GaN基LED在室內環境設計中的應用

□ 田 媛 藍方敏 潘 驍 葛 鵬

當前全球能源危機與氣候變暖壓力日益嚴峻，使得綠色環保、節能減排的LED具有廣闊的發展空間。受益于其能耗低、體積小、壽命長、轉換頻率快等特點，LED有望為照明系統帶來許多全新的功能，極大地改善我們的生活方式與生活質量，應用前景十分廣闊。目前，白熾燈正在逐步退出全球照明市場，近一半的傳統光源已被LED取代，可實現每年節電約2800億kW·h。目前LED在生活照明、微顯示、植物照明、汽車照明、光通信、紫外LED等不同的領域均獲得快速發展。

1 ??藍光LED在室內環境設計中的應用

一直以來，科研人員對GaN材料的制備到P-GaN的摻雜等關鍵技術進行了大量的研究，直到1994年，日本科學家中村修二發明了藍光LED，這標志著人類照明進入固態照明時代。隨著技術的發展，可見光LED已具有較高的外量子效率，GaN基LED獲得了較大范圍的應用與推廣。隨著消費水平的提升，人們對室內環境照明的需求逐漸多樣化，不僅關注照明的功能性，還關注其品質、個性化需求與裝飾風格的匹配等，大體上可將照明分為功能性照明與藝術性照明兩大類。

1.1 LED在室內各功能區中的應用

近年來，隨著人工智能技術的快速發展，照明需求呈現出樣式及功能多樣化的態勢，半導體照明開始進入“智慧照明”時代。如圖1所示，全球照明協會（Global Lighting Association，GLA）指出，照明技術的發展路線將由傳統的高效照明、LED照明轉變為智能照明系統、可服務可升級的智能照明系統與“以人為本”照明。

圖1 GLA提出的照明技術發展路線[1]

在室內環境設計的應用上，智能照明不僅關注照明的視覺效應，而且更多地關注照明的非視覺效應。如：室內智能光環境設計與室內家具及家裝風格保持和諧自然；照明色度、亮度、時長與生理節律和情緒的關系；關注室內環境的不同功能場所的個性化需求等。居家室內空間功能逐漸層次化，針對不同功能區，需要在協調家庭整體風格的前提下，兼顧不同功能區的個性照明需求。人們在各種光環境下的視覺舒適性除了與人眼視覺有關外，也與人們當時的生理狀態、不同場景有關。

客廳區域作為日常休閑娛樂、會見客人的公共場所，注重人們情緒價值與視覺舒適性。研究表明，照度與色溫被認為是影響視覺舒適性的重要光照參數。當照度為350l×～1000l×時，照度幾乎不影響視覺的舒適性。對于休閑娛樂場景來說，與高色溫燈光相比，低照度與低色溫搭配時更易獲得輕松而溫暖的感覺，而這種感覺正是人們所需要的，有助于提升視覺舒適性[2]。室內環境的第二個功能區—書房區域，書房往往用于工作或學習，通常要明亮的冷白光產生更高的視明度，人們在情緒上相對興奮且有助于提高工作效率。此外，視疲勞與工作、學習環境的關系值得被關注。視疲勞包括各種眼部疲勞感知和視覺功能下降，通常視疲勞在閱讀工作30min～60min時發生，且視疲勞與時間呈正相關的依賴關系。研究表明，色溫對于視疲勞、舒適性有較為明顯的影響，對于學習工作環境而言，燈光色溫在6000K左右時，照度變化對于視疲勞和舒適性影響并不明顯，兼顧了學習效率與視覺舒適性[2]。對于廚房照明環境而言，照明設計應更偏向于功能性與安全性方面，軟件模擬、現場測試、主觀體驗評估等實驗證明，LED燈具與傳統光源燈具相比，二者均需在直接照明與間接照明同時開啟情況下才能在功率密度、平均照度等方面滿足國家標準，但LED照明方案在綠色節能、壽命等方面優勢明顯。

