□ 田 媛 藍(lán)方敏 潘 驍 葛 鵬

當(dāng)前全球能源危機(jī)與氣候變暖壓力日益嚴(yán)峻，使得綠色環(huán)保、節(jié)能減排的LED具有廣闊的發(fā)展空間。受益于其能耗低、體積小、壽命長(zhǎng)、轉(zhuǎn)換頻率快等特點(diǎn)，LED有望為照明系統(tǒng)帶來(lái)許多全新的功能，極大地改善我們的生活方式與生活質(zhì)量，應(yīng)用前景十分廣闊。目前，白熾燈正在逐步退出全球照明市場(chǎng)，近一半的傳統(tǒng)光源已被LED取代，可實(shí)現(xiàn)每年節(jié)電約2800億kW·h。目前LED在生活照明、微顯示、植物照明、汽車照明、光通信、紫外LED等不同的領(lǐng)域均獲得快速發(fā)展。

1 ??藍(lán)光LED在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

一直以來(lái)，科研人員對(duì)GaN材料的制備到P-GaN的摻雜等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，直到1994年，日本科學(xué)家中村修二發(fā)明了藍(lán)光LED，這標(biāo)志著人類照明進(jìn)入固態(tài)照明時(shí)代。隨著技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光LED已具有較高的外量子效率，GaN基LED獲得了較大范圍的應(yīng)用與推廣。隨著消費(fèi)水平的提升，人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境照明的需求逐漸多樣化，不僅關(guān)注照明的功能性，還關(guān)注其品質(zhì)、個(gè)性化需求與裝飾風(fēng)格的匹配等，大體上可將照明分為功能性照明與藝術(shù)性照明兩大類。

1.1 LED在室內(nèi)各功能區(qū)中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，照明需求呈現(xiàn)出樣式及功能多樣化的態(tài)勢(shì)，半導(dǎo)體照明開(kāi)始進(jìn)入“智慧照明”時(shí)代。如圖1所示，全球照明協(xié)會(huì)（Global Lighting Association，GLA）指出，照明技術(shù)的發(fā)展路線將由傳統(tǒng)的高效照明、LED照明轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苷彰飨到y(tǒng)、可服務(wù)可升級(jí)的智能照明系統(tǒng)與“以人為本”照明。

圖1 GLA提出的照明技術(shù)發(fā)展路線[1]

在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)的應(yīng)用上，智能照明不僅關(guān)注照明的視覺(jué)效應(yīng)，而且更多地關(guān)注照明的非視覺(jué)效應(yīng)。如：室內(nèi)智能光環(huán)境設(shè)計(jì)與室內(nèi)家具及家裝風(fēng)格保持和諧自然；照明色度、亮度、時(shí)長(zhǎng)與生理節(jié)律和情緒的關(guān)系；關(guān)注室內(nèi)環(huán)境的不同功能場(chǎng)所的個(gè)性化需求等。居家室內(nèi)空間功能逐漸層次化，針對(duì)不同功能區(qū)，需要在協(xié)調(diào)家庭整體風(fēng)格的前提下，兼顧不同功能區(qū)的個(gè)性照明需求。人們?cè)诟鞣N光環(huán)境下的視覺(jué)舒適性除了與人眼視覺(jué)有關(guān)外，也與人們當(dāng)時(shí)的生理狀態(tài)、不同場(chǎng)景有關(guān)。

客廳區(qū)域作為日常休閑娛樂(lè)、會(huì)見(jiàn)客人的公共場(chǎng)所，注重人們情緒價(jià)值與視覺(jué)舒適性。研究表明，照度與色溫被認(rèn)為是影響視覺(jué)舒適性的重要光照參數(shù)。當(dāng)照度為350l×～1000l×?xí)r，照度幾乎不影響視覺(jué)的舒適性。對(duì)于休閑娛樂(lè)場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，與高色溫?zé)艄庀啾?，低照度與低色溫搭配時(shí)更易獲得輕松而溫暖的感覺(jué)，而這種感覺(jué)正是人們所需要的，有助于提升視覺(jué)舒適性[2]。室內(nèi)環(huán)境的第二個(gè)功能區(qū)—書(shū)房區(qū)域，書(shū)房往往用于工作或?qū)W習(xí)，通常要明亮的冷白光產(chǎn)生更高的視明度，人們?cè)谇榫w上相對(duì)興奮且有助于提高工作效率。此外，視疲勞與工作、學(xué)習(xí)環(huán)境的關(guān)系值得被關(guān)注。視疲勞包括各種眼部疲勞感知和視覺(jué)功能下降，通常視疲勞在閱讀工作30min～60min時(shí)發(fā)生，且視疲勞與時(shí)間呈正相關(guān)的依賴關(guān)系。研究表明，色溫對(duì)于視疲勞、舒適性有較為明顯的影響，對(duì)于學(xué)習(xí)工作環(huán)境而言，燈光色溫在6000K左右時(shí)，照度變化對(duì)于視疲勞和舒適性影響并不明顯，兼顧了學(xué)習(xí)效率與視覺(jué)舒適性[2]。對(duì)于廚房照明環(huán)境而言，照明設(shè)計(jì)應(yīng)更偏向于功能性與安全性方面，軟件模擬、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、主觀體驗(yàn)評(píng)估等實(shí)驗(yàn)證明，LED燈具與傳統(tǒng)光源燈具相比，二者均需在直接照明與間接照明同時(shí)開(kāi)啟情況下才能在功率密度、平均照度等方面滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但LED照明方案在綠色節(jié)能、壽命等方面優(yōu)勢(shì)明顯。

