一种类白炽灯光谱LED光源的研制

刘洋

摘 要：近年来，半导体照明技术的飞速发展使得LED在照明应用中作为一种新型照明光源被越来越广泛的应用。LED白光主要是依靠450～460nm波段的蓝光激发荧光粉而形成，使得LED蓝光危害成为一个不容忽视的问题。本文介绍一种采用特定波段蓝光芯片和YAG、氮化物荧光粉，结合蓝光芯片激发荧光粉产生多基色混合光的原理，合成出类白炽灯光谱，其光谱与白炽灯光谱拟合度大于90%。采用低热阻和光学性能良好的专用支架封装成高效率、高可靠性的LED白光照明光源，相较于普通LED光源，样品光谱中蓝光波段辐射能量大幅降低，单位光通量下，LED光源的蓝光危害降低了45.67%，从而达到护眼效果，推动LED在高端室内照明的应用。

关键词：LED；光辐射；类白炽灯；封装技术；拟合度

一、序言

随着LED技术的发展，LED光源相比于传统光源具有节能、环保、寿命长、能耗低、体积小、可靠性高等诸多优点，这些优点使得LED光源在室内照明中的应用越来越受到世界各国的广泛关注。然而随着人们对于照明产品光生物效应的关注，光照明产品的光生物辐射安全问题，尤其是蓝光危害已成为人们对于LED产品望而却步的一个重要原因。

蓝光危害主要体现在眼睛的近紫外辐射损伤、视网膜蓝光的光化学损伤和辐射的热损伤等方面。LED通过眼的屈光介质聚焦在视网膜上形成影像，使视网膜上的能量密度较角膜上入射能量密度提高，由于现有的LED光源光谱色系少，所以在眼底的色差小，致使极低的LED照射即可引起眼角膜或视网膜的损伤。

蓝光对眼部的损害是不可恢复的，尤其是青少年，视网膜尚未发育成熟，对外界光的敏感度较高，更易受外界的刺激和影响。

因此，本次研制项目以面向青少年儿童及高端照明应用为背景，提高LED照明的安全性和舒适度为目标，主要研究用于室内照明的类白炽灯光谱的多种芯片、多种荧光粉、低功率的白光LED，建立可生产的由蓝光芯片或多种蓝光芯片激发混合荧光粉合成的类自然光光谱模型。

在较高光谱拟合度的情况下，确定各基色光谱的成分比例。生产出类自然光谱LED光源，并在光谱合成技术、低热阻封装技术、高稳定光输出技术等方面开展相应工作。突破批生产关键技术和成本控制技术，生产具有高光谱安全性和舒适度的LED单芯片功能功率和多芯片大功率封装产品，推动LED在高端室内照明的应用。

二、研制过程

（一）LED光源光谱安全性的提高研制

通过研究LED的蓝光危害，分析了LED蓝光危害产生的原因和可能对人体造成的伤害，并研究在近场条件下的各发光单元的相互影响，确定工程学理论模型和产品设计模型，为系列产品设计提供理论基础。使用以下颜色光谱模拟白炽灯光谱，拟合度达到80%以上。根据CIE和国家标准宽波段光源对视网膜的危害度与光源短波长段的光谱分布有相当大的关系，其危害度最大的波长位于440nm。而蓝光LED的半峰宽在25～30nm左右，因而实验将在减少总危害度和保持相对高的光源效率方面开展工作。选择特定波长的蓝光LED芯片，设计适合长时间、近距离照明需要的安全光源。选取波长470nm的芯片，使光谱能量高值避开440nm附近，荧光粉转化使蓝光能量减少，从而达到减少蓝光危害的目的。

（二）低热阻芯片安装的研制

研究芯片安装材料的综合特性和安装工艺技术，实现可以进行高效率、连续生产的LED芯片的安装生产技术。主要内容有胶粘、钎焊和共晶焊接等方式进行热阻、热疲劳、工艺周期等方面进行试验研究，确定具有较低热阻、较短生产周期和低成本的工艺。并重点研究胶粘方式的材料特性、点胶方法、胶量控制和胶体成型工艺等技术。

在不降低芯片粘合强度的情况下，降低贴片胶的高度，仅为1～3μm，使得衬底与LED支架的粘接层变薄，热向支架导出更快，从而达到降低结温的目的，使LED的寿命延长，光衰降低。封装壳体采用具有良好热沉的封装支架，该结构具有良好的散热通道及气候防护特性。

