高演色LED照明技术发展趋势二
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二、LED白光与演色性
由于LED晶粒磊晶技术尚无法达到在单一颗晶粒中发出可见光全波段(380～780nm)波长，无论是二元机台、四元机台，皆仅能形成全波段波长中单一波段、单一色彩光源，因此目前LED晶粒材料为达到全波段、高演色性及白光合成目标，皆需仰赖不同色彩LED晶粒同时使用，或者使用发光体激发荧光粉造成波长转化方式合成LED白光。
(一) LED白光混合方式
LED组成白光方式，总论来说可分为二波长型与三波长型2种，而无论是二波长或三波长型白光混合方式，皆又以单晶粒混合荧光粉方式组成及多晶粒型方式组成。无论那种合成方式，LED白光组成方式皆是以红+绿+蓝为基础，变化衍生出白光合成技术。
图三整理4种目前常见的LED混合白光方式，其中类型一为最典型白光合成方式，由红色、绿色及蓝色LED组合成的封装芯片，因受限于不同波长光源需驱动电压之差异造成的技术性成本限制，虽然直接由RGB 3色LED所组成之LED白光质量佳，但因成本高、技术困难导致良率低、固障率高、易在冷热流明环境下产生色坐标偏移问题，因此虽然类型一的白光混合方式产生的波长演色性高，但实际使用率却极少。
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图5、常见LED混合白光方式，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08
类型二使用蓝色LED加上黄色荧光粉的白光混合方式，为最常使用之白光合成方式。其使用荧光粉钇铝石榴石(YAG)为Nichia专利，另外还有Osram专利的硅酸盐荧光粉(TAG)配方，但目前仍以黄色荧光粉加上蓝色LED合成白光LED为最普遍使用方式，其具成本低、单一使用蓝光晶粒无驱动电压问题、无冷热流明色偏移特性。缺点则在于演色性较低，通常CRI约70且R9=0，因此仅适用于LED高色温照明产品(大于5000～6500K)应用。
类型三为台厂晶电所推广之白光LED合成方式，主打色温2700K市场，采用红色LED加蓝色LED混合绿色荧光粉方式，合成低色温LED白光技术，因少了绿色LED，相较于RGB LED晶粒封装的电源驱动问题容易许多，且红光LED直接补足蓝光LED加黄色荧光粉红色波长缺段的缺点，因此平衡类型一及类型二的技术及演色性问题。
但由于绿色荧光粉本身无法被红光波段所激发，因此若采用此配方合成出之低色温白光，恐怕会衍生另一层面光效亮度减损问题，红光受到绿色荧光粉覆盖所衍生光效减损率约70%左右，但此问题有望随着LED晶粒亮度提高减缓。类型三为类型二及类型一的折衷选择方案，在发光演色性方面，类型三因直接使用红光LED提高红色波长演色性，加上蓝色LED既有的发光波段，因此封装理想CRI值最高可达到90以上，但实际上仍存有技术性问题。
而类型四为使用UV LED加上RGB荧光粉所合成之白光技术，相较于类型二仅能做出理想的高色温白光及类型三的低色温白光，类型四的白光技术可由调整RGB荧光粉比例来调整白光色温，且使用波长单一晶粒不受驱动电压不同影响，具备色度稳定、发光波长广等优点特性，为4种类型中演色性最理想，且色彩表现最接近太阳自然光之白光技术。然UV LED因波长短、能量高而衍生能量难以控制的问题，传统的环氧树脂封装的寿命较短，长期使用封装体易出现脆化、UV能量外泄等可靠度问题，一般来说UV LED普遍采用玻璃封装，直接限制封装可容规格及材料选择。材料限制与能量难以控制，导致UV LED虽然合成白光质量佳，却难以普遍应用于要求低危险、可靠度佳的一般照明市场。
(二) 过去LED白光应用为何不受限于演色性问题影响
LED具有亮度足够、寿命长、体积小、耐震度高、节电、单一波长及色彩等特性，过去LED满足各类型光源应用市场，如红绿灯、交通号志、显示广告牌、户外显示屏幕、手机背光、TV背光等。然而，从这些应用类型中可发现，这些LED传统应用类型皆使用LED做为主动发光体，而非光源与照物关系。因此过去LED主流的应用市场，对LED光源带来被照物的色彩饱和及还原演色性，都无任何要求。
