类太阳光陶瓷灯丝产品研究

李仕松

摘要：随着人类社会不断进步和人们生活水平的不断提高，人们对于节能、环保、健康等话题越来越加关注，近年以来，光源产品的节能、环保、健康也引起了社会广泛关注和讨论，虽然LED光源产品最近几年得到大力的发展，但传统LED光源产品中蓝光对于人眼的损伤仍然没有得到很好解决。

关键字：太阳光、LED、全光谱、紫光、蓝光、LED灯丝

众所周知，地球表面的光源来自于太阳光，太阳光的光谱是一种不同波长的连续光谱，包括了无线电波、红外线、可见光、紫外线等几个波谱范围，太阳光光谱又分为可见光和不可见光两个部分：可见光的波长为400致760纳米，散射后分为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色，集中起来为白光；不可见光分为两种，位于红光之外区的叫做红外线，波长大于760纳米，最长达5300纳米，而位于紫光之外区的叫做紫外线，波长290纳米致400纳米。

在太阳光总能量中，可见光能量占约43%，红外光能量占约52%，紫外光能量占约5%，可见光可以促进植物光合作用，使人心情舒畅，但可见光太强会使人昏眩；红外光可以改善人体血液循环，增加人的免疫能力；弱紫外光有杀菌作用、调整和改善神经、内分泌、消化、循环、呼吸、血液、免疫系统以及促进维生素D生成的功能。

鉴于太阳光对于植物、动物以及人类的积极作用，开发类太阳光光源产品对于人类具有重要意义。

一、目前人类使用光源现状分析：

目前人类可以利用的光源除太阳光外，还有白炽灯、荧光灯、节能灯和传统LED灯，这几类光源的优缺点主要如下：

白炽灯的工作原理：电流通过灯丝时产生热量，灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000摄氏度以上，当灯丝在处于白炽状态时发出光来。其优点在于它的光色最接近于太阳光色，而且光源小、通用性强，能加强物体的立体感，但白炽灯最大的缺点在于转换效率非常低，使用的时候有95%的电能都用于灯丝加热上，仅有5%的电能真正转换成能见的光。另外，白炽灯发热时温度高，灯丝使用寿命较短，白炽灯色温低、光谱中红外成份较高、光色中带有黄色，白炽灯使用时容易受到震动的影响。

荧光灯的工作原理：灯管的内表面有荧光物质，灯管内含氩气和水銀，工作时灯管内的汞原子有气体放电过程中释放紫外光，灯管表面的荧光物质吸收紫外光后释放可见光。其优点在于较白炽灯更加节能，其转换效率大约为24%。其缺点是会产生光衰，显色性较差，灯光有闪烁现象，对视力有害，另外汞属于有害重金属，生产过程中以及灯管报废后容易引起环境污染。

节能灯的工作原理：节能灯的工作原理同荧光灯。其优点在于光效比较高，是普通白炽灯的5倍以上，使用寿命比较长，是普通白炽灯的8倍左右，另外，其体积比较小、更加便于使用，其频闪现象较荧光灯有所减少。其缺点在于同荧光灯，会产生光衰，显色性较低，对健康和视力有害，同时看物品时颜色不漂亮。

LED灯的工作原理：LED灯的核心部件为发光二极管，是一种半导体器件，可以直接把电转化为光，它由三部分组成：一部分是P型半导体，另一端是N型半导体，中间是量子阱，当电流作用于发光二极管时，电子和空穴就会被推向量子阱，在量子阱内电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式释放能量。由于LED有体积小、耗电低、寿命长、无毒环保等诸多优点，LED得到越来越广泛的应用，但随着LED技术不断进步及普及，LED光谱中的蓝光危害引起广泛讨论，传统的LED光源产品中，波长400纳米至500纳米的蓝光是能量较高的部分（见图一：LED光谱），短波蓝光比重过高容易引起人眼出现视觉疲劳从而造成视力下降，蓝光对人眼造成损伤原因：一方面是光源中的短波蓝光可直接穿透眼球晶状体到达视网膜，有可能会引发视网膜萎缩、黄斑病变、白内障等疾病问题；另一方面，太阳光的中心波长为550纳米左右（见图二：太阳光光谱），蓝光波长偏离了太阳光的中心波长，人类的眼睛如果长时间接受过亮的蓝光，会破坏人体长期建立起来的对太阳光适应性，从而导致眼部疾病。

图一：LED光谱（可见光部分）

图二：太阳光光谱（可见光部分）

二、类太阳光源实现方案研究：

现有的LED全光谱技术，大致分为紫光激发和蓝光激发荧光粉两类：

紫光激发技术对于抑制蓝光和补齐靛色上表现较佳(同时多了太阳光谱中短波段紫光部份)，但适用于紫光技术的荧光粉必须具备高光效和高稳定性两个特点，荧光粉的开发难度比较高，另一方面，高光效紫光的芯片价格高，从而导致紫光激发技术产品成本比较高；    

