高演色LED照明技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)二

二、LED白光與演色性

由于LED晶粒磊晶技術(shù)尚無法達(dá)到在單一顆晶粒中發(fā)出可見光全波段(380～780nm)波長(zhǎng)，無論是二元機(jī)臺(tái)、四元機(jī)臺(tái)，皆僅能形成全波段波長(zhǎng)中單一波段、單一色彩光源，因此目前LED晶粒材料為達(dá)到全波段、高演色性及白光合成目標(biāo)，皆需仰賴不同色彩LED晶粒同時(shí)使用，或者使用發(fā)光體激發(fā)熒光粉造成波長(zhǎng)轉(zhuǎn)化方式合成LED白光。

(一) LED白光混合方式

LED組成白光方式，總論來說可分為二波長(zhǎng)型與三波長(zhǎng)型2種，而無論是二波長(zhǎng)或三波長(zhǎng)型白光混合方式，皆又以單晶?；旌蠠晒夥鄯绞浇M成及多晶粒型方式組成。無論那種合成方式，LED白光組成方式皆是以紅+綠+藍(lán)為基礎(chǔ)，變化衍生出白光合成技術(shù)。

圖三整理4種目前常見的LED混合白光方式，其中類型一為最典型白光合成方式，由紅色、綠色及藍(lán)色LED組合成的封裝芯片，因受限于不同波長(zhǎng)光源需驅(qū)動(dòng)電壓之差異造成的技術(shù)性成本限制，雖然直接由RGB 3色LED所組成之LED白光質(zhì)量佳，但因成本高、技術(shù)困難導(dǎo)致良率低、固障率高、易在冷熱流明環(huán)境下產(chǎn)生色坐標(biāo)偏移問題，因此雖然類型一的白光混合方式產(chǎn)生的波長(zhǎng)演色性高，但實(shí)際使用率卻極少。

圖5、常見LED混合白光方式，Source：拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

類型二使用藍(lán)色LED加上黃色熒光粉的白光混合方式，為最常使用之白光合成方式。其使用熒光粉釔鋁石榴石(YAG)為Nichia專利，另外還有Osram專利的硅酸鹽熒光粉(TAG)配方，但目前仍以黃色熒光粉加上藍(lán)色LED合成白光LED為最普遍使用方式，其具成本低、單一使用藍(lán)光晶粒無驅(qū)動(dòng)電壓?jiǎn)栴}、無冷熱流明色偏移特性。缺點(diǎn)則在于演色性較低，通常CRI約70且R9=0，因此僅適用于LED高色溫照明產(chǎn)品(大于5000～6500K)應(yīng)用。

類型三為臺(tái)廠晶電所推廣之白光LED合成方式，主打色溫2700K市場(chǎng)，采用紅色LED加藍(lán)色LED混合綠色熒光粉方式，合成低色溫LED白光技術(shù)，因少了綠色LED，相較于RGB LED晶粒封裝的電源驅(qū)動(dòng)問題容易許多，且紅光LED直接補(bǔ)足藍(lán)光LED加黃色熒光粉紅色波長(zhǎng)缺段的缺點(diǎn)，因此平衡類型一及類型二的技術(shù)及演色性問題。

但由于綠色熒光粉本身無法被紅光波段所激發(fā)，因此若采用此配方合成出之低色溫白光，恐怕會(huì)衍生另一層面光效亮度減損問題，紅光受到綠色熒光粉覆蓋所衍生光效減損率約70%左右，但此問題有望隨著LED晶粒亮度提高減緩。類型三為類型二及類型一的折衷選擇方案，在發(fā)光演色性方面，類型三因直接使用紅光LED提高紅色波長(zhǎng)演色性，加上藍(lán)色LED既有的發(fā)光波段，因此封裝理想CRI值最高可達(dá)到90以上，但實(shí)際上仍存有技術(shù)性問題。