1.2 藍光污染

LED在節能環保、壽命長、體積小、亮度高、能耗低等方面具有獨特優勢，并呈現出高光效、高亮度、大功率、高光通量的發展趨勢，正在改變人們照明方式。然而，LED光源能量集中，在某些方面具有激光的相似特性，其光輻射安全問題不容小覷。尤其在室內環境中，LED作為主要光源，其光輻射對眼睛的危害不可忽視。目前實現白光的LED技術有三種：由紅、綠、藍三基色混合形成白光；紫外LED激發紅、綠、藍三色熒光粉；藍光LED激發黃色熒光粉。其中采用藍光LED激發黃色熒光粉形成白光這種技術的白光LED，當其色溫較高時在短波藍光波段有一個較強的峰值，即其色溫約為5186K時峰值波長約為440nm。另外一種采用紅、綠、藍三基色混合產生白光技術的白光LED，當其色溫約3500K時，在短波藍光波段峰值波長約470nm。根據國內外報道相關，視網膜藍光光化學危害也是最主要考慮的類型?！稛艉蜔粝到y的光生物安全性》（GB/Τ 20145—2006）中提出視網膜受到藍光輻射時潛在的光化學危害，有效作用光譜范圍為300nm～700nm，研究發現，目前現有的LED產品的可見光和紅外輻射尚不足以造成明顯的視網膜熱危害。因此，不考慮視網膜熱危害和波長超過780nm的紅外輻射危害，而發光波長介于400nm～500nm的視網膜藍光光化學危害是最主要考慮的類型[3-5]。圖2所示為不同色溫下典型的白光LED的發射光譜，可以看到在高色溫的白光LED光譜中，藍光波段占比明顯高于低色溫白光LED。研究表明，色溫高于4000K的白光LED引起的光輻射潛在地影響人體生理節律及危害視網膜健康。尤其是人長期活動在LED作為主光源的室內場所時，建議將LED的色溫控制在2700K～3000K之間，同時顯色指數高于80。但是，由于低色溫LED發光較低，LED照明產品生產廠家通過提高產品的色溫兼顧發光效率與顯色指數，因此照明市場中普遍出現高色溫、高顯色指數產品，提高了發生藍光污染的概率。

圖2 不同色溫下典型白光LED的發射光譜[6]

與此同時，為了擴大GaN基LED的應用領域，需要獲得更高的功率和發光效率，除了通過增加LED的器件面積與注入電流提高功率這一傳統方法以外，市場上的LED照明產品通常還通過增加二次光學設計元件實現光源的高功率與高亮度，從而帶來更窄的光束角與更高的亮度。對于相同功率的LED照明燈具來說，其燈具的光束角越小，中心光強越大，光斑越硬。光束角的減小使得潛在藍光危害的風險增加，藍光危害成為制約LED在室內照明環境應用的重要因素之一。

2 ??紫外LED在室內環境中的應用

基于III族氮化物的紫外發光二極管（Ultra-Violet Light Emitting Diodes，UV LED）以其綠色節能環保、波長短、光譜可調、光子能量高等特點廣泛被應用于殺菌、空氣凈化、環境監測、光固化、固態照明等新興應用領域。UV LED一般是指發光峰值波長在400nm以下的LED。如圖3所示，具體地可將紫外光分為UVA（315nm～400nm）、UVB（280nm～315nm）、UVC（200nm～280nm）三類。根據不同的波段與用途可分為：UVA，主要在光固化、光催化、醫療、光刻、印刷和驗鈔等領域的應用廣泛；UVB，主要應用于醫療方面的生物分析、DNA分析等；UVC，主要應用在殺菌消毒、空氣凈化、成分分析等方面。

圖3 光譜范圍

在室內環境中應用最廣泛的是殺菌消毒、空氣凈化等產品。相關的紫外線消毒可分為兩種機制，一是利用波長在200nm～300nm的紫外線破壞微生物的DNA或RNA等遺傳信息，從而造成微生物群體的死亡，這種機制通常用于水或空氣的殺菌應用；二是紫外線作為光催化劑，對ΤiO2進行光催化，使其產生強自由基分解空氣中的有機污染物，催化產物為對人體無害的二氧化碳與水，并且能同時殺死空氣中的細菌和病毒。圖4所示為UV LED在室內家居產品的應用，主要應用在水消殺與空氣凈化等方面，如智能消毒殺菌鞋柜、空氣凈化器、水龍頭凈水器、智能冰箱等。

