迄今為止，談到LED產(chǎn)品的參數(shù)失效，大部分關(guān)注的是光通維持率，而色漂(color shift)也是一些產(chǎn)品早期失效的原因，尤其是在對視覺外觀有嚴(yán)格要求的特定的應(yīng)用中。2013年9月，美國能源部發(fā)布了一份包括實(shí)際應(yīng)用及實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測到的DOE多個項(xiàng)目中LED色漂的研究報(bào)告，對了解色漂及其產(chǎn)生機(jī)理具有非常大的指導(dǎo)意義。本文將詳細(xì)介紹該報(bào)告的內(nèi)容，包括DOE對LED燈的色漂數(shù)據(jù)的分析、色漂指標(biāo)、產(chǎn)生機(jī)理、監(jiān)控及產(chǎn)品保修等問題。

一、顏色穩(wěn)定性與色彩一致性定義

       “顏色穩(wěn)定性(color stability)”定義為一盞燈隨時間推移保持一定光譜功率分布的能力。與顏色穩(wěn)定性不同，色彩一致性(Color Consistency)指的是不同燈之間的光譜功率分布。使用色坐標(biāo)來描述光源的顏色是CIE色度系統(tǒng)(CIE 2004)的一項(xiàng)基本原則。最常用的三個色度圖為CIE1931(x，y)，CIE1960 (u，v)和CIE1976(u′，v′)，如圖1所示。(u′，v′)色度圖在視覺上最均勻而最適合評價色度的差異和變化，其色漂用Δu′v′表示。

       北美照明工程協(xié)會(IESNA)標(biāo)準(zhǔn)LM-80-08 LED光源光通維持率的測量[IES2008]，規(guī)定了LED封裝器件光通維持率測量的方法，同時也提出需要測量LED封裝器件的色度變化并在報(bào)告中體現(xiàn)。但LM-80-08標(biāo)準(zhǔn)測量的對象并不是LED燈或燈具，且也未規(guī)定色度變化的限值。

       ENERGY STAR要求Δu′v′在燃點(diǎn)6000小時不超過0.007[EPA2012，2013]，但因LED產(chǎn)品的壽命通常遠(yuǎn)超過6000小時，這一要求對于確保高品質(zhì)的照明來說可能還不夠嚴(yán)格。

二、色漂數(shù)據(jù)

       本文中的數(shù)據(jù)來自于美國能源部項(xiàng)目，包括GATEWAY項(xiàng)目、CALiPER項(xiàng)目及LPrize項(xiàng)目。這些數(shù)據(jù)可以展現(xiàn)當(dāng)前市場的狀態(tài)，對如何改善產(chǎn)品顏色穩(wěn)定性也有所啟發(fā)，數(shù)據(jù)在很大程度上是事后分析，且大部分工作沒有對色漂進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)調(diào)查。但是，DOE報(bào)告中也展現(xiàn)了LED照明的巨大潛力。

       1.GATEWAY項(xiàng)目數(shù)據(jù)

       GATEWAY項(xiàng)目有三個特色的博物館項(xiàng)目，包括與史密森美國藝術(shù)博物館(Smithsonian American Art Museum)的合作。博物館照明對光的呈色性和顏色維持要求特別苛刻。史密森博物館安裝了許多不同的LED燈，一部分在使用幾千小時后出現(xiàn)了明顯的色漂，甚至某些燈還遠(yuǎn)未到額定壽命就已失效。

       該項(xiàng)目沒有對燈的性能進(jìn)行跟蹤(即記錄縱向數(shù)據(jù))，但對出現(xiàn)明顯色漂的燈進(jìn)行了事后分析。該部分的Δu′v′值是舊燈和同類型的新燈之間色度的差異，而非同一盞燈本身使用前后的色度差異。

       表1是該項(xiàng)目按IES LM-79-08對部分燈測試的數(shù)據(jù)。相對于基準(zhǔn)樣品，在6600小時甚至更早，許多樣品燈的Δu′v′值超過了0.007。雖然每組數(shù)據(jù)不是同一盞燈隨燃點(diǎn)時間的變化，但也可看出色漂非常嚴(yán)重。如果這些數(shù)據(jù)被視為近似縱向數(shù)據(jù)，樣品燈的色度主要朝著黃光方向移動。

