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深圳市LED產業聯合會??
SHENZHEN LED INDUSTRY FEDERATION?
室內健康照明之LED全光譜技術及標準化研究
來源: | 作者:id201708180013 | 發布時間: 2019-02-22 | 6407 次瀏覽 | 分享到:

深圳市LED產業標準聯盟  曹小兵      林桂

技術背景

國內外科研機構正在研究光照對人類健康的影響及構建健康照明趨勢,國際標準CIE 218:2016《室內健康照明路線圖》明確健康照明推薦的元素,國內研究機構也針對健康照明提出視覺健康舒適度指標要求,基于眼光學和觀認知所形成的評價照明產品對于視覺生理功能變化視覺疲勞影響的指標VICO指數Visual Comfortable,獨立于照明產品物理指標(相關色溫、顯色指數、照度、亮度、閃爍),評價照明產品對于視覺生理功能影響的指標。

受到半導體封裝企業聚焦與發的全光譜,采用芯片+熒光粉配合方案D40D40也稱為典型日光或重組日光)為評價基準,研究LED實現類日光全光譜在可見光波段的連續性,在典型照明工程中得到大量推廣應用,體現了健康與綠色的LED照明理念。研究發現,光對于人體視覺、情感和生理等方面會產生明顯的影響,理清了以人為本的照明用光理念,預計全光譜LED將會在健康照明應用中占據重要的地位。照明是光照射場景、物體環境使其可以看見的過程。全光譜LED結合智能控制技術可以實現需調整滿足特定環境下的照明需求,考慮到光照對人體生理節律方面的影響,模擬一年四季不同時間段光色變化的全光譜,可以在實際場景如學校、家居、辦公及種植大棚等長時間照明場合應用全光譜LED。

健康照明用全光譜LED

健康照明就是利用符合光生物安全要求的人工光源營造滿足照明品質及非視覺效應要求,并實現良好可見度和舒適愉快環境的照明應用。當物品的反射光譜不一樣時,紅色的蘋果反射紅色光譜的能力更強,黃色檸檬反射黃色光譜的能力更強,在室內的人工光照下,色溫與顯色性決定光色還原性,同一種物品在不同色溫及顯色指數的光照下所展示出來的光色不一樣,如果把照明LED的顯色指數、色飽和度和色彩逼真度盡量調配到接近100,其光色就越接近太陽光,人眼的觀感就越舒服,對物品所展示的顏色也就越真實。目前行業實現全光譜照明的主要技術應用大致分為3種,半導體封裝企業典型方案旭宇光電、易美、鴻利光電、朗明納斯和國星光電等采用一藍光芯片結合熒光粉來實現全光譜,也有采用藍光芯片結合熒光粉來實現全光譜的方案,另外日亞、首爾、旭宇光電、光擎、瑞豐光電等企業采用芯片結合熒光粉來實現全光譜。

采用藍光芯片結合熒光粉方案生產色溫的全光譜產品時,單藍光芯片激發藍綠粉、綠粉、黃和紅粉能夠得到光譜連續性、顯色性高的全光譜照明光源方案,具有穩定性好、藍光占比小和批量良率高等優勢,適合應用于室內中小功率和大功率全光譜LED照明產品。高色溫的全光譜LED產品一般采用藍光芯片+青粉+綠粉+紅粉的技術方案,典型方案的光譜圖如圖1,由于高色溫藍光輻射功率大、青粉外量子效率相對較低和芯片波段要求很高,以及青光部分相對輻射功率很難提升的因素,導致R12大于90的全光譜LED產品良率偏低,再加上氮氧化物青粉的穩定性相對較差,以及藍綠光區域存在較大的鴻溝,另外一點主要問題其轉換效率低,特別是熒光粉的轉換效率提高。

 

 

1  單藍光芯片的光譜圖

藍光芯片激發熒光粉的全光譜LED的技術方案能夠實現顯色指數Ra達到98-99,以及CRI能實現大于95,但存批量生產的產出良率不高、技術控制難點較大和成本相對較高等問題點,需相關技術人員在技術上突破來滿足大批量生產。





2  雙藍光芯片的光譜圖

采用385-390nm短波段的芯片結合熒光粉來實現全光譜,方案采用發射峰值為445-450nm藍色熒光粉,發射峰值為495-500nm熒光粉,發射峰值為540-545nm的黃綠熒光粉,發射峰值為600-605nm的橙熒光粉,以及發射峰值為640-645nm的深紅熒光粉。開發適合于紫光激發熒光粉實現高光效和高穩定性的熒光粉至關重要,現有藍粉技術在穩定性和外量子效率方面有較大提升空間,目前國外技術相對領先,仍然需要我國相關技術人員的研發攻關來實現,現有紅粉會對藍粉、綠粉和黃粉存在吸收問題,開發只吸收或較大吸收紫光的新型紅粉是短波紫外全光譜技術提升的關鍵。所用熒光粉顯色性屬于硫化物,存穩定性差和光衰大的問題。


 


 

 3  紫光芯片的光譜圖

光源物體的顏色與參照光源下物體的顏色相符程度的度量顯色指數color-rendering index),通常與自然光譜越接近、光譜連續性好及顯色指數高,則對物體的色彩還原能力更強。光的顯色性color-rendering properties特征是參照標準色卡相比較,LED光源對所規定的色片顏色所產生的效果來判定光顯色性的優劣。旭宇光電研發團隊聯合深圳清華大學研究生院建立企業博士后創新基地通過技術創新及全光譜低藍光的光譜特性研究,重點在全光譜的關鍵指標顯色指數中的R12飽和藍相對光譜功率部分進行增補,研發出顯色指數RaR9~R15顯色性滿足應用需求的全光譜系列產品,并在家客戶的項目中得到推廣應用。                        