圖4 UV LED在家居產品中的應用

2.1 UV LED在空氣凈化中的應用

近年來，隨著人們對生活品質的追求越來越高及現代家居的快速發展，越來越多的新型材料進入家居裝修行業，可選擇的新型裝修材料層出不窮，但隨之而來的，是各種室內空氣污染的產生?？諝馕廴镜膩碓从杏晒褡?、皮革帶來的甲醛污染；由油漆、墻紙帶來的苯污染；來源于混凝土抗凍添加劑的氨污染；來源于地板、黏合劑的ΤVOC（揮發性有機化合物）污染等。其中，甲醛的污染最值得關注，甲醛具有刺激性氣味，人體吸入混有甲醛的空氣會引起呼吸道疾病、鼻咽癌、新生兒染色體異常甚至白血病，對人們的身體健康產生較大的危害。目前主流的除甲醛方法為以ΤiO2為光觸媒介質，在紫外光的照射下，形成具有極強氧化作用的超氧離子自由基、羥基自由基、超氧羥基自由基，不僅能將甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、ΤVOC等有毒有害氣體、污染物、臭氣、細菌等氧化分解成無毒的二氧化碳與水，與一般抗菌劑相比只有殺菌作用不同，紫外光觸媒去除甲醛等有害氣體的方法不僅效率高，還可以將細菌遺體及其在體內殘留的毒素完全分解，達到徹底消毒殺菌的目的。

2.2 UV LED在消毒殺菌方面的應用

UV LED為固態器件，具有體積小、預熱時間短、能夠實現瞬間開啟等優勢，在紫外殺菌消毒領域具有良好的應用前景。短波深紫外線具有高度殺菌能力，有望用于工廠和凈水廠等[7]。 目前多采用水銀燈作為紫外殺菌燈具，但隨著2017年《關于汞的水俁公約》的生效，社會上開始致力于減少使用汞，基于此，深紫外LED在紫外殺菌領域的應用逐漸推廣。在透明液體的殺菌消毒方面。紫外線在水消毒方面能實現相對簡單直接的凈化。研究表明，有效的殺菌波長約在245nm～295nm，最有效殺滅或破壞細菌DNA的峰值波長為265nm[8]，汞燈的紫外線發光波長是254nm，UV LED的波長一般常用的在275nm且光譜可調，這是UV LED取代傳統紫外汞燈的最大驅動力。目前市場上最熱門的凈水產品—紫外線凈水器均融入紫外殺菌技術，將傳統的超強過濾技術與紫外線殺菌技術結合，當一定劑量的紫外光照射到水中的各種細菌、病毒、寄生蟲、水藻以及其他病原體后，它們細胞中的DNA結構受到破壞，從而在不使用任何化學藥物的情況下實現殺滅細菌、病毒以及其他致病體，解決飲用水細菌指標的超標問題，達到了消毒和凈化的目的。與傳統的汞燈相比，UV LED在流動水動態殺菌方面具有高效、即時與壽命長等優勢，且UV LED本身無毒無害不產生臭氧，不影響水的口感，在水消毒中安全性較高。在室內家居產品應用方面。紫外線殺菌消毒鞋柜也逐漸引入市場，傳統智能鞋柜通過利用臭氧的化學特性，對鞋子進行除臭和殺菌防霉護理，新型智能鞋柜的殺菌裝置部分采用了UV LED陣列作為消毒殺菌光源，UV LED陣列設置于柜體的內表面或柜門的內表面，發出紫外線的同時對收納在柜體內的鞋子進行消毒殺菌，減少密閉鞋柜帶來的細菌滋生問題引起的健康隱患。智能鞋柜可以廣泛適用于賓館、酒店、運動場、浴室、醫療衛生行業、食品工廠、制藥行業、無塵車間等室內環境。此外，根據2020年2月4日國家衛生健康委辦公廳、國家中醫藥管理局辦公室公布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》指出，病毒對紫外線與熱敏感，因此在新型冠狀病毒隔離病房中均配置了紫外殺菌燈滅活新型冠狀病毒。大量的研究實踐發現，劑量為1445uJ/cm2的紫外光能實現99.99%殺菌率，紫外LED為新型冠狀病毒抗疫做出了貢獻。但目前缺乏深紫外LED專用的MOCVD設備，是深紫外LED產業化的一個瓶頸，此外UV LED的發光效率和輸出功率都較低都將成為制約UV LED挑戰新的應用市場的關鍵因素。

3 ??總結

本文討論了LED技術在室內環境設計中的應用，主要包括GaN基LED在室內環境中不同功能區的照明設計的應用，并討論了藍光污染在室內應用中的問題，接著討論目前LED的研究熱點—UV LED及其在室內環境中的應用，并分析了目前技術制約其在室內環境應用中的問題。