而類型四為使用UV LED加上RGB熒光粉所合成之白光技術(shù)，相較于類型二僅能做出理想的高色溫白光及類型三的低色溫白光，類型四的白光技術(shù)可由調(diào)整RGB熒光粉比例來調(diào)整白光色溫，且使用波長(zhǎng)單一晶粒不受驅(qū)動(dòng)電壓不同影響，具備色度穩(wěn)定、發(fā)光波長(zhǎng)廣等優(yōu)點(diǎn)特性，為4種類型中演色性最理想，且色彩表現(xiàn)最接近太陽自然光之白光技術(shù)。然UV LED因波長(zhǎng)短、能量高而衍生能量難以控制的問題，傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂封裝的壽命較短，長(zhǎng)期使用封裝體易出現(xiàn)脆化、UV能量外泄等可靠度問題，一般來說UV LED普遍采用玻璃封裝，直接限制封裝可容規(guī)格及材料選擇。材料限制與能量難以控制，導(dǎo)致UV LED雖然合成白光質(zhì)量佳，卻難以普遍應(yīng)用于要求低危險(xiǎn)、可靠度佳的一般照明市場(chǎng)。

(二) 過去LED白光應(yīng)用為何不受限于演色性問題影響

LED具有亮度足夠、壽命長(zhǎng)、體積小、耐震度高、節(jié)電、單一波長(zhǎng)及色彩等特性，過去LED滿足各類型光源應(yīng)用市場(chǎng)，如紅綠燈、交通號(hào)志、顯示廣告牌、戶外顯示屏幕、手機(jī)背光、TV背光等。然而，從這些應(yīng)用類型中可發(fā)現(xiàn)，這些LED傳統(tǒng)應(yīng)用類型皆使用LED做為主動(dòng)發(fā)光體，而非光源與照物關(guān)系。因此過去LED主流的應(yīng)用市場(chǎng)，對(duì)LED光源帶來被照物的色彩飽和及還原演色性，都無任何要求。

圖6、LED波長(zhǎng)與適用產(chǎn)品說明

應(yīng)用市場(chǎng)差異與照明應(yīng)用對(duì)光質(zhì)量的期待，為影響LED開始注重演色性、全波長(zhǎng)等因素的主因。過去的各項(xiàng)應(yīng)用如TV與彩色面板手機(jī)，在色彩變化上，使用彩色濾光片進(jìn)行紅綠藍(lán)色彩處理，做為背光源的LED僅需提供高度足夠的白光即可，不涉及LED本身演色性問題。而交通號(hào)志燈、指示燈、特殊波長(zhǎng)醫(yī)療應(yīng)用等，也因LED本身特性可提供單一色彩波長(zhǎng)且亮度足夠，而被廣大使用。

至于車用照明，因道路需求無涉及演色性問題，車用照明僅對(duì)照明光源有安全性、高亮度、可靠度及耐受度需求，對(duì)色彩還原程度并無要求;常被應(yīng)用于道路使用的水銀燈、高壓鈉燈，也不應(yīng)其低演色性影響應(yīng)用市場(chǎng)范圍。最后，LED在戶外大型顯示屏幕應(yīng)用，雖然也以紅綠藍(lán)3種LED芯片做為顏色調(diào)整方式，但因戶外大型顯示屏幕的體積面積大，色域廣度問題可不受限于窄小空間，更可鏈接驅(qū)動(dòng)IC進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此不受演色性問題所影響。

三、色坐標(biāo)偏移為L(zhǎng)ED白光在照明應(yīng)用中難以解決的問題

前段討論了白光與色溫合成的比重方式，但無論何種白光合成，或者是色溫合成方式，在LED照明應(yīng)用方面，色坐標(biāo)偏移一直是各家廠商在技術(shù)研發(fā)上積極尋求突破的重要目標(biāo)。

圖7、色坐標(biāo)偏移分析說明，Source：CIE;拓產(chǎn)業(yè)研究所整理，2012/08

根據(jù)Energy Star及CIE對(duì)于色坐標(biāo)偏移的容忍值以同一色溫中，色溫中心點(diǎn)為基礎(chǔ)的上下左右4個(gè)象限為范圍，圖六及圖二2張圖片皆來自于CIE，其色坐標(biāo)軸上的X與Y軸可相互對(duì)應(yīng)。無論是圖六或圖二，色坐標(biāo)軸的意義皆說明紅綠藍(lán)3種顏色的混合關(guān)系，以及不同色溫環(huán)境下紅藍(lán)綠所占比例。

