全光谱LED健康照明：机遇与挑战

靳梓诺，沈亚龙，2，赵虎旦

(1.宿迁学院 材料工程系，江苏 宿迁 223800；2.南京理工大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 210094；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033)

引言

近些年来，被人们广泛使用的照明产品无疑是白光LED。LED又名发光二极管，相较于传统照明，LED是一种全新的固态照明技术——半导体固态照明。不同于白炽灯的钨丝，半导体固态照明的发光材料主要依靠其内部的PN结，可以直接将电能转变为光能。因此目前市场上的白光LED具有光电转换效率高、耗能少、寿命长等优点[1]。白光发光二极管根据芯片数目可以分为单芯片型和多芯片型，由于多芯片型LED构造较为复杂，生产成本较高。因此相比之下，适合量产的家用LED灯为市面上主流的单芯片型白光LED，其利用光致发光的发光机理，制备方法主要采用“紫外线或者蓝光芯片激发各色掺有稀土元素的荧光粉”[2]，由此复合发光生成白光。

随着LED技术的不断发展与成熟，人们对灯具的发光品质也愈加注重。美国环境保护署(U.S. Environmental Protection Agency)于1991年开始提出“绿色照明”的概念。1996年，中国开始正式实施绿色照明工程。随着绿色照明概念的推行，人们除了关注照明节能环保外，更加注重照明的品质。由于白光LED是由蓝光或紫外线激发荧光粉复合发光而成，因此其发射的白光光谱中紫外线或蓝光部分较多。而光辐射的危害主要体现在紫外线对人体皮肤的伤害、蓝光对眼睛的危害以及热损伤。IEC 62471:2006标准根据不同光波的发射限值进行了危险等级的划分，见表1。白光LED除蓝光过剩外，在光谱中也存在着青蓝光波段较低、红光波段缺失等缺陷。这些缺陷不仅会对人体健康造成威胁，也会对部分植物生长起到抑制作用。因此，这种蓝光危害小、光电转换效率高的全光谱LED健康照明逐渐成为人和动植物健康生长的主流照明方向。

表1 IEC 62471:2006的生物危害分类

1 全光谱LED

1.1 概念特性

为解决普通LED光谱在蓝色波段范围产生的危害，研究学者们提出了一个新的名词：全光谱LED。全光谱LED是指光源发出的光涵盖所有可见光，即红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色，以及少量的不可见光[3]。太阳光属于自然光，太阳光谱是人们最为熟悉的全光谱，其光谱是连续的。从图1可以看出，全光谱没有普通LED光谱中各波段比例严重失调的问题，从而弥补了普通LED在光谱上蓝光过剩、青色光缺失、长波红光不足[4]的缺陷。这些优势不仅减少了普通LED的蓝光过剩带给人体的视觉疲劳，同时，其连续可调的宽光谱满足了不同动植物生长的光照需求，为动植物的生长提供了有利的光照环境。

图1 太阳光谱与普通灯具光谱图比较Fig.1 The comparison of the solar spectrum and the spectral map of ordinary lamps

显色特性是衡量光色特性是否优越的标准之一。显色指数CRI 的大小反映了其光源对物体的显色能力的好坏。从图2中可以看出，显色指数越高，物体色彩还原度越大，带给人们的视觉效果越好。目前全光谱LED的平均显色指数Ra高达97以上[5]，要远远高于普通LED，即全光谱LED相较于普通LED具有高显色特性，能更大程度地还原物体本身的色彩。

图2 不同显色指数灯源的显示效果Fig.2 Display effect of different color rendering index lamp sources

1.2 制备方法

目前全光谱LED制备方法主要分为多基色LED方案和LED激发多色荧光粉方案。而对于LED激发荧光粉方案，荧光粉的种类对全光谱LED的性能起着决定性作用。因此，针对不同照明应用场景的需求，可以掺入不同的荧光粉，以此制备出不同光电特性的全光谱LED。

1.2.1 多基色LED构筑

多基色LED构筑法主要是将多种不同颜色的单色LED芯片集体构筑，通过不同的排列组合，改变波峰值与半高宽等光谱特征，从而得到连续光谱且具有高显色性和高光效特点的一种制备方法。目前通过三基色LED芯片混合而成的白光显色指数可达到85以上，而四色芯片组合的LED显色指数可达到88以上[6]。

1.2.2 单色LED光谱拟合法

单色LED光谱拟合是根据不同颜色LED的光谱特性，选取合适的单色LED光谱进行叠加，并通过光谱拟合数学模型、光谱拟合优化算法等成功实现全光谱LED照明。王宏民等[7]提出将LED光谱合成自然光全光谱的数学模型为：

(1)

式中，L(λ)为目标光谱曲线；In(λ)为单色LED在额定电流下光谱分布函数；kn为拟合系数。

成功建立数学模型后，分别利用最小二乘法、LM算法得到拟合所需的单色LED的拟合参数并进行参数优化。随后采用递减实验的方法，对拟合结果进行优化。最终结果显示，27种单色LED合成光谱结果满足AM1.5的A级标准，17种单色LED合成光谱满足AM1.5的B级标准，达到模拟太阳光照明的光谱匹配度要求[8]。

