白光LED，發(fā)出LED的藍(lán)光和主要來(lái)自熒光粉的黃光的組合，是許多照明燈具核心的成熟技術(shù)。當(dāng)幾個(gè)LED組合在一個(gè)燈具中時(shí)，白色固態(tài)燈可以產(chǎn)生足夠的照明以與白熾燈泡相媲美，同時(shí)運(yùn)行效率更高，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)。

然而，在持續(xù)推動(dòng)更高功效白色LED是一個(gè)絆腳石。磷光體非常接近模具，材料發(fā)出的一些光子直接返回LED并被吸收，顯著降低了潛在的光度。

本文介紹了替代技術(shù)的發(fā)現(xiàn)和商業(yè)化解決了這個(gè)問(wèn)題。被稱為“遠(yuǎn)程熒光粉”的技術(shù)現(xiàn)在可供希望提高產(chǎn)品功效的設(shè)計(jì)師使用，同時(shí)受益于可注塑成多種形狀的材料的優(yōu)勢(shì)，以提高照明的美感。

追逐效率

LED仍然是一項(xiàng)年輕的技術(shù)，但是很快就會(huì)成熟。例如，在照明領(lǐng)域，分析師DisplaySearch指出，雖然2010年LED滲透率僅限于1.4％，但到2014年將擴(kuò)大至9.6％。 1

市場(chǎng)份額的快速增長(zhǎng)部分是由于價(jià)格下跌，部分是由于效率的提高。這意味著每個(gè)燈具需要更少，更便宜的LED來(lái)產(chǎn)生與幾年前相同的發(fā)光度（或者相同的數(shù)量可以為相同的功率輸入產(chǎn)生更亮的光）。

例如，最新一代的歐司朗OSLON SSL聲稱效率比上一代提高了25％，在350 mA時(shí)效率為116流明/瓦。

然而，達(dá)到這一點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了這一點(diǎn)。沒有簡(jiǎn)單的任務(wù)。主要的LED公司已經(jīng)在R＆amp; D上投入了數(shù)億美元來(lái)提高其芯片的功效（參見TechZone文章“LED功效改進(jìn)顯示沒有減緩的跡象”）。白光LED尤其成為這項(xiàng)支出的重點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兲峁┝艘环N直接替代白熾燈，鹵素?zé)艉蜔晒鉄舻葌鹘y(tǒng)光源的方法。

話雖如此，卻沒有這樣的東西。作為直接發(fā)出白光的LED。相反，通過(guò)組合來(lái)自紅色，綠色和藍(lán)色芯片的光線產(chǎn)生光，使得組合對(duì)于眼睛看起來(lái)是白色的，或者更常見地在照明應(yīng)用中，通過(guò)使用來(lái)自藍(lán)色LED的輸出然后斯托克斯移位使用包含摻雜有稀土元素鈰的釔鋁石榴石（YAG）的磷光體的光。這種熒光粉吸收LED中的一些藍(lán)光，然后在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)重新發(fā)光，包括一些綠色和紅色，以及大量的黃色。來(lái)自LED的藍(lán)色和來(lái)自熒光粉的黃色的組合看起來(lái)是白色的。

生產(chǎn)白色LED的最常見制造技術(shù)是將熒光粉均勻地懸浮在封裝環(huán)氧樹脂中，然后用于涂覆模具。 Cree廣受歡迎的XLamp XT-E白光LED以這種方式制造（圖1）。

圖1：在許多白光LED中，熒光粉是懸浮在覆蓋模具的封裝環(huán)氧樹脂中。 （由Cree提供。）

重塑LED

美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院的研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)重大研究，以確切了解白光LED中磷光體和環(huán)氧樹脂的變化，以期提高芯片的功效和壽命。 （LED的壽命通常是因?yàn)樗枰O(shè)備下降到它的光度的70％的新時(shí)（見技術(shù)展區(qū)文章的時(shí)間開始測(cè)量的“確定LED額定壽命：一個(gè)棘手的挑戰(zhàn)”）

在研究人員首先指出，用不含磷光體的環(huán)氧樹脂覆蓋的藍(lán)色LED比同等功率白光設(shè)備的壽命更長(zhǎng)。每個(gè)系列之間的唯一區(qū)別是用于轉(zhuǎn)換白光LED中藍(lán)光的YAG熒光粉。熒光粉本身非常穩(wěn)定因此，研究人員將其作為降解的來(lái)源，并將其作為降解的來(lái)源，而是利用射線路徑分析得出熒光粉發(fā)出的光的一部分，以及來(lái)自LED的未轉(zhuǎn)換的短波長(zhǎng)（藍(lán)色）光。 ，在環(huán)氧樹脂和組件中的反射器之間循環(huán)，導(dǎo)致環(huán)氧樹脂降解。更糟糕的是，由于光線位于靠近LED的連接處，光環(huán)流的區(qū)域處于相對(duì)較高的溫度，進(jìn)一步增加將環(huán)氧樹脂變黃并降低光度。