图6、LED波长与适用产品说明
应用市场差异与照明应用对光质量的期待，为影响LED开始注重演色性、全波长等因素的主因。过去的各项应用如TV与彩色面板手机，在色彩变化上，使用彩色滤光片进行红绿蓝色彩处理，做为背光源的LED仅需提供高度足够的白光即可，不涉及LED本身演色性问题。而交通号志灯、指示灯、特殊波长医疗应用等，也因LED本身特性可提供单一色彩波长且亮度足够，而被广大使用。
至于车用照明，因道路需求无涉及演色性问题，车用照明仅对照明光源有安全性、高亮度、可靠度及耐受度需求，对色彩还原程度并无要求;常被应用于道路使用的水银灯、高压钠灯，也不应其低演色性影响应用市场范围。最后，LED在户外大型显示屏幕应用，虽然也以红绿蓝3种LED芯片做为颜色调整方式，但因户外大型显示屏幕的体积面积大，色域广度问题可不受限于窄小空间，更可链接驱动IC进行调节，因此不受演色性问题所影响。
三、色坐标偏移为LED白光在照明应用中难以解决的问题
前段讨论了白光与色温合成的比重方式，但无论何种白光合成，或者是色温合成方式，在LED照明应用方面，色坐标偏移一直是各家厂商在技术研发上积极寻求突破的重要目标。
图7、色坐标偏移分析说明，Source：CIE;拓墣产业研究所整理，2012/08center>
根据Energy Star及CIE对于色坐标偏移的容忍值以同一色温中，色温中心点为基础的上下左右4个象限为范围，图六及图二2张图片皆来自于CIE，其色坐标轴上的X与Y轴可相互对应。无论是图六或图二，色坐标轴的意义皆说明红绿蓝3种颜色的混合关系，以及不同色温环境下红蓝绿所占比例。
由于不同颜色的LED在冷热环境中所散发的能量波长不同，为达高演色性又必须混合红、绿、蓝3种颜色，红光、绿光与蓝光在不同温度下所散发出的波长不同，加上不同颜色芯片可承受环境温度不同，从冷流明到热流明稳定的时间也不同，因此冷热流明的色坐标偏移成为难解问题。
红光通常较蓝光在冷热环境下早达到色饱和稳定情形，若以一般灯具设计为例，从点灯开始为冷流明至光源的散热模块达到热传导平衡为热流明值，因红光的耐热极限点较蓝光早达到，因此红光达到热流明的波长能量散发也较蓝光提早。而在计算LED红绿蓝3色的演色、光谱及流明变化，是以三者在相同环境下的变异情况为考虑，因此红绿蓝受温度影响的变化不同，色彩光谱变化也无法呈现一致性共变情形，而导致色坐标偏移情形发生。
这种冷热流明变化的情形，经常在使用多晶LED混合白光类型中发生，并且红光导致色坐标偏移情形尤为严重，因此衍生直接使用红光LED提高CRI指数方式虽直接又便宜，但技术上面对Energy Star或各区域照明标准检验时，又难以控制及通过。厂商为演色性提高问题，经常必须面临蓝色加红色荧光粉降低流明/瓦及色偏移严重两难。
四、TRI观点
演色性直接影响照物在灯光下原始颜色的还原能力，因此演色性决定光源的适用场所，尤其是在博物馆、表演厅、百货公司、艺廊等对色彩要求较高的场所，演色性成为光源要求的重要项目。因此LED为了成为全面性取代各类型光源及白炽灯、高耗能光源(如卤素灯)的取代品，在光源特性上除了须满足荧光灯管特性外，还须以符合白炽灯光源特性。
而LED在演色表现上较白炽灯差的主因在于，以蓝色LED为基础加上黄色荧光粉的白光合成方式，因在色彩表现上欠缺红色及绿色，以致于颜色偏冷，对照物的红色及绿色的色彩还原逼真度差。
LED组成白光方式分为二波长型与三波长型2种，无论是二波长或三波长型白光混合方式，皆又以单晶粒混合荧光粉方式组成及多晶粒型方式组成，其基础皆是以红+绿+蓝为基础，变化衍生出白光合成技术。
根据Energy Star及CIE对于色坐标偏移的容忍值以同一色温中，色温中心点为基础的上下左右4个象限为范围。由于不同颜色的LED在冷热环境中所散发的能量波长不同，为达高演色性又必须混合红、绿、蓝3种颜色，不同颜色芯片可承受环境温度不同，从冷流明到热流明稳定的时间也不同，因此冷热流明的色坐标偏移成为难解问题。
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