由于不同顏色的LED在冷熱環(huán)境中所散發(fā)的能量波長(zhǎng)不同，為達(dá)高演色性又必須混合紅、綠、藍(lán)3種顏色，紅光、綠光與藍(lán)光在不同溫度下所散發(fā)出的波長(zhǎng)不同，加上不同顏色芯片可承受環(huán)境溫度不同，從冷流明到熱流明穩(wěn)定的時(shí)間也不同，因此冷熱流明的色坐標(biāo)偏移成為難解問題。

紅光通常較藍(lán)光在冷熱環(huán)境下早達(dá)到色飽和穩(wěn)定情形，若以一般燈具設(shè)計(jì)為例，從點(diǎn)燈開始為冷流明至光源的散熱模塊達(dá)到熱傳導(dǎo)平衡為熱流明值，因紅光的耐熱極限點(diǎn)較藍(lán)光早達(dá)到，因此紅光達(dá)到熱流明的波長(zhǎng)能量散發(fā)也較藍(lán)光提早。而在計(jì)算LED紅綠藍(lán)3色的演色、光譜及流明變化，是以三者在相同環(huán)境下的變異情況為考慮，因此紅綠藍(lán)受溫度影響的變化不同，色彩光譜變化也無法呈現(xiàn)一致性共變情形，而導(dǎo)致色坐標(biāo)偏移情形發(fā)生。

這種冷熱流明變化的情形，經(jīng)常在使用多晶LED混合白光類型中發(fā)生，并且紅光導(dǎo)致色坐標(biāo)偏移情形尤為嚴(yán)重，因此衍生直接使用紅光LED提高CRI指數(shù)方式雖直接又便宜，但技術(shù)上面對(duì)Energy Star或各區(qū)域照明標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)時(shí)，又難以控制及通過。廠商為演色性提高問題，經(jīng)常必須面臨藍(lán)色加紅色熒光粉降低流明/瓦及色偏移嚴(yán)重兩難。

四、TRI觀點(diǎn)

演色性直接影響照物在燈光下原始顏色的還原能力，因此演色性決定光源的適用場(chǎng)所，尤其是在博物館、表演廳、百貨公司、藝?yán)鹊葘?duì)色彩要求較高的場(chǎng)所，演色性成為光源要求的重要項(xiàng)目。因此LED為了成為全面性取代各類型光源及白熾燈、高耗能光源(如鹵素?zé)?的取代品，在光源特性上除了須滿足熒光燈管特性外，還須以符合白熾燈光源特性。

而LED在演色表現(xiàn)上較白熾燈差的主因在于，以藍(lán)色LED為基礎(chǔ)加上黃色熒光粉的白光合成方式，因在色彩表現(xiàn)上欠缺紅色及綠色，以致于顏色偏冷，對(duì)照物的紅色及綠色的色彩還原逼真度差。

LED組成白光方式分為二波長(zhǎng)型與三波長(zhǎng)型2種，無論是二波長(zhǎng)或三波長(zhǎng)型白光混合方式，皆又以單晶?；旌蠠晒夥鄯绞浇M成及多晶粒型方式組成，其基礎(chǔ)皆是以紅+綠+藍(lán)為基礎(chǔ)，變化衍生出白光合成技術(shù)。

根據(jù)Energy Star及CIE對(duì)于色坐標(biāo)偏移的容忍值以同一色溫中，色溫中心點(diǎn)為基礎(chǔ)的上下左右4個(gè)象限為范圍。由于不同顏色的LED在冷熱環(huán)境中所散發(fā)的能量波長(zhǎng)不同，為達(dá)高演色性又必須混合紅、綠、藍(lán)3種顏色，不同顏色芯片可承受環(huán)境溫度不同，從冷流明到熱流明穩(wěn)定的時(shí)間也不同，因此冷熱流明的色坐標(biāo)偏移成為難解問題。