李祥兵，沈 阳，姚 明

（1.神龙汽车有限公司，湖北 武汉 430050；2.湖北大学材料与科学学院，湖北 武汉 430062）

1 引言

白光LED是替代传统的白炽灯、荧光灯，实现高效照明的重要途径。它具有低电压、低能耗、长寿命、高可靠性、易维护等优点，而且符合绿色照明工程环保和节能的要求，因而在汽车照明和信号领域具有很广泛的应用前景。LED白光一般分为暖白光、白色光、冷白光。暖白光的色温低于3300K，与白炽灯相近，给人一种舒适和温暖的感觉。白色光亦称为中性色光，色温为3300～5300k，其光线柔和、舒适。冷白光一般偏蓝，色温一般高于5300k，接近于自然光能使人精力集中。对用户而言，照明系统采用白光LED的车灯，他们希望看到纯白光的照明效果，这样看起来比卤素灯更亮，视觉效果更清晰，夜间驾驶也更有安全感；对于信号系统或内饰氛围灯系统，若采用白光，他们希望看到更稳定的光色，以便不给其他道路使用者造成不必要的干扰。在汽车照明灯具设计中，由于各种原因，白光LED灯具点亮后泛黄的问题比较普遍，这除了与当前LED的技术水平有关，也与LED灯具本身的设计结构有关。点亮后泛黄严重影响客户感知品质，并有可能被客户判断为“产品老化”等感知品质瑕疵，影响他们的购车欲望和驾驶体验。因此，从源头上分析和寻求LED灯具点亮泛黄的解决方案势在必行。

2 LED白光的形成原理

2.1 光的混色原理

光是电磁波，通常可以分为可见光（380～780nm），红外光（780nm～1mm）和紫外线（100～380nm）3种。白光属于可见光的一种，它是多种颜色的混光。

1）三原色：在3种颜色中，其中任意两种不能混拼出第3种时，这3种颜色即为三原色。

2）加法混色原理：当两种或两种以上不同光相互混合得到光的亮度是各组分亮度之和。比如，绿光+红光=黄光，绿光+蓝光=青光，红光+蓝光=品红光。

3）原色光与中间色相加得到白光：红光+青光=白光，绿光+品红光=白光，蓝光+黄光=白光。

2.2 白光LED的形成原理

由以上分析可知，白光是一种混合光。白光LED可以分为单芯片、双芯片、三芯片和四芯片等。对于单晶型LED而言，一般采用单色的LED发光二极管与荧光粉作用形成白光。在这种情况下，一般采用如下方式来实现。

蓝色LED发光二极管发出蓝光后，透过黄色荧光粉。荧光粉被激发后产生黄光与原先用于激发的蓝光互补产生白

2022-01-27光。这种方法所用荧光粉的有效转化效率较低。虽然说蓝光LED配合黄色荧光粉的白光LED封装技术是目前比较成熟的技术，但是利用这种方法封装出来的白光LED有几个严重的问题无法解决：首先是均匀性的问题，因为激发黄色荧光粉的蓝光晶粒实际上参与了白光的配色，所以，蓝光晶粒发出波长的偏离、强度的变化以及荧光粉涂抹厚度的改变都会影响白光的均匀性。最常见的例子是用这种封装出来的白光LED中间部分看起来较蓝（或较白），而旁边的区域看起来较黄（荧光粉涂得较厚），各白光LED的颜色不尽相同。另外，利用蓝光晶粒配上黄色荧光粉的白光LED，具有白光色温高、演色性偏低等问题。紫外光LED（紫色）激发RGB（红绿蓝）三波长荧光粉形成白光。

对于多晶型LED而言（多个发光二极管），一般采用以下两种方式。

1）采用两个或两个以上互补的两色LED发光二极管，若要形成白光，一般是蓝光LED与黄光LED通过混光形成白光。由于蓝光LED比较便宜，因此一般采用蓝光LED与荧光粉激发形成白光。

2）使用三原色发光二极管（RGB红绿蓝）通过混和而形成白光。这种方式要求红、绿、蓝3种原色光必须采用一种固定的发光比例，否则，三色混色所形成的就是其他颜色的光。由于这种方式形成的光颜色不太稳定，故一般用于小功能LED上，在汽车照明中，一般用于氛围灯领域，给用户营造一种渐变的、多彩的视觉效果。

