LED一定頻閃和藍光？不，我們不一樣！

01-27

2017年的「3·15」晚會曾曝光了市面上一些 LED 檯燈存在頻閃問題，會導致孩子視覺疲勞甚至頭痛，這著實讓老百姓們感到十分擔心。

其實，「頻閃」並不是一個貶義詞。目前，幾乎所有電力站提供的城市用電均是交流電。交流電的發電原理決定其具有周期性，每秒50或60個周期，通常用頻率為50或60赫茲表示，這就導致照明和顯示電器均存在頻閃現象，如生活中的電視機、電腦顯示器、熒光燈、 LED 燈。在長時間的觀看電視、使用電腦或照明環境中，頻閃會引起視覺疲勞、視力損害，對光比較敏感的特定人群，甚至還會引起癲癇、偏頭痛等疾病。因此，照明和顯示電器需要通過增加電容、改善電器電路等方法調節工作電流來降低或消除頻閃，如國際照明標準規定頻閃小於10%才能滿足應用要求。頻閃雖然可以消除，但電器成本也相應增加。由於市場競爭、利潤空間等因素，許多生產者製造出不滿足要求的劣質 LED 燈，導致市場上 LED 燈價格不等、質量參差不齊。

除了頻閃，藍光危害也是 LED 存在的問題之一。市場上的 LED 燈普遍是通過 LED 晶元發出的藍光和熒光粉的發光複合獲得白光。 LED 晶元發出的藍光通常較強，長時間較強的藍光輻射會引起視網膜黃斑病變，這種危害對正處在成長期的兒童的視力損害更大。

LED 可能存在這麼多風險，是不是我們都不應該用 LED 了？那可沒必要，自2014年諾貝爾物理學獎得主發明的藍光 LED 以來，人類進入了照明新時代。 LED 作為全固態照明器件，具有體積小、壽命長、高效、節能、環保等諸多優點。節能就是其最大的優點之一，歐普照明公司曾在2017全國節能宣傳會上表示：「如果所有路燈都換成 LED 燈，每年節省的電量相當於3個三峽電站的年發電量。」

近年來，科學家們對藍光危害和頻閃的關注越來越多，也做出了很多探索。最近，中國科學院寧波材料技術與工程研究所光電功能材料與器件團隊就在這方面有了新成果。他們開發出一種新型的熒光粉，可以解決人們所擔憂的藍光危害和頻閃問題。

圖1. 相關成果發布在 Advanced Optical Materials、Journal of Materials Chemistry C、Chemical Communications 等國際期刊上

熒光粉具有波長轉換功能，在決定 LED 白光性能如顯色指數、色溫、效率等方面起著重要作用，是 LED 照明器件的關鍵材料之一。科學家們一直在探索研發更高效率和熱穩定性更好的熒光粉。「中東有石油，中國有稀土。」稀土作為戰略資源，也是熒光粉的核心材料，開發高端熒光粉也是實現我國稀土高值化應用的有效途徑之一。

寧波材料所的科學家們從材料晶體結構設計出發，開發出一種全新的硅酸鹽材料 BLS 。然後，他們採用稀土離子 $Ce^{3+}$ 作為激活劑，獲得一種具有寬頻發射特性，光譜同時包含藍、綠光成分的新型青色熒光粉 BLS: $Ce^{3+}$ 。

這種青色熒光粉的發光效率高達90%；在溫度85℃、相對濕度85%條件下放置1600小時以上，其發光效率減小量小於10%；在160℃時，發光效率減小量僅為6%，表現出良好的抗濕熱環境穩定性和熱穩定性。僅採用該青色熒光粉與紅粉複合，即可在近紫外 LED 晶元上獲得顯色指數90以上的高品質白光（圖2）。這為保障 LED 白光品質的同時降低藍光危害提供了一種工作思路。

一般而言，稀土發光材料的發光強度會隨著溫度的升高出現下降趨勢，表現為發光熱猝滅。LED 燈工作時，其發光晶元的溫度可達100℃以上，大功率 LED 燈的溫度甚至高達150℃。熒光粉的發光強度在高溫時下降越小， LED 燈的發光效率才能越高。因此，為保障 LED 燈工作時的發光效率，這就要求熒光粉具有較小的發光熱猝滅，即具有很好的發光熱穩定性。通常發光熱猝滅是由於發光中心的電子能量不再以光的形式釋放出來，而是通過電子和聲子相互作用後以熱的形式釋放出來。科學家們基於對 BLS 第一性原理電子結構的計算和理解，結合光譜學的實驗表徵手段，提出一種計算寬頻隙無機非金屬材料基體帶隙的方法，並揭示了材料發光的熱穩定性機理，除了由熱引起的電子和聲子相互作用可引起發光猝滅外，由熱引起的材料吸收率下降是導致發光材料熱猝滅的另一個原因。

根據 LED 照明工藝特點，通過電器方法調節 LED 工作電流解決頻閃，類似於交、直流轉換，存在能量利用率低、器件使用壽命短等問題。而通過光學方法，利用熒光粉的餘輝特性補償發光、降低頻閃，不會引起電路和器件結構的任何變化。因此，餘輝熒光粉是解決頻閃的最佳方法。

$GAGG:Ce^{3+}$ 黃色餘輝熒光粉的激發光譜與 LED 晶元發光相匹配，在降低交流 LED 頻閃效應中有積極作用。而目前報道的該熒光粉發光內量子效率約為45%，該團隊通過工藝優化將 $GAGG:Ce^{3+}$ 發光內量子效率提升至82%，這為解決交流 LED 頻閃問題提供了一種具有潛在價值的稀土發光材料。

我們可以憧憬一下，開發具有特殊的餘輝效應和豐富的光譜成分等性能的高品質熒光粉，不僅可以實現稀土資源的高值化利用，促進企業的轉型升級，還可以顯著降低 LED 燈的成本，在保證照明質量的前提下，讓 LED 燈走進千家萬戶，這樣我們就不用再擔心頻閃和藍光影響視力的問題了。

作者：劉永福

來源：中國科學院寧波材料技術與工程研究所