光源器件创新方向(全光谱技术、健康照明)及趋势展望

By | 2020年7月24日

  1衰弱照明的需要

  通过过来十年的半导体资料技巧倒退以及制作工艺的晋升,红色发光二极管 (LED)
作为新型的固态发光器件曾经逐步庖代了传统光源。其高光效、低能耗、无净化、短命命等优点,使其正在灯具市场的浸透率比年递增。但是,跟着LED光源的疾速倒退,各类照明使用对光源提出了新的要求。人们从最后的对LED光效以及老本的注重逐步倒退到对其光质量以及衰弱的谋求。今朝市场上一些光源的光谱缺失、色调复原性差,一些LED灯因为驱动电源等应用不妥,存正在频闪、眩光、用眼平安等诸多成绩,用户体验欠安。因此为了合乎生产者对生存质量和温馨度的需要,高光质量、温馨衰弱的照明技巧成为近期市场的倒退支流趋向,也对白光LED封装及模组技巧提出了新的应战。

  2全光谱白光的技巧计划

  今朝完成白光的形式次要有如下两种:第一种是经过多色LED多芯片组合(无荧光粉)完成白光。该技巧道路次要要处理“黄色边界“成绩,黄光LED芯片成为次要技巧瓶颈。以南昌年夜学江风益传授代表的钻研团队正努力于钻研硅衬底高光效黄光LED芯片的开发,并获得了要害性停顿,黄光LED电光转换效率打破22.7%,达业界抢先(图1)。因为此完成白光的技巧道路对各色芯片的要求较高、初期老本较贵,且思考到多色芯片长期热态应用可能呈现的光色差别招致色温没有稳固性成绩,使用畛域虽后劲微小但今朝仍遭到肯定限度。

  

  第二种办法是单色LED芯片激起多种荧光资料完成延续白光光谱。因为芯片资料及构造繁多、简略、封装及管制老本较低,是以后完成全光谱白光的次要计划。经过正在蓝光或其余单色LED芯片上涂敷荧光资料转化成白光,因而荧光资料是决议白光品质以及色调复原成果的要害要素。过来市场惯例的蓝光芯片+黄色或绿色/白色荧光粉组合模式,会孕育发生白光LED蓝光多余、短波青光(~490nm)缺失、长波红光有余成绩。
新型全光谱LED正在芯片以及荧光粉抉择及配比上进行了较年夜改善以及优化,从而达到近似于天然光的高质量白光照明体验。

  高质量白光LED照明表现正在温馨性、实在性、平安性、衰弱性四个方面。其具有优良的视觉温馨性(适当的亮度以及亮度平均性,无闪动以及眩光),高显色性,用眼平安以及投合日夜节律调理等特性,餍足生产者心思以及生理衰弱。从LED封装的角度来讲,高质量红色LED光源应具有较高的显色性以出现物体的本真颜色,即光源光谱更靠近于太阳光或白炽灯规范光源,延续性佳,滑润圆滑平均。其次,光源没有含紫外(UV)及红外(IR)辐射、并合乎人眼敏感曲线。同时,餍足对光品质、色饱以及度分辩率要求高的场合。例如:高保真、色饱以及度照明合乎博物馆、画廊的需要;用于贸易照明可以提供较少色差的购物环境,无利于商品的发卖;用于手术灯照明能够正确显示血液,皮肤和伤口组织的颜色;用于教育照明复原书本画面强,进步学习留意力;用于摄像拍照实况转播,精良的色调饱以及度以及高保真度使氛围复原愈加明晰实在;用于家居照明,高质量的白光令人们觉得更温馨,愈加享用生存。为更精准的权衡光源复原物体颜色的才能,业界开端采纳新的办法来评价比照没有同光源的色质量体现,比方,正在CRI测试根底上添加IES
TM-30-15评估规范对颜色保真度(RF)以及颜色色域度(RG)双参数体系进行评价,针对性地处理了CRI体系中比照色代表性有余、色空间不合错误称、参考光源没有延续等成绩。 别的正在光谱设计时,思考较低的高能蓝光占比以缩小潜正在的蓝光危害,及经过封装设计以及传感来调控LED色温及亮度随日照变动及应用场景的需要,并合乎人体生理节律。