蓝光激发技术的LED产品，通常会在短波蓝光部分有一个凸出的波峰，在长波蓝光(480nm附近)则有一个凹陷的波谷（见图一：LED光谱），这样的光谱与太阳光的光谱存在比较明显的差异，该光谱中的短波蓝光除对人眼造成损伤外，对物体的显色能力表现会较差。若能在蓝光激发技术中最大限度减少蓝光比例，则可带来更健康的光输出与应用，这样的光谱较一般的LED光谱范围更宽，光谱更加连续、色域更加广泛，显色能力较传统LED对物体能有更好的色彩表现。因此，如何使蓝光LED产生的蓝光光谱更接近于太阳光在蓝光波段的波形，以及其配合荧光粉之后的白光光谱接近于太阳光光谱(可见光波段)，为本文的研究方向。

目前，类太阳光谱的解决方案多为将多个不同蓝光波长的芯片通过LED白光封装技术来获得类似于太阳光光谱的LED光源，该技术采用了多个芯片，芯片成本较高，同时增加了封装难度。因此，我们将致力于研究单颗芯片发出不同波段长的光，这样就有机会实现在单颗芯片中达成多颗不同蓝光波长芯片的发光效果，我们提出的解决方案：目前行业内蓝光发光层基本为多重量子阱设计，因此，我们可以在进行量子阱设计时可以将量子阱设计成不同的禁带宽度，从而可以使LED发光的时候发出不同波长的光。针对太阳光光谱中特定波段需要光的强度不同，我们进行量子阱设计时，可以通过不同的量子阱组数、阱层能隙以及垒层厚度进行组合搭配的技术手段，从而使LED发光光谱具备较大的半高宽或具有多个峰值，多峰光谱再搭配相应的荧光粉即可获得类似于太阳光的全光谱白光LED。通过该技术形成的全光谱LED，于传统的LED光源相比较，其有更好的光质量、光谱范围更宽、有更好的色彩表现，更加接近于太阳光。其产品可以满足显色指数(CRI)大于95，标准色样Ri(i=1-15)大于90，且色彩逼真度(Rf)与色彩饱和度(Rg)都大于95。

三、LED灯丝发展前景研究：

由于白炽灯转换效率低、能耗非常高，因此最近几年各国相继出台禁用（禁售）白炽灯的法规或计划，一旦60W以下白炽灯等被禁售，则需要有相应产品替代白炽灯的应用市场，LED灯丝灯将是很好替代方案，主要基于LED灯丝灯以下几个特点：

1、LED灯丝灯和白炽灯灯均可以实现360度全周发光，LED灯丝大角度发光且不需要加装透镜，可实现立体光源。

2、LED灯丝灯可制作成与白炽灯相似形态的灯泡。

3、LED灯丝灯和白炽灯有相似的配光曲线。

4、LED灯丝具有小电流高电压的特性，可以有效降低LED发热和驱动成本。

5、相同光通量情况，LED灯丝的功率远低于白炽灯，比如3.6WLED灯丝灯即可替代40W白炽灯。

6、白炽灯生产企业可以利用现有技术和流水线生产LED灯丝灯泡。

7、白炽灯生产企业可利用现有白炽灯的玻璃支架设计LED灯丝的连接。

8、LED灯丝灯，除LED灯丝外，其它BOM材料都是低成本材料，不会额外增加其它BOM成本。

LED灯丝灯的缺点：LED灯丝生产工艺复杂，生产效率不高，从而导致LED灯丝成本价较高，以3.6W灯丝灯为例，其LED灯丝成本占了整个灯泡的75%，但随着各LED灯丝封装厂封装工艺的提升，LED灯丝成本已在逐步降低。

另外，LED灯丝除了球泡灯应用外，还可应用于水晶吊灯、蜡烛灯、壁灯等LED照明产品，其广泛应用于五星级商务酒店、高端豪华住宅灯室内照明。

四、结论：

    类太阳光LED发光芯片制作的陶瓷灯丝产品可以提高光谱的连续性，降低蓝光峰值对人类眼睛损伤、降低紫外短波辐射对人造成的光生物危害，同时光的色彩饱和度、物体色彩还原性都比较好。另外，基于LED灯丝灯和白炽灯相似性以及生产技术和流水线通用性，随着各国对白炽灯的禁用，LED灯丝灯将是白炽灯非常好的替代品，因此，类太阳光陶瓷灯丝产品将会得到广泛应用和具有很好的前景。

参考文献：

【1】李申生.太阳常数与太阳辐射的光谱分析，2005