李祥兵，沈 陽，姚 明

（1.神龍汽車有限公司，湖北 武漢 430050；2.湖北大學(xué)材料與科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430062）

1 引言

白光LED是替代傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈，實現(xiàn)高效照明的重要途徑。它具有低電壓、低能耗、長壽命、高可靠性、易維護等優(yōu)點，而且符合綠色照明工程環(huán)保和節(jié)能的要求，因而在汽車照明和信號領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用前景。LED白光一般分為暖白光、白色光、冷白光。暖白光的色溫低于3300K，與白熾燈相近，給人一種舒適和溫暖的感覺。白色光亦稱為中性色光，色溫為3300～5300k，其光線柔和、舒適。冷白光一般偏藍，色溫一般高于5300k，接近于自然光能使人精力集中。對用戶而言，照明系統(tǒng)采用白光LED的車燈，他們希望看到純白光的照明效果，這樣看起來比鹵素?zé)舾?，視覺效果更清晰，夜間駕駛也更有安全感；對于信號系統(tǒng)或內(nèi)飾氛圍燈系統(tǒng)，若采用白光，他們希望看到更穩(wěn)定的光色，以便不給其他道路使用者造成不必要的干擾。在汽車照明燈具設(shè)計中，由于各種原因，白光LED燈具點亮后泛黃的問題比較普遍，這除了與當(dāng)前LED的技術(shù)水平有關(guān)，也與LED燈具本身的設(shè)計結(jié)構(gòu)有關(guān)。點亮后泛黃嚴(yán)重影響客戶感知品質(zhì)，并有可能被客戶判斷為“產(chǎn)品老化”等感知品質(zhì)瑕疵，影響他們的購車欲望和駕駛體驗。因此，從源頭上分析和尋求LED燈具點亮泛黃的解決方案勢在必行。

2 LED白光的形成原理

2.1 光的混色原理

光是電磁波，通?？梢苑譃榭梢姽猓?80～780nm），紅外光（780nm～1mm）和紫外線（100～380nm）3種。白光屬于可見光的一種，它是多種顏色的混光。

1）三原色：在3種顏色中，其中任意兩種不能混拼出第3種時，這3種顏色即為三原色。

2）加法混色原理：當(dāng)兩種或兩種以上不同光相互混合得到光的亮度是各組分亮度之和。比如，綠光+紅光=黃光，綠光+藍光=青光，紅光+藍光=品紅光。

3）原色光與中間色相加得到白光：紅光+青光=白光，綠光+品紅光=白光，藍光+黃光=白光。

2.2 白光LED的形成原理

由以上分析可知，白光是一種混合光。白光LED可以分為單芯片、雙芯片、三芯片和四芯片等。對于單晶型LED而言，一般采用單色的LED發(fā)光二極管與熒光粉作用形成白光。在這種情況下，一般采用如下方式來實現(xiàn)。

藍色LED發(fā)光二極管發(fā)出藍光后，透過黃色熒光粉。熒光粉被激發(fā)后產(chǎn)生黃光與原先用于激發(fā)的藍光互補產(chǎn)生白

2022-01-27光。這種方法所用熒光粉的有效轉(zhuǎn)化效率較低。雖然說藍光LED配合黃色熒光粉的白光LED封裝技術(shù)是目前比較成熟的技術(shù)，但是利用這種方法封裝出來的白光LED有幾個嚴(yán)重的問題無法解決：首先是均勻性的問題，因為激發(fā)黃色熒光粉的藍光晶粒實際上參與了白光的配色，所以，藍光晶粒發(fā)出波長的偏離、強度的變化以及熒光粉涂抹厚度的改變都會影響白光的均勻性。最常見的例子是用這種封裝出來的白光LED中間部分看起來較藍（或較白），而旁邊的區(qū)域看起來較黃（熒光粉涂得較厚），各白光LED的顏色不盡相同。另外，利用藍光晶粒配上黃色熒光粉的白光LED，具有白光色溫高、演色性偏低等問題。紫外光LED（紫色）激發(fā)RGB（紅綠藍）三波長熒光粉形成白光。

對于多晶型LED而言（多個發(fā)光二極管），一般采用以下兩種方式。

1）采用兩個或兩個以上互補的兩色LED發(fā)光二極管，若要形成白光，一般是藍光LED與黃光LED通過混光形成白光。由于藍光LED比較便宜，因此一般采用藍光LED與熒光粉激發(fā)形成白光。