1.2 藍(lán)光污染

LED在節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、體積小、亮度高、能耗低等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并呈現(xiàn)出高光效、高亮度、大功率、高光通量的發(fā)展趨勢(shì)，正在改變?nèi)藗冋彰鞣绞?。然而，LED光源能量集中，在某些方面具有激光的相似特性，其光輻射安全問(wèn)題不容小覷。尤其在室內(nèi)環(huán)境中，LED作為主要光源，其光輻射對(duì)眼睛的危害不可忽視。目前實(shí)現(xiàn)白光的LED技術(shù)有三種：由紅、綠、藍(lán)三基色混合形成白光；紫外LED激發(fā)紅、綠、藍(lán)三色熒光粉；藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉。其中采用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉形成白光這種技術(shù)的白光LED，當(dāng)其色溫較高時(shí)在短波藍(lán)光波段有一個(gè)較強(qiáng)的峰值，即其色溫約為5186K時(shí)峰值波長(zhǎng)約為440nm。另外一種采用紅、綠、藍(lán)三基色混合產(chǎn)生白光技術(shù)的白光LED，當(dāng)其色溫約3500K時(shí)，在短波藍(lán)光波段峰值波長(zhǎng)約470nm。根據(jù)國(guó)內(nèi)外報(bào)道相關(guān)，視網(wǎng)膜藍(lán)光光化學(xué)危害也是最主要考慮的類型?！稛艉蜔粝到y(tǒng)的光生物安全性》（GB/Τ 20145—2006）中提出視網(wǎng)膜受到藍(lán)光輻射時(shí)潛在的光化學(xué)危害，有效作用光譜范圍為300nm～700nm，研究發(fā)現(xiàn)，目前現(xiàn)有的LED產(chǎn)品的可見(jiàn)光和紅外輻射尚不足以造成明顯的視網(wǎng)膜熱危害。因此，不考慮視網(wǎng)膜熱危害和波長(zhǎng)超過(guò)780nm的紅外輻射危害，而發(fā)光波長(zhǎng)介于400nm～500nm的視網(wǎng)膜藍(lán)光光化學(xué)危害是最主要考慮的類型[3-5]。圖2所示為不同色溫下典型的白光LED的發(fā)射光譜，可以看到在高色溫的白光LED光譜中，藍(lán)光波段占比明顯高于低色溫白光LED。研究表明，色溫高于4000K的白光LED引起的光輻射潛在地影響人體生理節(jié)律及危害視網(wǎng)膜健康。尤其是人長(zhǎng)期活動(dòng)在LED作為主光源的室內(nèi)場(chǎng)所時(shí)，建議將LED的色溫控制在2700K～3000K之間，同時(shí)顯色指數(shù)高于80。但是，由于低色溫LED發(fā)光較低，LED照明產(chǎn)品生產(chǎn)廠家通過(guò)提高產(chǎn)品的色溫兼顧發(fā)光效率與顯色指數(shù)，因此照明市場(chǎng)中普遍出現(xiàn)高色溫、高顯色指數(shù)產(chǎn)品，提高了發(fā)生藍(lán)光污染的概率。

圖2 不同色溫下典型白光LED的發(fā)射光譜[6]