  3蓝光危害与衰弱光源的特点

  尽管来自学术界、产业界、医学界的专家曾经告竣了根本共鸣,即正确应用及格的红色LED照明产物对人眼来讲是平安的,但人眼感到蓝光的锥状细胞的最年夜排汇波长(440-450nm)与罕用蓝光芯片的发光波长及视网膜蓝光损伤特色曲线有很年夜的重合,因而,人们会特地存眷高能蓝光对敏动人群人眼的影响。如图2所示,蓝光损伤曲线是指波段位于415-455nm(峰值:435-440nm),因为波是非,能量高,能够穿透晶状体抵达视网膜,光功率中的蓝光成份对视网膜可能造成潜正在的化学伤害,减速黄斑区细胞的氧化,惹起视觉委顿以及视网膜疾病,如老年性黄斑变性(AMD)。国际外已推出一些相干的平安规范以及参考文件作为支持。IEC/EN
62471:2006曾经建设了对于评价灯具的光生物平安性的办法。北美的 ANSI/IESNA RP-27建设了灯具以及灯具零碎的光生物平安相干规范。IEC/TR
62778规则了普通照明效劳灯具种别的成绩,并提供了对LED照明产物使用蓝光风险分类的指点。 灯具通用平安要求规范EN
60598-1:2015针对LED灯具的要求更新次要包罗:针对LED光源的蓝光损伤,添加了明白的危害等级要求(RG0/RG1/RG2/RG3);而且基于没有同的危害等级,有相应的标签、阐明书及固定灯具的装置要求。别的,思考到儿童以及白叟的眼睛构造对蓝光的透过率、敏理性与成年人相比绝对较弱,今朝已有一些针对他们对蓝光危害的接受才能的评估办法钻研,但尚未对立的规范。另外,高能蓝光危害的水平与剂量无关。蓝光的强度越年夜,危害等级也就越高。

  上面三个参数相乘,能力失去蓝光的剂量:

  一、光源光谱中自身蕴含蓝光成份的比重;二、光源自身的亮度;三、遭到蓝光照耀的工夫。

  而这三点,也是灯具设计者避免遭到蓝光危害而常采纳的三个标的目的:

  一、抉择色温低的光源;二、升高光源的亮度,办法如添加分散板,防止光源直射眼睛;三、没有要正在很激烈的光环境中工作工夫过久。除了此以外,咱们能够思考从光源设计最年夜限制升高高能蓝光占比。

  

  但是,蓝光又是白光的根本组成局部。光谱中的蓝光波长范畴400-500nm的视觉进程包罗颜色感知的首要波长。而且有钻研标明,465-495nm蓝光正在日夜节律中起着至关首要的作用(图2)。因为这局部的光能够克制褪黑素的孕育发生,正在白昼光谱中添加此局部能够保障功课效率,令人放弃苏醒、警惕的状态,促成工作踊跃性、专一性。而正在夜晚,经过升高蓝光或色温以达到促成就寝、调整时差等性能。因而,依据一天中的没有同工夫与生存需要,综合视觉温馨度、眼睛平安、日夜节律需要,经过光源的设计,色温延续可调的
COB封装,与传感器以及管制器连系,可完成色平和亮度的延续可调性,以餍足各类场景及与日照工夫相婚配的高功能照明要求(图3)。经过对LED光谱的无效调理以及管制,LED正在光质量以及艺术成果上也逐步超过了传统照明。乃至正在被以为传统照明保有绝对劣势的旅店以及批发贸易照明畛域,LED光源也能提供愈加丰满的色调复原成果。

  

  

  4相干企业与代表性产物

  美国SORRA公司率先推出全光谱光源产物,采纳GaN衬底成长制造紫光LED芯片,激起红绿蓝三种荧光粉将紫光转换为白光,蕴含了400-700nm的可见光谱,CRI95以及R9年夜于90,
对含400-480nm激起的光洁剂物体有亮白成果。近期,日本丰田分解及首尔半导体公司也经过相似的紫光或低波长蓝光激起荧光粉转换形式,相应推出全光谱白光系列光源,比方,正在200mA驱动下,5000K色温LED光效达110lm/W,完成了与天然光较靠近的光谱
( 图4),精确地出现物体正在天然光中的颜色以及构造,这类全光谱白光完成形式近期惹起了贸易照明的存眷。

  

