LED照亮一切：使每個(gè)封裝實(shí)現1萬(wàn)lm的光通量

　　白色LED目錄值的發(fā)光效率大多是在25℃的環(huán)境溫度下，施加脈沖狀電流測量所得。此時(shí)，藍色LED芯片發(fā)光部的溫度（接合溫度）約為25℃。不過(guò)，實(shí)際用于產(chǎn)品中時(shí)，接合溫度會(huì )上升至85～100℃。在普通白色LED中，溫度上升后的發(fā)光效率與25℃時(shí)相比會(huì )降低10～15％。

　　在部分最新產(chǎn)品中，已經(jīng)有抑制了發(fā)光效率變化的品種。例如，飛利浦流明的照明用途白色LED在接合溫度為100℃時(shí)，其發(fā)光效率只比25℃時(shí)降低3％左右。為提高散熱性，將LED芯片在陶瓷基板上進(jìn)行倒裝芯片封裝，另外，為減輕溫度對內部量子效率的影響，還采用了量子阱構造等。

　　夏普2011年3月開(kāi)始供貨的照明用白色LED，其發(fā)光效率隨溫度發(fā)生的變化也比較?。▓D1）。盡管輸入功率高達25W，降低接合溫度比較困難，但在白色LED表面溫度（外殼溫度）為70℃時(shí)，其發(fā)光效率和光通量與25℃時(shí)相比只下降了5～6個(gè)百分點(diǎn)。該公司表示，與其他公司的同等產(chǎn)品相比，將降幅控制在約一半。通過(guò)采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等，實(shí)現了較高的溫度穩定性。

圖1：減弱熒光材料性能的溫度依賴(lài)性

　　“顯色指數”是將白色LED作為普通照明器具光源廣泛應用基礎之上的重要指標。目的是為了與原光源不產(chǎn)生不協(xié)調感。此前，白色LED的顯色指數大多以平均顯色指數（Ra）為基準。不過(guò)，隨著(zhù)用于照明用途的情況增加，僅Ra已經(jīng)不能滿(mǎn)足使用，還要求具有較高的特殊顯色指數，例如彩度較高的紅色和綠色等。

顯色指數通過(guò)改進(jìn)熒光材料來(lái)提高。不過(guò)，提高顯色指數也會(huì )出現發(fā)光效率降低的問(wèn)題。例如，假設Ra為70的普通白色LED的發(fā)光效率為100％，則Ra80時(shí)會(huì )降低10％，Ra90時(shí)會(huì )降低20％?！耙郧霸赗a為90以上時(shí)，發(fā)光效率會(huì )降低30％”（日亞化學(xué)工業(yè)）。因此與以前相比，現在已經(jīng)改善了很多，不過(guò)今后還有很大的改進(jìn)余地。

　　改進(jìn)的重點(diǎn)是，“減少可視范圍以外的發(fā)光”（飛利浦流明日本）（圖2）。一般情況下，白色LED為提高Ra和紅色顯色指數（R9）會(huì )添加紅色熒光材料，紅色熒光材料的發(fā)光光譜可到達700nm以上的近紅外領(lǐng)域。由于肉眼看不見(jiàn)可視范圍以外的光，因此這部分的能源全部浪費了。所以該公司采用了可減少這部分光的紅色熒光材料。

圖2：減少可視范圍以外的發(fā)光

　　采用紅色熒光材料的話(huà)，在700nm以上的長(cháng)波長(cháng)側也能觀(guān)測到發(fā)光。這種在可視范圍以外的光肉眼并看不到，因此會(huì )造成能源效率的浪費。所以，通過(guò)采用可抑制可視范圍以外發(fā)光的紅色熒光材料，能抑制發(fā)光效率降低。

　　為兼顧高顯色指數和發(fā)光效率，還有廠(chǎng)商考慮使用非極性GaN基板。三菱化學(xué)為提高Ra和特殊顯色指數，沒(méi)有使用藍色LED芯片，而是采用紫色LED芯片來(lái)開(kāi)發(fā)組合使用藍色、綠色和紅色熒光材料的白色LED（圖3）。該公司計劃采用非極性GaN基板大幅提高目前只有50lm/W左右的發(fā)光效率注1）。