（三）荧光粉空间分布和出色均匀控制的研制

荧光粉的空间分布状态与LED的发光效率、可靠性以及生产成本有十分密切的关系。重点研究在多种规格的荧光粉混合状态下荧光粉空间分布状态控制技术，包括粉体物理参数（形状、粒径、密度等）的确定、混合方式、胶体固化程序等。以实现高光效和可靠性所需要的荧光粉空间形态，从而实现LED光参数和色参数的目标。

选择颗粒均匀，粒径大小适宜的YAG及不同激发波长的氮化物荧光粉，经充分混合后，通过470nm波长的蓝光激发，合成所需白光。其中，为了获得高光转换效率，必须降低荧光粉层孔隙率，因此多种荧光粉的配比及浓度决定了白光的填充结构和填充特性。

本实验中，对不同激发波长的荧光粉的颗粒度、荧光粉间的孔隙率、粒级分配、比表面积、光吸收效果和转换效率进行反复研究，合成出符合要求的白光。

在封装硅胶内加入以（Al，Ti）O2 为主要成分的纳米级光介质，提高出光效率，同时使出光更加均匀。光介质还可以使荧光粉的沉淀减缓，使批量生产时的荧光粉一致性提高。此样品使用荧光粉的比例很高，使用光介质可以更有效激发荧光粉，从而减少所需荧光粉的浓度，在搅拌和点胶时，可以使荧光粉更加均匀。

三、测试

（一）光电参数

根据该实验工艺流程，生产出相应LED光源，采用光谱分析系统对样品进行测试，表1所示为其光电参数测试数据：

其测试电流为20mA，电压为3.1V，相应色温为2955K，属暖白系光源。光效为72.86 lm/W，由于添加氮化物荧光粉比例较高，其光效低于同类LED光源的光效均值，但远远高于白炽灯10～20 lm/W的光效均值。尤其R9（深色鲜红）是评价红色复现质量的指标，该样品R9测试值为37，为正值，表示其再现真实颜色的指数较高，能高度真实还原所有的颜色，而普通LED光源的R9值为非正值，对红色还原能力能力较弱。

（二）拟合度

人类眼睛的识别度与敏感度在经过几百年的进化，已适应白炽灯的发光光谱，因此，LED光谱需与白炽灯的光谱高度匹配，才能使得人眼快速的适应LED光谱，而不必重新经历适应LED光谱这一过程，匹配度（即拟合度）的高低直接影响人类对LED光谱的适应度。拟合度（Goodness of fit）是指回归直线对观测值的拟合程度。显然若观测点离回归直线近，则拟合程度好，是检验来自总体中的一类数据其分布是否与某种理论分布相一致的统计方法。

根据以上理论计算可知，LED光谱与白炽灯光谱拟合度为90.2%，说明实验所生产的LED光源光谱较接近于白炽灯光谱，眼睛舒适度较高。

（三）蓝光危害

对于普通的LED光源，发光原理主要是由450-460nm波段的蓝光激发荧光粉而形成白光，使得蓝光危害增大，视网膜的安全性下降。针对此原因，本实验特选用470nm波长段的激发光，以降低蓝光对视网膜的损害。蓝光危害及蓝光波长计算是按照灯和灯系统的光生物安全性的国家标准的要求。其中，视网膜长期受蓝光辐射的损伤，光源的光谱辐亮度与蓝光危害函数B（λ）加权积分后的能量，也就是蓝460nm处LED样品光源的蓝光光谱明显低于白炽灯，蓝光光谱的辐射能明显减少，大幅降低了蓝光对视网膜的危害。通过对白炽灯光谱与LED样品光谱的理论计算对比可知，单位光通量下，LED样品光源蓝光危害下降了45.67%，蓝光对视网膜的损害大幅降低，从而达到护眼效果。

四、结论

研制过程以青少年儿童及高端照明的安全性和舒适度为目标，研究用于室内照明的类白炽灯光谱LED光源，采用470nm波长蓝光芯片激发YAG、氮化物荧光粉，产生多基色光混合白光，突破光谱合成技术、低热阻封装技术、高稳定光输出技术等方面障碍，生产具有高光谱安全性和舒适度的LED光源器件，其光谱与白炽灯光谱拟合度高于90%，蓝光波段光谱辐射的能量减少，光辐射危害降低了45.67%，从而达到护眼效果，推动LED在高端室内照明的应用。

参考文献：

[1] 俞安琪，赵旭.LED照明产品光生物安全风险状况分析[J].照明工程学报，2013，Vol.24，No.5.

[2] 蔡怡.LED照明产品的光生物安全风险分析及标准解读[J].信息技术与标准化，2013年04期.

[3] 灯和灯系统的光生物安全性.中华人民共和国国家标准，GB/T 20145-2006/ CIE S 009 /E ：2002.