“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”解析

李為軍，施曉紅，陳超中，楊 樾

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)，上海時代之光照明電器檢測有限公司，全國照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會燈具分技術(shù)委員會，上海 201100)

?

“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”解析

李為軍，施曉紅，陳超中，楊 樾

(上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，國家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，國家電光源質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(上海)，上海時代之光照明電器檢測有限公司，全國照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會燈具分技術(shù)委員會，上海 201100)

從“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎?wù)f起，就藍(lán)光LED發(fā)光機理、目前發(fā)展的現(xiàn)狀、LED藍(lán)光危害等問題進(jìn)行探討，以幫助大家對藍(lán)光LED有更深入的認(rèn)識。

LED；藍(lán)光LED；LED藍(lán)光；藍(lán)光危害

引言

LED是一種能將電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體電子器件。盡管紅光LED和綠光LED已經(jīng)存在了很長一段時間，并被應(yīng)用于機器儀器的顯示光源，但由于藍(lán)光LED的缺失，令照明用白光LED光源始終無法創(chuàng)建。

20世紀(jì)90年代，三名日本科學(xué)家經(jīng)過不懈努力突破了藍(lán)光LED的關(guān)鍵技術(shù)，也因發(fā)明“高亮度藍(lán)色發(fā)光二極管”獲得2014年諾貝爾物理學(xué)獎。

1 高亮度藍(lán)光LED的技術(shù)突破及應(yīng)用

目前，采用GaN類半導(dǎo)體材料開發(fā)高亮度藍(lán)光LED已成為業(yè)界主流。作為能發(fā)出藍(lán)光的材料，受到研究人員關(guān)注的有碳化硅(SiC)、硒化鋅(ZnSe)和氮化鎵(GaN)等3種。其中，SiC屬于間接帶隙的半導(dǎo)體材料，ZnSe和GaN屬于直接帶隙的半導(dǎo)體材料。在相同條件下，直接帶隙半導(dǎo)體材料的發(fā)光效率要高于間接帶隙的半導(dǎo)體材料。

1.1 高亮度藍(lán)光LED

20世紀(jì)90年代，三名科學(xué)家(赤崎勇、天野浩、中村修二)經(jīng)過不懈努力和反復(fù)摸索，終于制造出藍(lán)光LED不可或缺的純凈氮化鎵結(jié)晶體、高效p層、以及能使該結(jié)晶體進(jìn)行量產(chǎn)的金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長技術(shù)，為高效白光LED照明產(chǎn)品的生產(chǎn)和商業(yè)化應(yīng)用開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

而以前曾盛行用來開發(fā)藍(lán)光LED的Ⅱ-Ⅵ族ZnSe半導(dǎo)體材料，由于生長過程中p-n結(jié)內(nèi)形成的缺陷在高閾值電流、高結(jié)溫環(huán)境下會迅速擴散，使得其壽命的進(jìn)一步提高十分困難，嚴(yán)重影響了其市場的應(yīng)用。自GaN基高亮度藍(lán)光LED被開發(fā)出來后，制造藍(lán)光LED的主流就變成了GaN基材料。近年來，基于GaN材料制造的藍(lán)光LED其性能已經(jīng)大幅提高，并獲得了廣泛應(yīng)用，其中最重要的應(yīng)用是顯示技術(shù)和白光照明。

1.2 實現(xiàn)白光LED的技術(shù)

目前，實現(xiàn)白光LED的方法主要有三種：(1)多芯片LED技術(shù)。通過紅光LED、綠光LED、藍(lán)光LED合成白光。(2)藍(lán)光LED+熒光粉技術(shù)。利用藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉(紅色熒光粉+綠色熒光粉)合成白光。(3)紫外LED+熒光粉技術(shù)。利用紫外LED芯片激發(fā)三基色熒光粉合成白光。

這三種方法合成的白光LED發(fā)出的光譜中都有藍(lán)光的成分。

2 藍(lán)光LED與LED藍(lán)光

藍(lán)光LED和LED藍(lán)光是兩個不同的概念。藍(lán)光LED是指發(fā)射單一藍(lán)光波長的LED芯片，經(jīng)過不同的合成技術(shù)能產(chǎn)生白光，并用于各類LED照明產(chǎn)品中；LED藍(lán)光是指各類LED照明產(chǎn)品的發(fā)射光譜中含有的藍(lán)光。