2）使用三原色發(fā)光二極管（RGB紅綠藍）通過混和而形成白光。這種方式要求紅、綠、藍3種原色光必須采用一種固定的發(fā)光比例，否則，三色混色所形成的就是其他顏色的光。由于這種方式形成的光顏色不太穩(wěn)定，故一般用于小功能LED上，在汽車照明中，一般用于氛圍燈領(lǐng)域，給用戶營造一種漸變的、多彩的視覺效果。

3 評價白光LED的光色指標(biāo)

一般而言，評價光源光色的好壞一般采用3個指標(biāo)：色溫、顯色性和光效。LED光源相對于傳統(tǒng)光源而言，最大的優(yōu)勢在于它比傳統(tǒng)光源更加節(jié)能。隨著LED芯片技術(shù)和各種熒光粉技術(shù)的發(fā)展，目前市場上存在的LED（包括車規(guī)級LED光源）的光效普遍可以達到100lm/W以上，部分可以達到140，甚至160lm/W。相對于傳統(tǒng)白熾燈，LED光源的光效優(yōu)勢十分明顯。但是要想獲得與傳統(tǒng)白熾燈可以媲美的白光LED，依然是一個難題。在汽車照明中，雖然GB 4785—2019規(guī)定了各個功能所需要達到的色溫和顯色性要求，例如家用照明光源的色溫要求不高于5000K，顯色性要求一般是顯色指數(shù)Ra＞80，道路照明光源的要求是4000±50K。因此，控制好白光LED的色溫，提升白光LED的顯色性變得非常重要。

4 基于某H項目的LED光導(dǎo)點亮泛黃原因分析

4.1 H項目的開發(fā)背景

H項目是一個全球開發(fā)車型，其前照燈位置燈分為兩部分：位于前照燈內(nèi)部位置燈（厚壁注塑光導(dǎo)）和獨立于前照燈之外的位置燈（厚壁注塑光導(dǎo)）。前照燈內(nèi)部的光導(dǎo)為45°傾斜布置，從上向下為直線型。獨立于前照燈之外的位置燈位于前照燈上方，從左到右為一種弧形結(jié)構(gòu)。在開發(fā)階段，從車輛正前方看，上下兩部分位置燈點亮后，點亮效果均勻，且均為純白光。但從側(cè)面（45°角度）看，位于前照燈內(nèi)部的位置燈點亮呈現(xiàn)出肉眼明顯可視不均勻的泛黃效果。而獨立于前照燈之外的位置燈點亮效果要明顯好于前照燈內(nèi)部的位置燈，引起客戶抱怨。

4.2 光導(dǎo)材料本身泛黃

車燈光導(dǎo)材料一般采用PC材料。PC材料的光導(dǎo)板偏黃的原因是因為生產(chǎn)導(dǎo)光板或?qū)Ч獠考谧⑺軙r沒有添加Polymsj導(dǎo)光劑。普通PC的導(dǎo)光板在20cm以外的距離，光線會逐漸偏黃，而我們需要的是純凈的白光。這種偏黃，主要是因為PC料在注塑時沒有添加指定的導(dǎo)光劑而產(chǎn)生的，這種Polymsj導(dǎo)光劑添加量非常小，添加前后在LED未點亮?xí)r看不出任何區(qū)別。當(dāng)LED點亮?xí)r，導(dǎo)光板的光線會有很大的區(qū)別。

4.3 造型因素

車燈造型與人的視覺感知存在一定的關(guān)系，同一車燈不同的造型給人的感知存在差異。這種感知差異主要體現(xiàn)在亮度、光色和點亮均勻性等方面。比如，對于前照燈中的位置燈而言，造型為直線型的LED光導(dǎo)結(jié)構(gòu)（如位于前照燈內(nèi)部）和造型為弧面結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)結(jié)構(gòu)（位于前照燈外部）組合成一個組合位置燈時，用戶從不同的角度可能看到不同的點亮效果，如某些區(qū)域點亮亮度不均，某些區(qū)域呈現(xiàn)光導(dǎo)泛黃、偏暗等問題。這就要求在造型概念設(shè)計階段，要保證在一個組合燈內(nèi)，各部分的造型基本一致，這樣才能保證用戶從同一視覺方向看過去，LED光導(dǎo)點亮效果是均勻的。