通過(guò)將熒光粉層從模具中移開，研究人員增加了LED的使用壽命。但是研究人員還表明，雖然這是一個(gè)積極的結(jié)果，但是將熒光粉自身從模具中移開并不一定能夠大幅提高效率。這是因?yàn)殡m然已經(jīng)從LED移開的來(lái)自磷光體的后向散射光未被重新吸收到管芯中，但它仍然可能不會(huì)從封裝中逸出，而是被困在磷光體和封裝的反射內(nèi)表面之間。研究人員發(fā)現(xiàn)，高達(dá)60％的LED發(fā)光可以這種方式再循環(huán)（圖2）。

圖2：?jiǎn)为?dú)使用遠(yuǎn)程熒光粉因?yàn)閬?lái)自磷光體的光可以保留在包裝中，所以可能僅略微提高功效。 （Rensselaer工學(xué)院禮貌。）

藥效顯著改進(jìn)是通過(guò)除去反射表面，與透射光學(xué)替換它，以便背散射的光子可以從裝置的側(cè)面逸出，并有助于實(shí)現(xiàn)光度。在改進(jìn)的器件中，熒光粉位于器件頂部的一層，晶體被重新整形，使反射光子更容易逸出（圖3）。

圖3：Rensselaer工學(xué)院的遠(yuǎn)程磷光體的LED的位置的磷光體遠(yuǎn)離所述管芯和使用改性光學(xué)器件以提高光子提取

倫斯勒聲稱相比商業(yè)白色LED，原型。其所謂的散射光子提?。⊿PE）LED技術(shù)的效率提高了30％至60％（lm/W）。 2

主要LED制造商Cree也表現(xiàn)出色用于比較傳統(tǒng)白光LED與遠(yuǎn)程熒光粉類型的輸出的測(cè)試。使用該公司XLamp XT-E產(chǎn)品系列的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。 Cree的白光LED采用與藍(lán)光芯片完全相同的制造工藝制造 - 發(fā)出相同波長(zhǎng)和輻射通量功率的光 - 但在額外的工藝步驟中涂有熒光粉。

對(duì)于測(cè)試，公司使用了兩組3×3 LED陣列。一組包括白色LED，其他藍(lán)色LED由遠(yuǎn)程定位的盤覆蓋，采用與白色LED中使用的相同的磷光體。陣列安裝并以700 mA驅(qū)動(dòng)，標(biāo)稱輸出約為1,400 lm，并保持穩(wěn)定約30分鐘。

白色LED的輸出測(cè)量為1,146 lm，而藍(lán)色LED和遠(yuǎn)程熒光盤產(chǎn)生1,324流明 - 改善約15.5％。這個(gè)數(shù)字是比由倫斯勒，這可能是由于這樣的事實(shí)，Cree公司的實(shí)驗(yàn)裝置不包括學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的改性透射光學(xué)幾何權(quán)利更低。

除了這個(gè)實(shí)驗(yàn)工作，Cree公司正在幫助通過(guò)推廣其皇家藍(lán)色X-Lamp XT-E LED以及遠(yuǎn)程熒光粉專利許可計(jì)劃來(lái)刺激遠(yuǎn)程熒光粉市場(chǎng)。由于技術(shù)原因，沒有規(guī)定皇家藍(lán)色LED的功效（lm/W）;相反，輻射度單位的效率是產(chǎn)品比較的首選參數(shù)。皇家藍(lán)色XT-E LED在350 mA驅(qū)動(dòng)電流和85°C工作溫度下可產(chǎn)生501 mW/W的光通量。

遠(yuǎn)程熒光粉LED的商業(yè)化

美國(guó)的LED熒光粉生產(chǎn)商Intematix以其ChromaLit技術(shù)為基礎(chǔ)，建立了倫斯勒理工學(xué)院的研發(fā)。該產(chǎn)品使用遠(yuǎn)程熒光粉方法生產(chǎn)公司所說(shuō)的系統(tǒng)效率比同類白光LED系統(tǒng)高30％。

對(duì)于其ChromaLit產(chǎn)品，Intematix將熒光粉復(fù)合材料放置在單獨(dú)的基板上在被藍(lán)色LED能源激發(fā)時(shí)發(fā)出白光（該公司沒有制造自己的LED）。