藍(lán)光并非LED光源所特有，我們?nèi)粘Ｋ玫墓庠蠢琨u素?zé)簟晒鉄舻人l(fā)的光譜中都有藍(lán)光的成分，太陽光里也有藍(lán)光的成分。

圖1給出了色溫都為3000K的四種常見光源的光譜。圖1(a)是白熾燈光譜，該光源在380nm～490nm區(qū)間的光譜占總發(fā)射譜的7.8%；圖1(b)是熒光燈光譜，該光源在380nm～490nm區(qū)間的光譜占總發(fā)射譜的16.5%；圖1(c)是陶瓷金鹵燈光譜，該光源在380nm～490nm區(qū)間的光譜占總發(fā)射譜的16.5%；圖1(d)是LED光譜，該光源在380nm～490nm區(qū)間的光譜占總發(fā)射譜的11.2%。由此可見，在相同的色溫下，LED光源的藍(lán)光成分與使用其他傳統(tǒng)光源的藍(lán)光成分相比并不是太高*所謂藍(lán)光光譜占總光譜的百分比是指藍(lán)光光譜波段的積分量占總光譜波段積分量的百分比。。

圖1 四種相同色溫光源的光譜圖(來自CELMA:optical safety of LED lighting)Fig.1 four kinds of the same color temperature spectra (from CELMA: optical safety of LED lighting)

3 LED照明產(chǎn)品的藍(lán)光危害評估

在使用各類LED照明產(chǎn)品的同時，人們開始關(guān)注其藍(lán)光危害，從了解藍(lán)光的基本概念出發(fā)，再看現(xiàn)實產(chǎn)品的測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)LED照明產(chǎn)品的藍(lán)光并不是想象中的那么“有危害”。

3.1 藍(lán)光危害的概念

在應(yīng)用各類人造光源的同時，人們也正關(guān)注其存在光生物危害，如藍(lán)光危害。

藍(lán)光危害也稱視網(wǎng)膜藍(lán)光危害，是指由波長主要介于400nm與500nm的輻射照射后引起的光化學(xué)作用，導(dǎo)致視網(wǎng)膜損傷的潛能。

GB/T 20145—2006《燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性》規(guī)定了視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的評價方法。

大家知道，各類光源均存在高低不同的藍(lán)光相對光譜能量，所以藍(lán)光危害的評估涉及的光源也不僅是LED。但某些光源藍(lán)光相對光譜能量很低，不至于對視網(wǎng)膜造成危害，所以目前在進(jìn)行視網(wǎng)膜藍(lán)光危害的安全性評估時，涉及的光源是LED、金屬鹵化物燈和一些特殊的鹵鎢燈。

3.2 LED照明產(chǎn)品藍(lán)光危害摸底測試的情況

在LED產(chǎn)品的光生物安全問題上我們普遍關(guān)注的是LED藍(lán)光對視網(wǎng)膜藍(lán)光危害，為了解國內(nèi)市場上LED照明產(chǎn)品的藍(lán)光危害情況，根據(jù)IEC/TR 62778《應(yīng)用IEC 62471標(biāo)準(zhǔn)評估光源和燈具藍(lán)光危害》進(jìn)行藍(lán)光危害評估可能得到的結(jié)果如下：

(a)RG0 無限制：在所有燈具中的所有距離，初級光源最高產(chǎn)生了RG0；

(b)RG1 無限制：在所有燈具中的所有距離，初級光源最高產(chǎn)生了RG1；

(c)RG2的Ethr：在某距離時初級光源產(chǎn)生了RG2，此處含有初級光源的燈具產(chǎn)生的照度。危害級別見表1，其中最大暴露時間是指眼睛持續(xù)直視光源的時間。

表1 輻亮度值、最大暴露時間和危害等級關(guān)系 (來自IEC 62471:2006)Table 1 Radiance、exposure duration and risk rang (from IEC 62471:2006)

我們對市場上銷售的25個LED照明產(chǎn)品進(jìn)行檢測并評估其對視網(wǎng)膜的藍(lán)光危害。25個產(chǎn)品中包括8個LED臺燈、5個LED射燈、9個LED筒燈、1個LED燈泡、2個LED平板燈。檢測結(jié)果表明：25個樣品中14個樣品的藍(lán)光危害屬于無危險RG0類，11個樣品屬于RG1類危險，無樣品屬于RG2類危險檢測結(jié)果，見圖2。這就是說,在正常使用條件下,無LED照明產(chǎn)品出現(xiàn)RG2類危害。