4.4 結(jié)構(gòu)差異

根據(jù)LED發(fā)出的光導(dǎo)入厚壁光導(dǎo)的方式，可以將厚壁光導(dǎo)的發(fā)光方式分為直射式和側(cè)發(fā)光式，如圖1和圖2所示。假設(shè)LED本身帶有少量的黃色光，對于直射式，會導(dǎo)致黃色熒光粉投影后，從車身側(cè)面看到發(fā)黃現(xiàn)象（熒光粉倒影）。采用側(cè)發(fā)光方式（反射式），黃色熒光粉經(jīng)過一次反射后，不會直接投射到可視面，故從車身側(cè)面看不到發(fā)黃現(xiàn)象。

圖1 直接發(fā)光式

圖2 側(cè)發(fā)光式

4.5 LED的色度擋位選擇不當(dāng)

同一款白光LED生產(chǎn)過程中，通常會出現(xiàn)很多色度擋位，有些偏黃，有些偏藍。如圖3所示，當(dāng)M1，M2區(qū)域為純白光（色溫約5500K）時，L1，L2則為偏暖色（黃）的白光；而N1，N2，P1，P2為偏冷色（藍）的白光。其中，P1，P2比N1，N2更趨于藍色。如果理論定義為純白光，M1或M2是最佳的供貨色度擋位。但對于LED廠家而言，對于同一種型號的LED，如果僅供貨一種色度擋位的LED，勢必造成其他所有擋位的LED報廢，這樣成本將非常高，所以一般LED廠家會在供貨M1或M2的同時，也對L1，L2，N1，N2等供貨，以便盡可能減少報廢的LED數(shù)量。當(dāng)廠商在使用L1或L2色度擋位LED時，就有可能出現(xiàn)LED點亮泛黃的問題。

圖3 色度擋位

4.6 LED本身的結(jié)構(gòu)決定

如圖4所示，藍色部分為藍光LED芯片，黃色部分為黃色熒光粉。a，b線區(qū)域為藍光LED的發(fā)光邊界，即在a，b線以上LED發(fā)出的藍光會與黃色熒光粉混合后形成白光。在a，b線以下，由于光線的反射作用，此區(qū)域的光線很弱，藍光不能與黃色熒光粉充分混合，因而會逐漸形成黃色的邊界，離LED芯片中心區(qū)域越遠(yuǎn)，光線就表現(xiàn)得越黃且變暗，以至最終變成黑色區(qū)域。如圖4所示。

圖4 LED點亮泛黃的機理

4.7 溫度的影響

LED是一個溫濕敏感元件，溫度對其光通量尤其敏感。一般而言，當(dāng)環(huán)境溫度達到70～80℃時，LED的光衰會達到20%～30%左右。對于藍光LED而言，同樣也存在光的衰減。當(dāng)LED藍光衰減后，藍光與黃色熒光粉不能很好混合，導(dǎo)致圖4中黃色增多。在這種情況下，通過厚壁光導(dǎo)后，就會呈現(xiàn)黃色現(xiàn)象。

5 消除厚壁光導(dǎo)點亮泛黃的對策

5.1 提高電流

由于白光是藍光和黃色熒光粉混合的結(jié)果，提高藍光LED的輸入電流后，藍光LED發(fā)出的光更強，這樣藍光與黃色熒光粉可以實現(xiàn)更加充分的混合，即藍光和黃色熒光粉的混合效率可以得到很大的提升。從圖4可以看到，混合后的白光打到光屏上，整體效果更白，但是周圍一圈仍然會呈現(xiàn)一圈黃色光斑，與電流提高之前相比，黃色光斑會減少。另外，當(dāng)LED的正向電流增加10mA后，根據(jù)LED的顯示波長（色彩）與正向電流的關(guān)系曲線（圖5），其正向電壓變化的范圍為800mV，白光LED工作電壓的變化會改變其發(fā)光的色彩（從波長較長的顏色逐漸變化為波長較短的顏色，即由暖色逐漸向冷色轉(zhuǎn)變），這主要因為工作電壓的變化改變了正向電流。對于不同的白光LED，其電流-電壓特性也會呈現(xiàn)較大的差異。這就是為什么當(dāng)白光LED的電流提高后，除了視覺感知更加刺目以外，整體效果會更白。