與此同時(shí)，為了擴(kuò)大GaN基LED的應(yīng)用領(lǐng)域，需要獲得更高的功率和發(fā)光效率，除了通過(guò)增加LED的器件面積與注入電流提高功率這一傳統(tǒng)方法以外，市場(chǎng)上的LED照明產(chǎn)品通常還通過(guò)增加二次光學(xué)設(shè)計(jì)元件實(shí)現(xiàn)光源的高功率與高亮度，從而帶來(lái)更窄的光束角與更高的亮度。對(duì)于相同功率的LED照明燈具來(lái)說(shuō)，其燈具的光束角越小，中心光強(qiáng)越大，光斑越硬。光束角的減小使得潛在藍(lán)光危害的風(fēng)險(xiǎn)增加，藍(lán)光危害成為制約LED在室內(nèi)照明環(huán)境應(yīng)用的重要因素之一。

2 ??紫外LED在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用

基于III族氮化物的紫外發(fā)光二極管（Ultra-Violet Light Emitting Diodes，UV LED）以其綠色節(jié)能環(huán)保、波長(zhǎng)短、光譜可調(diào)、光子能量高等特點(diǎn)廣泛被應(yīng)用于殺菌、空氣凈化、環(huán)境監(jiān)測(cè)、光固化、固態(tài)照明等新興應(yīng)用領(lǐng)域。UV LED一般是指發(fā)光峰值波長(zhǎng)在400nm以下的LED。如圖3所示，具體地可將紫外光分為UVA（315nm～400nm）、UVB（280nm～315nm）、UVC（200nm～280nm）三類。根據(jù)不同的波段與用途可分為：UVA，主要在光固化、光催化、醫(yī)療、光刻、印刷和驗(yàn)鈔等領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛；UVB，主要應(yīng)用于醫(yī)療方面的生物分析、DNA分析等；UVC，主要應(yīng)用在殺菌消毒、空氣凈化、成分分析等方面。

圖3 光譜范圍

在室內(nèi)環(huán)境中應(yīng)用最廣泛的是殺菌消毒、空氣凈化等產(chǎn)品。相關(guān)的紫外線消毒可分為兩種機(jī)制，一是利用波長(zhǎng)在200nm～300nm的紫外線破壞微生物的DNA或RNA等遺傳信息，從而造成微生物群體的死亡，這種機(jī)制通常用于水或空氣的殺菌應(yīng)用；二是紫外線作為光催化劑，對(duì)ΤiO2進(jìn)行光催化，使其產(chǎn)生強(qiáng)自由基分解空氣中的有機(jī)污染物，催化產(chǎn)物為對(duì)人體無(wú)害的二氧化碳與水，并且能同時(shí)殺死空氣中的細(xì)菌和病毒。圖4所示為UV LED在室內(nèi)家居產(chǎn)品的應(yīng)用，主要應(yīng)用在水消殺與空氣凈化等方面，如智能消毒殺菌鞋柜、空氣凈化器、水龍頭凈水器、智能冰箱等。

圖4 UV LED在家居產(chǎn)品中的應(yīng)用

2.1 UV LED在空氣凈化中的應(yīng)用

近年來(lái)，隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高及現(xiàn)代家居的快速發(fā)展，越來(lái)越多的新型材料進(jìn)入家居裝修行業(yè)，可選擇的新型裝修材料層出不窮，但隨之而來(lái)的，是各種室內(nèi)空氣污染的產(chǎn)生?？諝馕廴镜膩?lái)源有由柜子、皮革帶來(lái)的甲醛污染；由油漆、墻紙帶來(lái)的苯污染；來(lái)源于混凝土抗凍添加劑的氨污染；來(lái)源于地板、黏合劑的ΤVOC（揮發(fā)性有機(jī)化合物）污染等。其中，甲醛的污染最值得關(guān)注，甲醛具有刺激性氣味，人體吸入混有甲醛的空氣會(huì)引起呼吸道疾病、鼻咽癌、新生兒染色體異常甚至白血病，對(duì)人們的身體健康產(chǎn)生較大的危害。目前主流的除甲醛方法為以ΤiO2為光觸媒介質(zhì)，在紫外光的照射下，形成具有極強(qiáng)氧化作用的超氧離子自由基、羥基自由基、超氧羥基自由基，不僅能將甲醛、苯、甲苯、二甲苯、氨、ΤVOC等有毒有害氣體、污染物、臭氣、細(xì)菌等氧化分解成無(wú)毒的二氧化碳與水，與一般抗菌劑相比只有殺菌作用不同，紫外光觸媒去除甲醛等有害氣體的方法不僅效率高，還可以將細(xì)菌遺體及其在體內(nèi)殘留的毒素完全分解，達(dá)到徹底消毒殺菌的目的。