健康照明設計規范

深圳市LED產業標準聯盟(LED Standards Alliance of Shenzhen, LSA)成立于2009年,成立大會上原深圳市副市長卓卿銳、現任深圳市市場和質量監督管理委員會鄺兵主任等領導為聯盟揭牌,LSA42家擁有較強研發實力的企業及科研單位聯合組建,現有會員單位115家。秘書處落戶于深圳市計量質量檢測研究院(SMQ),該院建有專業的LED產品安全、電磁兼容(EMC)、可靠性及光學檢測等系統實驗平臺,擁有專業的技術團隊及專家工作組來支撐聯盟相應工作。LSA已發布背光組件、控制裝置、智能技術、燈及燈具、裝飾照明、燈具能效、離網光伏照明和測試方法等方面的團體標準。截止201812月,深圳市LED產業標準聯盟共組織制定并發布了43項深圳團體標準,聯盟成立9年來,發布的團體標準得到了項目方、產品制造商及項目驗收方的引用。多項標準在照明行業屬首次發布,其中由旭宇光電(深圳股份有限公司牽頭起草SZTT/LSA 019-2018普通照明用貼片式LED技術規范已立項國家標準。

20136月我國作為ISO首次開展“標準的非經濟效益評估研究” 的入選國,LSA作為優秀案例成功入選,并在ISO官方網站正式發布,國家標準化管理委員會國際合作部及ISO專門發來賀信認可肯定LSA標準化研究成果。同時也得到政府的大力支持和幫助,標準聯盟的工作自2012年起,連續三次(2015年、2018年)被廣東省質量技術監督局編撰的《實施技術標準戰略十春秋-來自廣東省的報告》作為深圳市唯一入選的優秀案例團體組織。

團體標準既是聯盟成員單位協商一致而制定統一技術指標要求的聯盟標準,又是聯盟成員間共同且重復使用的規范性文件。LSA201610成立全光譜標準工作組,標準起草工作由旭宇光電(深圳)股份有限公司、深圳市計量質量檢測研究院、深圳市耀銘豪智能科技有限公司深圳市聚飛光電股份有限公司等單位牽頭,并聯合深圳市清華大學研究院及封裝行業知名企業共同起草該標準,通過2年時間對企業的調研、研究及討論,針對自然光LED深入研究,總結譜的優勢及特點,根據照明需求將自然光的優點最大化及人工光源的缺點最小化,并通過典型應用案例的監測、評定和綜合評估,針對全光譜概念、光品質要求及測量方法進行了規定,最終形成團體標準文本。同時針對全光譜LED家居、辦公、醫院、教室、酒店和農業照明等方面應用進行了系列標準的策劃,并計劃逐步完成該系列標準的制訂。201915在廣東省企業創新發展協會深圳分會年會上,協會領導、嘉賓及與會代表的見證下,發布SZTT/LSA 024.1-2019《室內健康照明設計規范  1部分:全光譜技術要求》和SZTT/LSA 024.2-2019《室內健康照明設計規范  第2部分:家居照明》等LSA團體標準,該標準的發布室內健康照明設計提供了重要依據,標志著深圳LED健康照明及全光譜等技術前沿走在半導體行業的前列。

 

 

 

圖4  LSA團體標準發布授牌合影

結語

撰寫本文旨在拋磚引玉,明辨有關概念,以期向人們傳遞對全光的正確認識,并推廣全光譜LED家居、辦公、醫院、教室、酒店照明和農業照等方面的推廣應用,以及標準化的完善與先行。全光譜LED健康照明設計不僅在照度、亮度和色度性能等方面進行控制,而且結合場景、光照需求、生理和心理特征等信息營造健康和舒適的照明質量,提供有益于身心健康的照明光環境。LSA團體標準在提案、制定、發布與推廣方面走在照明行業的前列,深圳LED產業集聚和企業的重視密不可分,共同努力才能使深圳LED產業參與國際市場競爭,應對新型市場競爭戰役,在國際競爭之中立于不敗之地。并以系統思想、戰略思維和國際先進水平為準則,優化團體標準的實用性,利用深圳優良的標準化氛圍與LED產業環境,逐步成為較有影響力的標準化活動集聚地,增加深圳標準參與國際標準制訂的機會,推動深圳標準與國際接軌,提升深圳在國際標準領域的話語權。

 

作者簡介曹小兵,高級工程師,《中國照明電器》期刊編委會委員,全國標準化原理與方法標準化技術委員會標準化評價分技術委員會(SAC/TC286/SC1)委員,全國照明電器標準化技術委員會燈具分技術委員會(SAC/TC224/SC2)委員,全國城市公共設施服務標準化技術委員會(SAC/TC537)委員,廣東省質監局工程系列標準化專業高級評委員會,廣東省網絡空間安全標準化技術委員會(GD/TC124)專家委員會專家,深圳市LED產業標準聯盟專家委員會副組長,第1作者發表論文30余篇,第1發明人申請40余項國家專利,主要參與14國家標準起草30團體標準制修訂工作,主要從事智能照明技術及其標準化研究。

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