       這些燈帶有二次光學(xué)系統(tǒng)(如塑料透鏡元件)，部分產(chǎn)品隨時間增加物理材料出現(xiàn)明顯的顏色變化。拆除上述光學(xué)系統(tǒng)使色度變化最小。無論新燈還是舊燈取下透鏡時，色漂相差不大。因此，色漂是由LED器件產(chǎn)生的。

       圖2是B1、B2燈的光譜功率分布(SPD)變化。相比于基準(zhǔn)樣品，燃點(diǎn)4000小時后的B1燈藍(lán)光發(fā)射峰增強(qiáng)，黃光發(fā)射峰減弱且向短波方向移動，流明輸出多了3%。B2燈藍(lán)光發(fā)射峰的減弱多于黃光發(fā)射峰峰值的減弱，使色度向長波方向移動，流明輸出少了9%。

       2.CALiPER項(xiàng)目數(shù)據(jù)

       2008-2010年，CALiPER項(xiàng)目在一個獨(dú)立的光度測量實(shí)驗(yàn)室對約50個完整的LED燈和燈具進(jìn)行了長期的測試，這對了解色漂的一些機(jī)理仍然有價值。

       LED燈首先按LM-79-08在積分球中進(jìn)行測試，之后被安裝在環(huán)境溫度25℃(±5℃)，具有恒定的輸入電壓的裝置中連續(xù)燃點(diǎn)。每500小時使用手持儀表測量某一點(diǎn)的照度和色度。6000小時后，產(chǎn)品在同一積分球中再次測量，部分產(chǎn)品在6000小時前失效。

       圖3中顯示了產(chǎn)品根據(jù)LM-79-08在積分球中測得的最初和最終的色坐標(biāo)，紅點(diǎn)代表的產(chǎn)品通過了6000小時測試，在此期間，色漂通常朝著同一方向。

       如圖3所示，許多產(chǎn)品沿著藍(lán)—黃軸(blue-yellow axis)方向移動，高色溫產(chǎn)品的色漂現(xiàn)象更明顯。在第一個6000小時測試中，45個產(chǎn)品中有15個產(chǎn)品的Δu′v′值超過了0.007，其中有8個產(chǎn)品的色溫(CCT)高于4500K;色溫高于4500K的產(chǎn)品只有20%在6000小時測試后Δu′v′值不大于0.007;7個使用RGB或混合工藝制作的白光LED產(chǎn)品中，有2個的Δu′v′值超過了0.007。在進(jìn)行12000小時測試的7個產(chǎn)品中，有6個產(chǎn)品12000小時的Δu′v′超過了0.007，有2個產(chǎn)品6000小時時超過了這一閾值。

       色漂最嚴(yán)重的是一個櫥柜燈，7500小時后的Δu′v′值為0.045。還有幾個產(chǎn)品的Δu′v′值超過了0.020，近3倍能源之星規(guī)定的限值，這些燈的色漂可能任何照明應(yīng)用都不能接受。

       圖4是圖3中每隔500小時使用手持儀器測得的部分?jǐn)?shù)據(jù)。產(chǎn)品從最初測量到6000小時測量到的色度變化不是連續(xù)的直線軌跡。

       產(chǎn)品的色度變化不穩(wěn)定，有時會在中間測試階段反向變化。這一現(xiàn)象表明，引起色漂的機(jī)制不止一種。但這些數(shù)據(jù)的測試儀器不太精密，且測試環(huán)境沒有進(jìn)行嚴(yán)格控制。測試環(huán)境可能更接近典型的工作環(huán)境，很難判斷是由溫度變化還是物理變化引起的色漂。

3.L Prize 項(xiàng)目數(shù)據(jù)

       L Prize燈采用遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)，熒光粉并不直接摻入到LED封裝器件中。只有少數(shù)LED產(chǎn)品使用這種方法。L Prize燈在壽命范圍內(nèi)的色漂更小。DOE報(bào)告中L Prize燈平均Δu′v′值都不超過0.001，顯示了LED技術(shù)巨大的潛力，但報(bào)告中討論的大部分引起色漂的機(jī)理并未采用遠(yuǎn)程熒光粉的技術(shù)形式。