1.2.3 蓝光LED芯片+黄红色荧光粉

为进一步弥补现有技术中全光谱红色波段的缺失问题(图3)，研究学者们相继提出在此制备基础上加入不同波长的红色荧光粉，以达到使全光谱更贴近太阳光谱的目的。Uheda等[9]提出在黄色荧光粉中掺入新型氮化物红色荧光粉CaAlSiN3:Eu2+。将发光波长为450～470 nm的蓝光芯片激发黄色与红色荧光粉，从而得到长波红色发射峰，提高了光谱的整体连续性，改善了显色性能。CaAlSiN3:Eu2+红色荧光粉热稳性较好，但是合成时需要高温高压，因此难以进行大规模生产。

图3 现有技术全光谱与太阳光谱比较图[10]Fig.3 The comparison of the full spectrum of existing technologies with the solar spectrum

1.2.4 双芯蓝光芯片+多色荧光粉

双芯蓝光芯片搭配多色荧光粉是利用两个不同波长的蓝光芯片激发荧光粉使部分特殊显色指数达到90以上的一种制备方案。任昌烈等[11]通过实验得出结论：在光源色温为5 000 K时，若两个蓝光芯片的发光波长分别在447.5～450 nm和455～457.5 nm范围内，并搭配密度为6 450 kg·m-3的Y3(Al，Ga)5O12:Ce3+黄绿色荧光粉和少量氮化物红色荧光粉(Sr，Ca)AlSiN3:Eu2+、密度为6 100 kg·m-3的Y3(Al，Ga)5O12:Ce3+黄绿色荧光粉与氮氧化物BaSi2O2N2∶Eu2 +蓝绿色荧光粉，可组成显色指数高达97.8的全光谱白光LED。

1.2.5 紫光芯片+RGB三基色荧光粉

此制备方案是用波长为395 nm左右的紫光芯片搭配一定比例的红、绿、蓝三色荧光粉，可得到显色指数高、颜色稳定性好的优质全光谱LED[12]。日本与韩国目前在中国销售的全光谱LED，其制备技术为紫光芯片(UV)激发三基色荧光粉。图4所示为目前市面上主流的紫外光激发全光谱LED光谱图。然而，随着色温的升高，光谱中蓝色波段能量越大，对人体的伤害越高。因此，为了降低灯具工作时的色温，杨皎洁[13]提出了一种新型商用短波蓝色荧光粉NaSrSeSi2O7:Eu2+和NaBaLuSi2O7:Eu2+青色荧光粉。实验结果表明，将市面上普通蓝色荧光粉替换为焦硅酸盐蓝色荧光粉，并搭配其他颜色商业荧光粉，再加入青色荧光粉，在波长为330 nm的UV芯片激发下得到的WLEDs器件，其相关色温显著下降。同时，此方法也有效填补了短波长部分，弥补了青色光缺失造成的波谷。由此，光源光谱更加接近太阳光光谱。

图4 紫外光LED激发全光谱图[10]Fig.4 The full spectrum of UV LED excitation

2 全光谱LED的机遇

全光谱LED的机遇来源于其优越的光色特性和广阔的应用市场前景。全光谱LED的优势主要体现在其光谱较普通LED更加接近自然光光谱，有效减少了蓝光危害，缓解视觉疲劳。因此被广泛应用于日常家庭照明、教育照明、动植物照明等领域。

2.1 健康照明

追求健康照明是人们日益增长的美好生活需求的具体表现之一。研究表明，人长时间在带有能量较大的蓝光波段LED照明下，人体视神经会受到较大的伤害，造成人体视觉疲劳、近视等；同时，会干扰人体生物节律，对人体健康产生影响。对于糖尿病患者来说，由于他们服用的药物大多属于光敏感性药物，若患者用药过后长时间暴露在蓝光过剩的光照环境下，极大概率会引起患者的视网膜病变，且随着灯的色温越高，其所包含的蓝色光波段能量越大。因此，在这个人们不断追求“健康生活”的时代里，减少蓝光过剩产生的危害开始成为研究学者们主攻的一个课题。

2.2 教育照明

随着预防控制全国儿童青少年近视率等一些政策的出台，教育照明被逐渐重视起来。

2018年8月，国家卫生健康委员、教育部等部门联合印发了《综合防控儿童青少年近视实施方案》。方案中提到：预计到2030年我国儿童近视率应控制在3%左右，小学生、初中生和高中生近视率应分别控制在38%、60%和70%以下。预防近视中，除了加强自身的防范意识外，环境因素也至关重要，例如用眼的环境和灯具的选择等。《中小学校普通教室在照明设计安装卫生要求》中指出：对于教室照明，学校应充分利用自然光。使用灯具照明时应尽量选择色温指数高、蓝光危害少的白光LED。因此制造出性能优越、舒适度高的教育照明灯具的工作迫在眉睫，全光谱LED照明应用前景也十分广阔。从表2可以看出，全光谱LED相较于传统LED，可以帮助教室里的学生更好地缓解眼部疲劳，符合现行国家标准。