  别的,市场上完成高质量白光的另外一条技巧道路是正在模仿太阳光的延续光谱的同时,只管即便升高对人眼无害的UV以及高能量蓝光光谱,正在完成高显色指数的同时,没有显著就义流明效率;正在保障应用新型荧光资料的信任性的同时,没有添加资料及制作老本。比方易美芯光2017年广州光亚展推出的采纳蓝光激起多种荧光粉完成类太阳光的全光谱系列产物。此类全光谱LED光源恰是基于以上几点思考,统筹光效、光质量、老本及衰弱照明应运而生的产物。
采纳特定波长蓝光LED芯片激起红、绿、青色等多种荧光粉,完成光谱可调的白光光源。经过优化芯片波长以及功率,及与荧光资料排汇及开释波谱的配方,年夜幅进步照明LED光源的光谱延续性、色饱以及度、显色指数,同时经过青色荧光粉对蓝光的排汇,乃至完成二次转光,无效升高蓝光占比。许多LED封装公司也正在放慢开发蓝光激起的全光谱照明LED光源,近期朗明纳斯、宇极芯光、瑞丰、聚飞等也接踵推出相应产物。

  依靠一直研发新型荧光资料与LED芯片的正当配比,优化光源光谱,同时引入智能管制零碎,以完成真正意思上的衰弱绿色生态照明。因为照明细分使用的没有同需要,光源提供商可依据光效、色调要求、显指参数、衰弱目标、及老本等进行衡量以及优化。比方,企业针对没有同的使用畛域开收回了通用全光谱顺眼、护眼台灯全光谱
LED( 图5)、影视灯全光谱LED等没有同系列产物。

  

  5结语

  本世纪以来,短短的的二十年工夫,中国LED工业的获得了惹人注目的胜利,从一个无技巧、无规模的工业,倒退到明天工业链完全、技巧进步前辈、领有寰球最年夜制作规模的工业。上、中、下油各环节的企业从珠三角拓展到长三角以及天下各地,规模一直壮年夜,国内竞争力一直失去晋升。跟着工业链竞争力加强,LED器件封装格式也正在扭转,最近几年来国际制作商的朝上进步肉体施展到极致,无论是芯片仍是封装工业,都正在鼎力大举扩产,产线以数十数百的单元扩张,而国内厂商正在过来几年根本上不扩产。

  正在消费技巧以及设施方面,LED封装制作产线也曾经鸟枪换炮了,今朝的LED封装制作产线,年夜局部工艺都完成了主动化,其实不断向着智能化互联自控技巧倒退。正在封装构造上,从开端的引线框架势封装到多芯片阵列组装,再到现在的DSP,倒装技巧和蒸蒸日上的Mini
LED,封装技巧仍正在市场需要的推进下高速地向前倒退。正在器件的品质环节,跟着LED光效贸易化地攀过了180lm/w的顶峰,人们逐渐将存眷重点从器件的光效转到更高要求的光色要求,正在存眷节能的同时更心愿餍足衰弱以及情调照明的要求。

  本白皮书试着从几个正面来分析这波涛壮阔的LED光源工业全貌,挂一漏万也好,井蛙之见也罢,只望能给企业的决议计划者、产物的开发者一个无益的参考,以便看清LED光源器件的倒退标的目的,分明今朝各环节一外洋最高技巧的差距,明确人们对照明产物的深条理需要,促成我国的LED守业倒退。

  顺眼系列:具备复原物体颜色实在生动的特点,综合思考了高显色性/低高能蓝光/高光效/低老本的各项目标,为通用型98显指LED,适宜使用于商照/教育/医疗/艺术展厅/家居等。

  全光谱护眼台灯系列:着重思考到生长发育的孩子眼睛构造及对光的透过率、敏理性以及成人的没有同,接受蓝光的才能绝对较弱,关于应用工夫较长、应用间隔近及具备的照度需要的台灯,需求存眷高能蓝光成份对视网膜可能酿成的伤害。如图5所示,经过LED光源的共同设计,正在高显指顺眼系列根底上,进一步升高短波高能蓝光占比,同时保证高波段蓝光的比分以促成工作踊跃性及专一性,进步学习及工作效率。

  全光谱影视灯系列:
除了具备较高的显色性外,餍足R1-R15全副年夜于90的应战,具备极佳的保真及色饱以及度;较高的电视照明分歧性指数(TICL=99)使患上电视摄像、开麦拉输入端画面的色调实在明晰生动。

  全光谱技巧没有限于某种特定的封装方式,可依据没有同的使用需要封装成SMD、COB、Flash、DOB等模组产物,为高质量照明生存提供多样灵敏的LED灯珠与处理计划。