在接受科學(xué)美國(guó)公司采訪時(shí)， 3 公司首席執(zhí)行官M(fèi)ark Swoboda聲稱通過(guò)將能源與發(fā)光熒光粉分離，ChromaLit使照明系統(tǒng)制造商能夠在照明燈具的使用壽命內(nèi)保持穩(wěn)定的熒光粉性能。

Swoboda說(shuō)另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是制造商擁有更多的設(shè)計(jì)靈活性因?yàn)樵摴镜臒晒夥蹚姆勰┳兂深w粒，可以注塑成不同的形狀或墨水，可以用來(lái)涂覆覆蓋藍(lán)色光源的塑料盤。圖4顯示了使用藍(lán)色LED，混合室，ChromaLit光盤和一些光學(xué)元件的夾具的一種布置。

圖4：LED燈具使用ChromaLit光盤構(gòu)建。

ChromaLit遠(yuǎn)程熒光粉光源有多種形狀，色溫和顯色指數(shù)（CRI）。該產(chǎn)品適用于諸如井下，點(diǎn)式，柜式，線性，任務(wù)，區(qū)域，天花板和工業(yè)照明系統(tǒng)等應(yīng)用（圖5）。

圖5：ChromaLit磷光源可用于許多應(yīng)用。

成本節(jié)約的途徑

白光LED是一項(xiàng)成熟的技術(shù)，盡管倫斯勒理工學(xué)院的研究結(jié)果表明，將磷光體與環(huán)氧樹脂混合然后直接覆蓋模具會(huì)降低功效并縮短壽命，現(xiàn)代設(shè)備的功效為100 lm/W或更高，壽命超過(guò)50,000小時(shí)。

一些工程師建議，使用藍(lán)色設(shè)備更換白色LED時(shí)，15％到20％的功效會(huì)增加照明燈具的效率通過(guò)將例如兩個(gè)白色LED形式的成熟技術(shù)添加到八LED光引擎中并且節(jié)省光盤的成本，可以很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程磷光盤。

然而，雖然添加更多白色LED無(wú)疑會(huì)增加亮度，但它們對(duì)功效無(wú)效。此外，額外的設(shè)備會(huì)增加熱負(fù)載和電負(fù)載，這可能需要更強(qiáng)大（因而更昂貴）的驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備和散熱器。

此外，替代系統(tǒng)的遠(yuǎn)程熒光盤的額外成本通過(guò)消除對(duì)傳統(tǒng)白色LED燈具中通常使用的漫射器的要求，在某種程度上被否定了。此外，藍(lán)色LED通常比白色設(shè)備便宜，因?yàn)樗鼈儾皇褂萌魏螣晒夥?，或者需要如此?yán)格的裝箱要求（參見TechZone文章“解碼LED箱標(biāo)簽”）。

遠(yuǎn)程熒光粉技術(shù)確實(shí)提供了具有固定光度規(guī)格的燈具節(jié)省成本的途徑。由于該技術(shù)承諾提高15％至20％的功效，燈具制造商可以用藍(lán)色LED版本取代白色LED光引擎，包括更少的芯片但仍保證相同的發(fā)光度。通過(guò)使用更少的芯片，固定裝置的熱量減少，允許使用更?。ê透阋耍┑纳崞?。

將固定遠(yuǎn)程熒光粉盤給消費(fèi)者的固定裝置有一個(gè)潛在的美學(xué)缺點(diǎn)（再次參見圖5），這是它的黃色。許多消費(fèi)者更喜歡傳統(tǒng)LED燈具的白色漫射器的白色。

進(jìn)入主流

使用涂有磷光體的藍(lán)色骰子制造的白色LED已被證明是一種有用的技術(shù)，具有很高的功效。 100 lm/W和更高，壽命為50,000小時(shí)加。但就像LED技術(shù)的每一個(gè)元素一樣，提高效率的動(dòng)力促使科學(xué)家和工程師質(zhì)疑當(dāng)前的做事方式。

倫斯勒理工學(xué)院的研究表明，將熒光粉從模具中移開是一個(gè)改善療效的方法。現(xiàn)在有商業(yè)解決方案可以將這個(gè)概念以遠(yuǎn)程熒光盤的形式付諸實(shí)踐。這些光盤 - 與新一代皇家藍(lán)色LED相結(jié)合 - 使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)減少維持特定光度所需的LED數(shù)量來(lái)創(chuàng)建更亮的照明燈具或降低現(xiàn)有燈具的擁有成本。

As然而，沒有LED供應(yīng)商將遠(yuǎn)程熒光粉，皇家藍(lán)光LED和透射光學(xué)元件組合在一個(gè)封裝中，正如倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）提出的那樣，以提高效率范圍。但在這種情況發(fā)生之前肯定只是時(shí)間問(wèn)題 - 這一事件很可能將遠(yuǎn)程熒光粉推向照明主流。