表2 改造前后学校教室光源品质对比

2.3 动植物照明

随着农牧产业的发展，光电科技越来越多地应用到农牧产业上来。农牧产业大力发展的同时也带动了动植物照明产业的崛起。全光谱LED凭借其自身的优势在农牧照明市场的前景也愈加广阔。

奶牛生产性能(产奶量)是评判奶牛品质的标准之一[14]。有研究发现，每天长时间接触光照的奶牛，其牛奶产量可相对提高5%～16%[15]。同时，与白光和黄光LED灯相比，蓝光过剩的LED灯会给奶牛造成更多的压力。因此，可以利用智能控制系统，搭配传感器等其他智能设备，制备出一种应用于奶牛养殖的全光谱LED照明控制系统。传感器用于检测当地牧场位置的平均光照强度、色温，以及光谱中蓝光的比例。然后通过调节控制照明系统中光谱不同波长的发光比例、光照强度、色温等光色指数，使全光谱LED发出的光达到最适合奶牛生产生活的光源标准，从而增加奶牛的产奶量。

光质影响着植物的光合特性、生长发育、生理代谢和形态构建，红光和蓝光是植物进行光合作用和光形态建成的主要光谱[16]。不同植物生长时所需要的最佳光质条件大多有所差异。以绿豆芽苗菜为例，谭仁豪等[17]在研究报告中提出蓝光处理下的光源对绿豆芽苗生物量的积累起到一定的抑制作用，而小白菜的叶片发育良好，生长状态最佳[18]；红蓝光比为1∶2的光源却促进了生菜的光合作用(图5)，是生菜高产的优选光源[19]；红蓝复合光为2∶1的光源可以显著提高秋葵幼苗生长时的各项生理指标[20]，表3概述了不同光质对黄秋葵幼苗成长的影响。因此，可以利用全光谱的光谱可调性，将全光谱LED与智能识别系统相连接。智能识别系统通过扫描不同时间段大棚种植的植物计算出对应植物的最佳生长光谱，使全光谱LED发出最适合此植物生长的光，保证植物的生物累积量、生长状态等各项生理指标达到“巅峰”状态。

图5 不同比例红蓝光对生菜光合作用[19]Fig.5 The effects of different ratios of red and blue light on photosynthesis of lettuce

表3 不同光质对黄秋葵幼苗成长的影响[20]

由此可见，由于全光谱LED在光谱上拥有连续性强、蓝光危害小、长波红光充足、光谱颜色可调等优点，其在未来照明市场的前景不容小觑。

3 全光谱LED的挑战

3.1 价格

虽然目前全光谱LED凭借它的光谱连续性强、蓝光危害小的特点越来越受到广大消费者的喜欢，LED制造商开始重视并加大投入生产。但是，由于激发荧光粉的UV芯片制作成本高，导致产品价格较为昂贵。因此，对于普通家庭或者工厂而言，他们会更倾向于使用普通LED芯片来减少成本。

3.2 发光效率

目前市场普通的LED灯的发光效率在150 lm/W左右，而大多全光谱LED的效率在122 lm/W左右，低于普通LED灯[21]。发光效率的差异主要来源于技术的成熟与否。普通LED灯经过多年市场开发，开发工艺已十分成熟，而全光谱在市场上的“磨练”仍较少，制造工艺仍处于差强人意的状态，其所用的蓝、紫色芯片和荧光粉的发光效率还有待提高。

3.3 可靠性与稳定性

对于多基色LED方案，由于单色芯片性能不一，尤其是绿色和黄色芯片发光效率远低于其他芯片而导致“绿色鸿沟”，而且芯片的光衰差异大，容易引起白光色温不稳定。对于芯片激发荧光粉的制备方法，由于不同荧光粉老化速率不一，可能导致光谱、灯具发光颜色随着时间的推移逐渐出现偏差。且用于散热装置中的封装材料环氧树脂在紫光照射下易黄化，长时间会出现色温漂移，不再维持最初的白光色温[22]，进而致使LED灯使用寿命减少。

3.4 工作寿命

合格的普通LED灯的工作寿命一般在100 kh[23]，而全光谱因为制作工艺还未成熟，以及荧光粉的稳定性能较差，其工作寿命远远小于普通LED灯。此外，由于环氧树脂在紫外灯长时间的照射下容易黄化，影响透气透氧性，散热效果会逐渐减弱，长时间使用后温度会急剧升高，加剧灯具内部材料的老化，缩短使用寿命。

4 结论

全光谱LED因其光谱更加连续、有害蓝光部分比例低的特点，相对于普通LED光谱更加满足人们对健康生活的追求与需要。比较两者，全光谱LED的市场更为广泛、需求量大，因此它的机遇有很多。但是到目前为止，其制备技术不够成熟，稳定性与可靠性较差，且成本过高，不易被大众所接受。相信随着时代的进步以及学者们的不断研究，其制备技术会愈发简单便捷，工作效率与使用寿命等方面会大大优化，成为照明市场的领导者。