(jì)階段，如果能充分考慮這些因素，LED光導(dǎo)點(diǎn)亮泛黃的問(wèn)題就能從根本上解決。因此，本項(xiàng)目中所提供的解決方案，對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)以及后續(xù)的品質(zhì)改進(jìn)都具有重要的意義。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，白光LED將更多地得到普及和應(yīng)用。未來(lái)白光LED發(fā)展趨勢(shì)為：①提高發(fā)光效率，目前的指標(biāo)為15lm/W，未來(lái)期望為100lm/W；②開(kāi)發(fā)GaN無(wú)機(jī)UV-LED短波激發(fā)光源，目前的指標(biāo)為460nm，未來(lái)期望為254nm；③提高外部量子轉(zhuǎn)化效率，由目前的10%提高到40%；④提高熒光材料的能量轉(zhuǎn)化效率，由目前的60%上升到90%；⑤不斷降低成本，由目前的0.5$/lm降低到0.0005$/lm。