3 评价白光LED的光色指标

一般而言，评价光源光色的好坏一般采用3个指标：色温、显色性和光效。LED光源相对于传统光源而言，最大的优势在于它比传统光源更加节能。随着LED芯片技术和各种荧光粉技术的发展，目前市场上存在的LED（包括车规级LED光源）的光效普遍可以达到100lm/W以上，部分可以达到140，甚至160lm/W。相对于传统白炽灯，LED光源的光效优势十分明显。但是要想获得与传统白炽灯可以媲美的白光LED，依然是一个难题。在汽车照明中，虽然GB 4785—2019规定了各个功能所需要达到的色温和显色性要求，例如家用照明光源的色温要求不高于5000K，显色性要求一般是显色指数Ra＞80，道路照明光源的要求是4000±50K。因此，控制好白光LED的色温，提升白光LED的显色性变得非常重要。

4 基于某H项目的LED光导点亮泛黄原因分析

4.1 H项目的开发背景

H项目是一个全球开发车型，其前照灯位置灯分为两部分：位于前照灯内部位置灯（厚壁注塑光导）和独立于前照灯之外的位置灯（厚壁注塑光导）。前照灯内部的光导为45°倾斜布置，从上向下为直线型。独立于前照灯之外的位置灯位于前照灯上方，从左到右为一种弧形结构。在开发阶段，从车辆正前方看，上下两部分位置灯点亮后，点亮效果均匀，且均为纯白光。但从侧面（45°角度）看，位于前照灯内部的位置灯点亮呈现出肉眼明显可视不均匀的泛黄效果。而独立于前照灯之外的位置灯点亮效果要明显好于前照灯内部的位置灯，引起客户抱怨。

4.2 光导材料本身泛黄

车灯光导材料一般采用PC材料。PC材料的光导板偏黄的原因是因为生产导光板或导光部件在注塑时没有添加Polymsj导光剂。普通PC的导光板在20cm以外的距离，光线会逐渐偏黄，而我们需要的是纯净的白光。这种偏黄，主要是因为PC料在注塑时没有添加指定的导光剂而产生的，这种Polymsj导光剂添加量非常小，添加前后在LED未点亮时看不出任何区别。当LED点亮时，导光板的光线会有很大的区别。

4.3 造型因素

车灯造型与人的视觉感知存在一定的关系，同一车灯不同的造型给人的感知存在差异。这种感知差异主要体现在亮度、光色和点亮均匀性等方面。比如，对于前照灯中的位置灯而言，造型为直线型的LED光导结构（如位于前照灯内部）和造型为弧面结构的光导结构（位于前照灯外部）组合成一个组合位置灯时，用户从不同的角度可能看到不同的点亮效果，如某些区域点亮亮度不均，某些区域呈现光导泛黄、偏暗等问题。这就要求在造型概念设计阶段，要保证在一个组合灯内，各部分的造型基本一致，这样才能保证用户从同一视觉方向看过去，LED光导点亮效果是均匀的。

4.4 结构差异

根据LED发出的光导入厚壁光导的方式，可以将厚壁光导的发光方式分为直射式和侧发光式，如图1和图2所示。假设LED本身带有少量的黄色光，对于直射式，会导致黄色荧光粉投影后，从车身侧面看到发黄现象（荧光粉倒影）。采用侧发光方式（反射式），黄色荧光粉经过一次反射后，不会直接投射到可视面，故从车身侧面看不到发黄现象。

图1 直接发光式

图2 侧发光式

4.5 LED的色度挡位选择不当

同一款白光LED生产过程中，通常会出现很多色度挡位，有些偏黄，有些偏蓝。如图3所示，当M1，M2区域为纯白光（色温约5500K）时，L1，L2则为偏暖色（黄）的白光；而N1，N2，P1，P2为偏冷色（蓝）的白光。其中，P1，P2比N1，N2更趋于蓝色。如果理论定义为纯白光，M1或M2是最佳的供货色度挡位。但对于LED厂家而言，对于同一种型号的LED，如果仅供货一种色度挡位的LED，势必造成其他所有挡位的LED报废，这样成本将非常高，所以一般LED厂家会在供货M1或M2的同时，也对L1，L2，N1，N2等供货，以便尽可能减少报废的LED数量。当厂商在使用L1或L2色度挡位LED时，就有可能出现LED点亮泛黄的问题。

图3 色度挡位

4.6 LED本身的结构决定

如图4所示，蓝色部分为蓝光LED芯片，黄色部分为黄色荧光粉。a，b线区域为蓝光LED的发光边界，即在a，b线以上LED发出的蓝光会与黄色荧光粉混合后形成白光。在a，b线以下，由于光线的反射作用，此区域的光线很弱，蓝光不能与黄色荧光粉充分混合，因而会逐渐形成黄色的边界，离LED芯片中心区域越远，光线就表现得越黄且变暗，以至最终变成黑色区域。如图4所示。

图4 LED点亮泛黄的机理

4.7 温度的影响

LED是一个温湿敏感元件，温度对其光通量尤其敏感。一般而言，当环境温度达到70～80℃时，LED的光衰会达到20%～30%左右。对于蓝光LED而言，同样也存在光的衰减。当LED蓝光衰减后，蓝光与黄色荧光粉不能很好混合，导致图4中黄色增多。在这种情况下，通过厚壁光导后，就会呈现黄色现象。