圖5 LED顯色波長（色彩）與正向電流的關(guān)系曲線

5.2 將直接發(fā)光變?yōu)閭?cè)面發(fā)光方式

從前面的分析可以看出，采用直射發(fā)光方式，LED發(fā)光的白光（周圍一圈帶黃色光斑）通過厚壁光導(dǎo)后，相當(dāng)于通過一個透鏡對黃色光斑區(qū)域進行了放大，因而會呈現(xiàn)發(fā)黃現(xiàn)象。如果將LED與厚壁光導(dǎo)設(shè)計成帶一定角度的側(cè)發(fā)光方式，由于光線傳播方向發(fā)生了改變，其發(fā)黃的程度也會有很大的改善。當(dāng)然，采用側(cè)發(fā)光的方式，所需要的設(shè)計空間更大，因此在設(shè)計階段，要詳細(xì)核實空間是否足夠。

5.3 更換LED

由于白光是藍光LED表面增加一層黃色熒光粉后進行混合形成的。從圖4可以看出，如果將熒光粉的高度h適當(dāng)降低，即將藍光LED與黃色熒光粉不充分混合的區(qū)域適當(dāng)降低，則白光周圍一圈的黃光光斑會有所減少，通過厚壁光導(dǎo)后，其發(fā)黃的視覺效果也會有很大程度的減輕。更換LED一般采用兩種方式，一是將LED的色度擋位更改為偏白的色度擋位，二是選擇高度h盡可能小的LED。另外選擇帶環(huán)形硅膠膜的LED（圖6），硅膠膜（TiO）的作用在于將LED發(fā)光區(qū)域周圍的黃暈屏蔽掉，這樣LED得到的光即為純白光。

圖6 帶硅膠膜的LED

5.4 增加皮紋

皮紋的作用是將光打散后重新混合。一般而言，LED發(fā)出的光經(jīng)過厚壁光導(dǎo)后，如果厚壁光導(dǎo)的入射表面是一個光滑的表面，則此時光在光導(dǎo)表面的傳播主要是折射和反射，但更多的成分是折射。如果將厚壁光導(dǎo)的入射表面增加皮紋后，則入射表面變成一個凸凹不平的表面，此時雖然傳播方式仍然是折射和反射，但是光被反射的成分相對于未加皮紋的表面會增多，折射的成分會降低。在這種情況下，對同一個光源，通過厚壁光導(dǎo)后的光通量降低，因而增加皮紋后的光導(dǎo)亮度會所有降低。另外，增加皮紋后，由于光的反射作用增強，白光中的黃色成分也會通過反射而降低，因而增加皮紋后，點亮后的效果會更白。

5.5 更換光導(dǎo)材料

目前厚壁光導(dǎo)一般采用PC和PMMA兩種材料。PC材料略偏黃，需要在注塑過程中增加導(dǎo)光劑。PMMA材料更純白一些，但PMMA的耐溫極限溫度比PC略低一些。因此，在耐候性能保證的前提下，壁光導(dǎo)采用PMMA材料可以幫助得到更加純白的光。

6 結(jié)論及展望

通過上述措施嘗試后發(fā)現(xiàn)，LED本身點亮泛黃是根本原因，采用皮紋的方式可以很好地改善（不是消除）光導(dǎo)點亮泛黃的問題。其他措施雖然在本項目（處于工業(yè)化階段）未看到較為明顯的改進效果，但是在設(shè)計階段，如果能充分考慮這些因素，LED光導(dǎo)點亮泛黃的問題就能從根本上解決。因此，本項目中所提供的解決方案，對整個項目的設(shè)計以及后續(xù)的品質(zhì)改進都具有重要的意義。

隨著技術(shù)的進步，白光LED將更多地得到普及和應(yīng)用。未來白光LED發(fā)展趨勢為：①提高發(fā)光效率，目前的指標(biāo)為15lm/W，未來期望為100lm/W；②開發(fā)GaN無機UV-LED短波激發(fā)光源，目前的指標(biāo)為460nm，未來期望為254nm；③提高外部量子轉(zhuǎn)化效率，由目前的10%提高到40%；④提高熒光材料的能量轉(zhuǎn)化效率，由目前的60%上升到90%；⑤不斷降低成本，由目前的0.5$/lm降低到0.0005$/lm。