LED照亮一切：使每個封裝實現(xiàn)1萬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，藍色LED芯片發(fā)光部的溫度（接合溫度）約為25℃。不過，實際用于產(chǎn)品中時，接合溫度會上升至85～100℃。在普通白色LED中，溫度上升后的發(fā)光效率與25℃時相比會降低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，其發(fā)光效率只比25℃時降低3％左右。為提高散熱性，將LED芯片在陶瓷基板上進行倒裝芯片封裝，另外，為減輕溫度對內(nèi)部量子效率的影響，還采用了量子阱構(gòu)造等。

　　夏普2011年3月開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，其發(fā)光效率和光通量與25℃時相比只下降了5～6個百分點。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。通過采用性能隨溫度變化較小的熒光材料等，實現(xiàn)了較高的溫度穩(wěn)定性。

圖1：減弱熒光材料性能的溫度依賴性

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

顯色指數(shù)通過改進熒光材料來提高。不過，提高顯色指數(shù)也會出現(xiàn)發(fā)光效率降低的問題。例如，假設(shè)Ra為70的普通白色LED的發(fā)光效率為100％，則Ra80時會降低10％，Ra90時會降低20％?！耙郧霸赗a為90以上時，發(fā)光效率會降低30％”（日亞化學(xué)工業(yè)）。因此與以前相比，現(xiàn)在已經(jīng)改善了很多，不過今后還有很大的改進余地。

　　改進的重點是，“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(shù)（R9）會添加紅色熒光材料，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，在700nm以上的長波長側(cè)也能觀測到發(fā)光。這種在可視范圍以外的光肉眼并看不到，因此會造成能源效率的浪費。所以，通過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(shù)和發(fā)光效率，還有廠商考慮使用非極性GaN基板。三菱化學(xué)為提高Ra和特殊顯色指數(shù)，沒有使用藍色LED芯片，而是采用紫色LED芯片來開發(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：實現(xiàn)高顯色指數(shù)特性

　　三菱化學(xué)開發(fā)的組合使用紫色LED（發(fā)光波長為405nm）和藍色、綠色及紅色熒光材料的白色LED，可大幅提高各個顏色的顯色指數(shù)。（圖由本站根據(jù)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級以內(nèi)

　　認為“均勻性”現(xiàn)在也是白色LED課題的照明器具廠商絕不在少數(shù)。組合使用多個白色LED時，如果白色LED之間的白色光色度不同，就無法獲得均勻的光。白色LED的均勻性采用名為“麥克亞當橢圓（MacAdam ELlipse）”的色度差評價法。各廠商一般在該評價的6級以內(nèi)開發(fā)白色LED，不過也有在4級以內(nèi)和2級以內(nèi)開發(fā)產(chǎn)品的LED廠商。例如，美國科銳就開發(fā)出了號稱在2級以內(nèi)的產(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(shè)熒光材料層使之成為白色LED芯片后，將多個白色LED芯片收納在封裝內(nèi)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(nèi)的LED芯片?？其J利用該方法，實現(xiàn)了2級以內(nèi)的產(chǎn)品供貨。

圖4：可降低色調(diào)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，安裝多個藍色LED芯片，將其封裝在采用熒光材料的樹脂封裝中（a）。此外還具有組合使用多個白色LED芯片的方法（b）、在每個藍色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)安裝多個藍色LED，然后組合使用熒光板的“remote phosphor”（d）方法等。

　　光通量超過1000lm的白色LED已經(jīng)有幾款產(chǎn)品面世（圖5）。例如，西鐵城電子將銷售能夠輸入41.9W的大電力、光通量達到4390lm的產(chǎn)品。通過配備200個藍色LED芯片，獲得了高光通量。藍色LED芯片采用小型品，通過將芯片側(cè)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個芯片的設(shè)計，以使一個封裝獲得1萬lm的光通量。

圖5：迎來了一個封裝的光通量超過1000lm的時代

　　西鐵城電子開發(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電力時的光通量為2370lm（b）。

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