全光谱可调色温高品质LED光源的研制

聂丛伟 闫永生 张青

摘 要：我国LED照明经过近20多年的高速发展已经由单独追求光效转向全面追求光品质。本文论述了全光谱可调色温高品质LED光源技术研究，该研究成果不仅能满足常规的照明需求，还能通过调节不同颜色LED发光的配比获得不同色温、不同显色指数、不同光谱的照明光源。利用多基色进行光谱合成，得到连续光谱及可调色温的高品质LED光源。利用多通道驱动装置，通过智能系统，通过环境参数反馈，实现多光谱合成高品质连续可调的LED照明系统。

关键词：全光谱；可调色温；高品质；LED技术

1 概述

人类漫长的经济社会的发展史是以人们活动时间的延长为标志。从原始社会的天气状况良好下的捕猎、采集活动到封建农耕社会的日出而作，日落而息，再到工业社会的两班三运转的倒班工作，再发展到信息社会的“夜经济”“夜生活”，这些都充分体现了这一社会发展规律。随着平均活动时间的延长，人类对照明提出了更高的要求。广义上讲，照明分三类，一是最基本的功能照明，二是满足人心理的舒适照明，三是治疗某些人生理疾病的医疗照明。[1]同时，对照明的需求也进一步增加，人类活动从平面空间光照转转向立体空间光照，平面空间光照指的是白天不需要人工光源，自然光即可满足人们的日常需求，夜晚的需求也是短时间的、局部的，对光源品质的要求也不高，而立体空间则要满足人们更长时间的照明需要，对光源品质也就有了更高的要求。另外，从光健康的角度的研究表明，人类的情绪走向、思维速度、内分泌系统甚至生命节律，不但与环境的光强状态有关，也与环境的光谱结构有关，社会发展需要使得人们更长时间地活动在人工光源环境下，这就促使照明行业运用更多的技术手段，使人工光照环境更加符合人类生存发展的规律，从而将人们的生理状态、心理状态更加健康，更加具有身心健康和工作效率。因此，高品质照明是LED照明发展的主要方向之一，更强的还原能力，更舒适的光谱结构适应多种需要的光谱可变性等是LED整个行业均面临的课题。

2 理论分析

从理论技术上讲，实现高品质LED照明主要有两种途径，途径一是采用多色窄光谱高效率LED（如红、黄、绿、青、蓝光）合成全光谱白光，主要目标是为了获得大的色域空间，目前的应用领域多为显色和电视播放等方面。该路线没有LED激发荧光粉带来的能量损失，通过多色LED的单独控制可以在较大范围内调节光谱，但面临的主要问题是青光的缺失和黄光LED效率明显偏低，目前国家重点专项正布置青光技术研发，而黄光国际最高水平是南昌大学研发的功率型黄光LED电光转换效率为14%（20 A/cm2）。途径二是采用蓝光LED激发多色荧光粉（如红粉、黄粉、绿粉、青粉等）获得白光。主要应用领域是照明，面临的主要问题仍是LED激发荧光粉带来的能量损失，同时光源在使用过程中缺乏光谱可变的灵活性，两途径的结合运用即采用多基色芯片与多成分荧光粉综合运用以获得高品质的光照产品有着广阔的研究空间。

3 技术路径

现有LED白光是通过蓝光LED激发黄色荧光粉获得的，光电转换效率已远超白炽灯和日光灯，但光品质不够高，主要表现在显色指数、色温和光效之间难以协调发展，虽然也有可调色温的LED产品出现，但都是仅仅实现了色温的变化，不能保证连续可调的区间的保证高品质照明的需求。因此选择的技术路径为：面向led行业发展的主要方向，从器件设计和封装工艺入手，研究相关的关键技术从而初步实现全光谱覆盖并根据需要进行调整的LED器件，为高品质照明系统的实现提供坚实的技术基础。采用多基色芯片和YAG、氮化物、量子点荧光粉，利用蓝、青、绿、黄、橙、红六基色合成连续光谱白光产生技术，采用小间距多基色合成连续光谱的LED光源封装技术，制备全光谱、可调色温、高品质LED光源。高品质LED照明应具备联系色温在可调的区间内具有高显色指数、高光效、对人眼安全与舒适等特点。

4 研制过程

在全色温范围内，确定目标色温的光谱形态和成分分量，通过计算机模拟和理论计算，分析现有白光LED的光谱，找出现行光谱缺陷。分析光源的特征参数确定基色的光谱形态和分量成分。设计各基色的光谱的实现方案，并实验各基色的光通量控制特性和光谱变化特性。开展高品质封装光源的光谱的选择与设计，通过计算机模拟技术，设计多芯片互联链路。研究芯片与荧光粉，荧光粉之间的相互激发与吸收的匹配性，在多种规格的荧光粉及量子点混合状态下荧光粉及量子点空间分布状态控制技术，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。包括粉体物理参数（形状、粒径、密度等）的确定、混合方式、多頭在同一个封装腔体内的点胶方式、胶体固化程序等，实现光谱连续和高品质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。设计各基色的分布状态，实现光源空间分布的均匀性，研究设计各基色的电学特性，设计光源的电拓扑，以实现驱动电压的一致性。研究基于低电流密度应用的LED驱动技术，设计多芯片LED的电应力匹配，设计满足多种芯片混合封装的结构设计；引线端独立设计，可在外接的引线端任意并联或串联，方便驱动电源的设计；设计多通道驱动装置，通过智能系统，通过环境参数反馈，实现多光谱合成高品质连续可调系统。

通过研究，获得LED典型参数：在发光面直径小于15mm的高导热率、高反射腔体内，可实现在显色指数大于80的情况下，相关色温在22006600K的连续可调，而且保证，在色容差均可以做小小于5SDCM的全色域照明，光效大于90lm/W。

5 结语

人类生理和心理健康是照明行业面临的重要课题，还原世界本来的状态和强化某种特征影响人们的认知结果，这就需要照明系统能够完成这样三个目标，在不同的场合，不同的时段给人们展现不同的状态。这就需要光源和照明装置要具有全光谱覆盖和光谱调整能力。我国在十三五开局之年以重点研发计划的形式布局了下一代LED照明光源即高品质LED照明的研发。这必将推动我国LED照明技术引领世界，并满足消费市场不断提升的需求，这将带来显著的经济和社会效益。

参考文献：

[1]聂丛伟.第四范式对照明舒适度的推进分析[D].石家庄：河北师范大学，2018.06.

项目：本文章的研究工作受助于石家庄市科学研究与发展计划，项目编号：181130471A

作者简介：聂丛伟，男，赵县人，研究方向：LED封装技术与应用。