圖3：實(shí)現高顯色指數特性

　　三菱化學(xué)開(kāi)發(fā)的組合使用紫色LED（發(fā)光波長(cháng)為405nm）和藍色、綠色及紅色熒光材料的白色LED，可大幅提高各個(gè)顏色的顯色指數。（圖由本站根據三菱化學(xué)在“Green Device論壇2010”上的演講資料制作）

麥克亞當橢圓在2級以?xún)?

　　認為“均勻性”現在也是白色LED課題的照明器具廠(chǎng)商絕不在少數。組合使用多個(gè)白色LED時(shí)，如果白色LED之間的白色光色度不同，就無(wú)法獲得均勻的光。白色LED的均勻性采用名為“麥克亞當橢圓（MacAdam ELlipse）”的色度差評價(jià)法。各廠(chǎng)商一般在該評價(jià)的6級以?xún)乳_(kāi)發(fā)白色LED，不過(guò)也有在4級以?xún)群?級以?xún)乳_(kāi)發(fā)產(chǎn)品的LED廠(chǎng)商。例如，美國科銳就開(kāi)發(fā)出了號稱(chēng)在2級以?xún)鹊漠a(chǎn)品。

　　降低白色LED產(chǎn)品間色度不均的方法有很多種（圖4）。其中，科銳選擇的是在藍色LED芯片上鋪設熒光材料層使之成為白色LED芯片后，將多個(gè)白色LED芯片收納在封裝內的方法（圖4（b））。封裝整體的發(fā)光光譜與全白色LED芯片的發(fā)光光譜重合。為了使白色LED芯片發(fā)光光譜的平均值接近，組合使用了封裝內的LED芯片?？其J利用該方法，實(shí)現了2級以?xún)鹊漠a(chǎn)品供貨。

圖4：可降低色調不均的各種方法

　　最經(jīng)常采用的是，為使發(fā)光光譜的平均值相同，安裝多個(gè)藍色LED芯片，將其封裝在采用熒光材料的樹(shù)脂封裝中（a）。此外還具有組合使用多個(gè)白色LED芯片的方法（b）、在每個(gè)藍色LED芯片上組合使用與發(fā)光光譜重合的熒光材料的方法（c）、以封裝的狀態(tài)安裝多個(gè)藍色LED，然后組合使用熒光板的“remote phosphor”（d）方法等。

　　光通量超過(guò)1000lm的白色LED已經(jīng)有幾款產(chǎn)品面世（圖5）。例如，西鐵城電子將銷(xiāo)售能夠輸入41.9W的大電力、光通量達到4390lm的產(chǎn)品。通過(guò)配備200個(gè)藍色LED芯片，獲得了高光通量。藍色LED芯片采用小型品，通過(guò)將芯片側面發(fā)出的光有效輸出到封裝外，提高了發(fā)光效率。該公司還計劃采用最多可配備400個(gè)芯片的設計，以使一個(gè)封裝獲得1萬(wàn)lm的光通量。

圖5：迎來(lái)了一個(gè)封裝的光通量超過(guò)1000lm的時(shí)代

　　西鐵城電子開(kāi)發(fā)的高輸出白色LED“CL-L340系列”中有最大光通量為4390lm的品種（輸入功率為41.9W，Ra為67，色溫為5000K）（a）。夏普2011年3月上市的高輸出白色LED“照明用LED元件”中，色溫為3000K的產(chǎn)品在輸入25.9W電力時(shí)的光通量為2370lm（b）。

　　夏普開(kāi)發(fā)出了輸入25.9W電力時(shí)可獲得2370lm光通量的產(chǎn)品。在室內照明一般要求的色溫為3000K、Ra為83的條件下，實(shí)現了91.5lm/W發(fā)光效率。該產(chǎn)品大量使用了內部量子效率得到提到的自主開(kāi)發(fā)藍色LED芯片。