2.2 UV LED在消毒殺菌方面的應(yīng)用

UV LED為固態(tài)器件，具有體積小、預(yù)熱時(shí)間短、能夠?qū)崿F(xiàn)瞬間開(kāi)啟等優(yōu)勢(shì)，在紫外殺菌消毒領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。短波深紫外線具有高度殺菌能力，有望用于工廠和凈水廠等[7]。 目前多采用水銀燈作為紫外殺菌燈具，但隨著2017年《關(guān)于汞的水俁公約》的生效，社會(huì)上開(kāi)始致力于減少使用汞，基于此，深紫外LED在紫外殺菌領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸推廣。在透明液體的殺菌消毒方面。紫外線在水消毒方面能實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單直接的凈化。研究表明，有效的殺菌波長(zhǎng)約在245nm～295nm，最有效殺滅或破壞細(xì)菌DNA的峰值波長(zhǎng)為265nm[8]，汞燈的紫外線發(fā)光波長(zhǎng)是254nm，UV LED的波長(zhǎng)一般常用的在275nm且光譜可調(diào)，這是UV LED取代傳統(tǒng)紫外汞燈的最大驅(qū)動(dòng)力。目前市場(chǎng)上最熱門(mén)的凈水產(chǎn)品—紫外線凈水器均融入紫外殺菌技術(shù)，將傳統(tǒng)的超強(qiáng)過(guò)濾技術(shù)與紫外線殺菌技術(shù)結(jié)合，當(dāng)一定劑量的紫外光照射到水中的各種細(xì)菌、病毒、寄生蟲(chóng)、水藻以及其他病原體后，它們細(xì)胞中的DNA結(jié)構(gòu)受到破壞，從而在不使用任何化學(xué)藥物的情況下實(shí)現(xiàn)殺滅細(xì)菌、病毒以及其他致病體，解決飲用水細(xì)菌指標(biāo)的超標(biāo)問(wèn)題，達(dá)到了消毒和凈化的目的。與傳統(tǒng)的汞燈相比，UV LED在流動(dòng)水動(dòng)態(tài)殺菌方面具有高效、即時(shí)與壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，且UV LED本身無(wú)毒無(wú)害不產(chǎn)生臭氧，不影響水的口感，在水消毒中安全性較高。在室內(nèi)家居產(chǎn)品應(yīng)用方面。紫外線殺菌消毒鞋柜也逐漸引入市場(chǎng)，傳統(tǒng)智能鞋柜通過(guò)利用臭氧的化學(xué)特性，對(duì)鞋子進(jìn)行除臭和殺菌防霉護(hù)理，新型智能鞋柜的殺菌裝置部分采用了UV LED陣列作為消毒殺菌光源，UV LED陣列設(shè)置于柜體的內(nèi)表面或柜門(mén)的內(nèi)表面，發(fā)出紫外線的同時(shí)對(duì)收納在柜體內(nèi)的鞋子進(jìn)行消毒殺菌，減少密閉鞋柜帶來(lái)的細(xì)菌滋生問(wèn)題引起的健康隱患。智能鞋柜可以廣泛適用于賓館、酒店、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)、浴室、醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)、食品工廠、制藥行業(yè)、無(wú)塵車間等室內(nèi)環(huán)境。此外，根據(jù)2020年2月4日國(guó)家衛(wèi)生健康委辦公廳、國(guó)家中醫(yī)藥管理局辦公室公布的《新型冠狀病毒感染的肺炎診療方案（試行第五版）》指出，病毒對(duì)紫外線與熱敏感，因此在新型冠狀病毒隔離病房中均配置了紫外殺菌燈滅活新型冠狀病毒。大量的研究實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，劑量為1445uJ/cm2的紫外光能實(shí)現(xiàn)99.99%殺菌率，紫外LED為新型冠狀病毒抗疫做出了貢獻(xiàn)。但目前缺乏深紫外LED專用的MOCVD設(shè)備，是深紫外LED產(chǎn)業(yè)化的一個(gè)瓶頸，此外UV LED的發(fā)光效率和輸出功率都較低都將成為制約UV LED挑戰(zhàn)新的應(yīng)用市場(chǎng)的關(guān)鍵因素。

3 ??總結(jié)

本文討論了LED技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，主要包括GaN基LED在室內(nèi)環(huán)境中不同功能區(qū)的照明設(shè)計(jì)的應(yīng)用，并討論了藍(lán)光污染在室內(nèi)應(yīng)用中的問(wèn)題，接著討論目前LED的研究熱點(diǎn)—UV LED及其在室內(nèi)環(huán)境中的應(yīng)用，并分析了目前技術(shù)制約其在室內(nèi)環(huán)境應(yīng)用中的問(wèn)題。