三、討論

       LED的產(chǎn)品特性，包括光通量、色度等，與工作條件密切相關(guān)。制造商通常在特定的溫度(如25℃或85℃)和特定的驅(qū)動電流(如350mA)下對LED進(jìn)行測試和封裝。LEDs測試的溫度或驅(qū)動電流不同，色度也會不同。因制造LEDs的技術(shù)各不相同，色度隨溫度及電流的變化幅度會因制造商不同而有所差異。高溫通常會加劇材料的退化，故在高溫下工作會嚴(yán)重影響LEDs的性能。同樣，開關(guān)循環(huán)和相關(guān)的熱變化也可能對LED器件的材料產(chǎn)生一些不可恢復(fù)的影響。

       LED封裝最常采用藍(lán)光LED和黃色熒光粉的組合(PC LED)。PC LED封裝形式不同，色漂機(jī)理也不盡相同。

       早期LED封裝將熒光粉和硅氧樹脂混合，制作成反射腔(a reflector cavity)。隨時間的推移，熒光粉顆粒先一步失效(如圖5)，藍(lán)光輸出增多，光譜藍(lán)移非常嚴(yán)重。

       大部分中小功率的LED使用上述封裝方式，樹脂變色同樣會產(chǎn)生色漂(如圖6)。聚鄰苯二甲酰胺(PPA)是LED封裝中一種常用樹脂，在高溫或短波長輻射的環(huán)境中會變色。

       另一種封裝方式將熒光粉涂覆在芯片頂部的薄層上，其上再增加硅膠層(如圖7)。使用熒光粉涂層技術(shù)時，有兩種情況可導(dǎo)致色漂，一種是熒光粉涂層在芯片邊緣卷起，使藍(lán)光光子從大角度方向溢出(如圖7a)，產(chǎn)生光譜藍(lán)移現(xiàn)象。另一種是高溫下熒光粉涂層與芯片表面產(chǎn)生分層(如圖7b)。芯片與熒光粉之間的空氣間隙增大了藍(lán)光光子通過熒光粉涂層的角度，使其穿過熒光粉涂層的平均自由程增加，光譜黃移。

       一些最新LED封裝技術(shù)中，熒光粉施加到整個封裝表面，包括芯片和基板(如圖8)，以緩解卷曲和分層問題，大大提高了顏色穩(wěn)定性。

       LED封裝技術(shù)在不斷變化和提高。然而，最新的LED技術(shù)并沒有廣泛應(yīng)用到最終產(chǎn)品中，作為最終產(chǎn)品的燈和燈具很大程度上滯后于芯片的開發(fā)。

       其次，用于初級或次級光學(xué)器件的材料也會隨使用時間而改變。比如，用作密封劑的環(huán)氧樹脂長時間使用后會出現(xiàn)變色現(xiàn)象。另外，許多化學(xué)材料，尤其是用于制造燈和燈具的粘合劑也非常不穩(wěn)定。通常情況下，燈/燈具與LED器件的制造商不同，這就使發(fā)現(xiàn)色漂更加困難也使質(zhì)保索賠更加復(fù)雜。

       驅(qū)動設(shè)備也會發(fā)生物理變化，可能產(chǎn)生不同的驅(qū)動電流，而導(dǎo)致色漂的產(chǎn)生。這一問題還沒有深入研究，但它可能是LM-80-08測試的芯片色漂數(shù)據(jù)和DOE報(bào)告中完整產(chǎn)品色漂數(shù)據(jù)之間出現(xiàn)差異的一個原因。

四、結(jié)論

       針對色漂問題，建議今后開展以下工作：

       1.通過LED封裝技術(shù)的不斷改進(jìn)，提高顏色穩(wěn)定性。

       2.制定從有限的測試數(shù)據(jù)中預(yù)測長期色漂性能的標(biāo)準(zhǔn)。

       3.研究影響整體LED燈/燈具顏色穩(wěn)定性的多種因素之間的相互作用。

       4.照明行業(yè)上下游各部分應(yīng)對色漂及其表述進(jìn)行更多交流。

       5.對色漂的保修應(yīng)廣泛普及，根據(jù)商定的方法記錄超出既定閾值的色漂。

       安裝數(shù)量的增多和使用時間的增長使LED產(chǎn)品的長期性能問題，如色漂問題將更加突出。LED技術(shù)在不斷發(fā)展，產(chǎn)品性能也逐步提升，很大程度上提高LED產(chǎn)品的使用率。目前，LED產(chǎn)品已展示出卓越的顏色穩(wěn)定性，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，色漂沒有必要向其他性能妥協(xié)。————本文節(jié)選自第6期《半導(dǎo)體照明》雜志。