5 消除厚壁光导点亮泛黄的对策

5.1 提高电流

由于白光是蓝光和黄色荧光粉混合的结果，提高蓝光LED的输入电流后，蓝光LED发出的光更强，这样蓝光与黄色荧光粉可以实现更加充分的混合，即蓝光和黄色荧光粉的混合效率可以得到很大的提升。从图4可以看到，混合后的白光打到光屏上，整体效果更白，但是周围一圈仍然会呈现一圈黄色光斑，与电流提高之前相比，黄色光斑会减少。另外，当LED的正向电流增加10mA后，根据LED的显示波长（色彩）与正向电流的关系曲线（图5），其正向电压变化的范围为800mV，白光LED工作电压的变化会改变其发光的色彩（从波长较长的颜色逐渐变化为波长较短的颜色，即由暖色逐渐向冷色转变），这主要因为工作电压的变化改变了正向电流。对于不同的白光LED，其电流-电压特性也会呈现较大的差异。这就是为什么当白光LED的电流提高后，除了视觉感知更加刺目以外，整体效果会更白。

图5 LED显色波长（色彩）与正向电流的关系曲线

5.2 将直接发光变为侧面发光方式

从前面的分析可以看出，采用直射发光方式，LED发光的白光（周围一圈带黄色光斑）通过厚壁光导后，相当于通过一个透镜对黄色光斑区域进行了放大，因而会呈现发黄现象。如果将LED与厚壁光导设计成带一定角度的侧发光方式，由于光线传播方向发生了改变，其发黄的程度也会有很大的改善。当然，采用侧发光的方式，所需要的设计空间更大，因此在设计阶段，要详细核实空间是否足够。

5.3 更换LED

由于白光是蓝光LED表面增加一层黄色荧光粉后进行混合形成的。从图4可以看出，如果将荧光粉的高度h适当降低，即将蓝光LED与黄色荧光粉不充分混合的区域适当降低，则白光周围一圈的黄光光斑会有所减少，通过厚壁光导后，其发黄的视觉效果也会有很大程度的减轻。更换LED一般采用两种方式，一是将LED的色度挡位更改为偏白的色度挡位，二是选择高度h尽可能小的LED。另外选择带环形硅胶膜的LED（图6），硅胶膜（TiO）的作用在于将LED发光区域周围的黄晕屏蔽掉，这样LED得到的光即为纯白光。

图6 带硅胶膜的LED

5.4 增加皮纹

皮纹的作用是将光打散后重新混合。一般而言，LED发出的光经过厚壁光导后，如果厚壁光导的入射表面是一个光滑的表面，则此时光在光导表面的传播主要是折射和反射，但更多的成分是折射。如果将厚壁光导的入射表面增加皮纹后，则入射表面变成一个凸凹不平的表面，此时虽然传播方式仍然是折射和反射，但是光被反射的成分相对于未加皮纹的表面会增多，折射的成分会降低。在这种情况下，对同一个光源，通过厚壁光导后的光通量降低，因而增加皮纹后的光导亮度会所有降低。另外，增加皮纹后，由于光的反射作用增强，白光中的黄色成分也会通过反射而降低，因而增加皮纹后，点亮后的效果会更白。

5.5 更换光导材料

目前厚壁光导一般采用PC和PMMA两种材料。PC材料略偏黄，需要在注塑过程中增加导光剂。PMMA材料更纯白一些，但PMMA的耐温极限温度比PC略低一些。因此，在耐候性能保证的前提下，壁光导采用PMMA材料可以帮助得到更加纯白的光。

6 结论及展望

通过上述措施尝试后发现，LED本身点亮泛黄是根本原因，采用皮纹的方式可以很好地改善（不是消除）光导点亮泛黄的问题。其他措施虽然在本项目（处于工业化阶段）未看到较为明显的改进效果，但是在设计阶段，如果能充分考虑这些因素，LED光导点亮泛黄的问题就能从根本上解决。因此，本项目中所提供的解决方案，对整个项目的设计以及后续的品质改进都具有重要的意义。

随着技术的进步，白光LED将更多地得到普及和应用。未来白光LED发展趋势为：①提高发光效率，目前的指标为15lm/W，未来期望为100lm/W；②开发GaN无机UV-LED短波激发光源，目前的指标为460nm，未来期望为254nm；③提高外部量子转化效率，由目前的10%提高到40%；④提高荧光材料的能量转化效率，由目前的60%上升到90%；⑤不断降低成本，由目前的0.5$/lm降低到0.0005$/lm。