圖2 LED照明產(chǎn)品藍(lán)光輻亮度值Fig.2 led product blue radiance

3.3 “富藍(lán)”LED產(chǎn)品的藍(lán)光對司辰節(jié)律的影響

近來的研究結(jié)果表明：“富藍(lán)”LED照明產(chǎn)品的藍(lán)光對人體的司辰節(jié)律有一定影響，尤其是波長在450nm左右的藍(lán)光，該波長的光正好與人體的司辰視覺有關(guān)，有較強的使人分泌褪黑色素抑制劑的能力。褪黑色素的減少會使人興奮，不容易入眠，長此下去會影響人的免疫機制。

圖3給出了一個典型的5500K“富藍(lán)”LED白光光譜曲線與晝夜節(jié)律靈敏度曲線，它的460 nm最敏感波長與LED的藍(lán)光波長基本吻合，該光源發(fā)出光的最大光譜能量在460 nm區(qū)域，正好與晝夜節(jié)律曲線波形相吻合，將影響人體正常的日出而作、日落而息的司辰節(jié)律。

圖3 典型的5500K“富藍(lán)”LED白光光譜曲線與晝夜 節(jié)律靈敏度曲線Fig.3 Typical 5500K rich blue LED white light spectral curve and the circadian rhythm of sensitivity curve

因此，在夜晚建議不宜采用色溫太高的冷色光，最好采用色溫較低的暖色光，以減少高色溫LED產(chǎn)品的藍(lán)光對人體司辰節(jié)律的影響。

4 總結(jié)

隨著LED產(chǎn)品的推廣應(yīng)用，人們對LED照明的藍(lán)光危害問題越來越關(guān)注。本文就藍(lán)光LED和LED藍(lán)光問題進(jìn)行了分析， 并就LED光源發(fā)射譜中藍(lán)光所占的比例與傳統(tǒng)照明光源進(jìn)行了比較，而對目前市場上LED產(chǎn)品的藍(lán)光危害評估結(jié)果也表明，在正常使用條件下幾乎沒有RG2類危險產(chǎn)品出現(xiàn)，同時為減少藍(lán)光對司辰節(jié)律的影響，本文建議夜晚家庭照明不宜采用色溫太高的冷色光光源，最好采用色溫較低的暖色光光源。

[1] Nobel Prize The Nobel Prize in Physics 2014[EB/OL].[2014-10-07].http:www.nobelprize.org/nobel-prizes/physics.

[2] 中華人民共和國國家監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 20145—2006燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

[3] IEC.IEC 62471:2006燈和燈系統(tǒng)的光生物安全性[S].IEC,2006.

[4] IEC.IEC/TR 62778:2012應(yīng)用IEC 62471標(biāo)準(zhǔn)評估光源和燈具藍(lán)光危害[S].IEC,2012.

[5] 陳超中，施曉紅，劉磊.白光LED的光生物作用特性[J].中國照明電器，2013,(4).

[6] 俞安琪，趙旭.LED照明產(chǎn)品光生物安全風(fēng)險狀況分析[J].照明工程學(xué)報，2013,24(5):6-11.

[7] 俞安琪.發(fā)光二極管照明產(chǎn)品藍(lán)光危害的檢測分析和富藍(lán)化的分析及建議[J].光源與照明，2014,(1).

[8] CELMA.Optical safety of LED lighting CELMA[M].ed1.CELMA,2011.

[9] CELMA.CELMA—ELC Health WG(SM)007_lichtwissen19_Impact of Light on human beings[M].CELMA,2011.

[10] 中國照明學(xué)會.照明科學(xué)與技術(shù)學(xué)科發(fā)展研究報告(2012—2013)[M].北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

Analysis of ‘High Brightness Blue LED’

Li Weijun, Shi Xiaohong, Chen Chaozhong, Yangyue

(ShanghaiInstituteofQualityInspectionandTechnicalResearch(SQI),ChinaNationalLightingFittingQualitySupervisionTestingCentre(CLTC),NationalCenterofSupervision&InspectiononElectricLightSourceQuality(Shanghai),ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.,Subcommittee2onLuminaireofNationalLightingEquipmentStandardizationTechnicalCommittee,LuminariesSpecialtyCommitteeofChina,Shanghai201100,China)

In order to help people better understand the blue LED, the blue LED won the 2014 Nobel Prize in Physics was firstly introduced, and then we discuss the LED blue light hazard, light-emitting mechanism of blue LED, the current development situation and etc.

LED; blue LED; LED blue light; blue hazard

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.011