LED照明产品的演色性，在照明质量的前提下成为LED光源产品规划与技术突破项目。从太阳光、白炽灯、水银灯、白光LED的波长表现对照可知，日常光源非「能够亮」就好，还需考虑光源亮度、照物的色彩还原，理想的人造光源必须以太阳光日照感觉为依规。以蓝光LED混合YAG荧光粉的白色LED，存有绿光能隙(Green Gap)对绿色演色性较差及缺乏红色反应问题，因此在CRI色坐标上呈现R9=0检测结果。演色性直接影响照物在灯光下原始颜色的还原能力，在博物馆、表演厅、百货公司、艺廊等对色彩要求高的场所，演色性为光源要求的重要项目。LED若成为取代各类型光源及白炽灯、高耗能光源，需具备高演色性。

图1、常见LED混合白光方式，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

　　一. 照明产品为何需对于演色性具备要求?

　　LED照明产品的演色性在日趋要求照明质量的前提下，成为LED光源发展的下一个产品规划与技术突破的重要项目。Energy Star在2011年5月所颁布的LED球泡型产品标准中，明定LED照明产品的演色指数(CRI)最低不能低于80，且对红色显色性必须大于零，这表示演色指数占照明光源质量相当重要的一环。

　　(一) 各类型光源波长与演色性分析

　　图一及表一说明目前常用之各类型光源的演色表现与波长对应关系，图一比较了太阳光、白炽灯、水银灯、白光LED的波长表现，对照太阳光线后可清楚得知为何使用于日常生活中的光源并非「能够亮」就好，还需要考虑光源亮度、照物的色彩还原等特性，其主因在于理想的人造光源须以太阳光日照感觉为依规。

图2、各类型光源波长说明，ource：拓墣产业研究所整理，2012/08

　　图一的黄色线条为太阳的波长及释放能量，对照目前各类型光源，只有白炽灯(钨丝灯)最符合太阳光源的波长分布状况，由于白炽灯与卤素灯的发光方式一致，因此无论是白炽灯或卤素灯，其演色性都几近太阳光的CRI=100。而其他种类的光源皆有演色性不佳的问题，如水银灯的波长集中于530～570nm，因此其演色性平均小于30;而传统以蓝光LED混合YAG荧光粉制造的白色LED，原始波长集中于420～480nm，而绿色波段的480～520nm因缺乏，因此产生绿光能隙(Green Gap)问题对绿色演色性较差，且缺乏波长680nm以上的红色光，因此在CRI色坐标上呈现R9=0的检测结果。

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　　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，还须符合白炽灯光源特性。本篇报告将从如何提高各LED光源演色性进行各类型技术分析。

表1、各类型光源的CRI值整理，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

　　(二) 波长与演色性关系说明

　　之所以白炽灯与卤素灯在演色性上具有近100的表现，其中最主要的原因在于此两种光源的发光方式及波长和太阳光线一样，从可见光的低波段380nm，一直到高波段780nm具连续不间段性。此种不间段波长的光源表现，让可见光波段中的各种颜色完全表现。

图3、CIE色坐标说明，Source：CIE;拓墣产业研究所整理，2012/08

　　日常生活中常见的白色光线，由三原色-红光、绿光与蓝光组成，如图二CIE色坐标所示，人类肉眼所视白光，其实在色坐标分布中仅为极狭窄区域，同时交会于红色、蓝色与绿色之中，且人类目视的所有色彩及色阶均是由这3种颜色构成。由此可知道为何LED光源白光技术，或者是早期映像管时代的电视光源技术、投影机光源，在发光体设计上，皆采红光、绿光与蓝光组成方式，调配影像的变化及还原色彩原真实颜色。

图4、色温与红绿蓝光比重示意图，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

　　T5荧光灯管的白光合成方式也是由三波长(红光、绿光与蓝光色域)荧光粉激发，因此相较于仅使用卤粉做为荧光粉材料的T8灯管，使用三波长荧光粉的T5灯管CRI值较大于80，而T8灯管的CRI值则仅有65左右。

　　拓墣产业研究所(TRI)也可以从红绿蓝3种颜色的比例得知，光源下的色彩还原关系。在6500K的环境下，普遍缺乏对红色的显色性，因此几乎所有光源在6500K的环境下，不含有红色光波长，其光源颜色较冰冷，因此大于5500K的光源又称其为冷白光;另一方面，当光源波长在3500K环境下，蓝光的比例又缩减至微乎其微，而全部的光原色比重以红加绿光为主，称为暖白光。无论是冷白或暖白，色温太高及太低对人类肉眼皆会造成不适感。

　　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，也因LED在照明应用上以期待取代白炽灯、节能灯为目标，因此在光质量特性上，必须以优于各类型光源为目标。

　　演色指数的计算标准采用CIE针对14个不同的低饱和度色块(从 R1到R14)为基准，通常前9个为最主要色块，R12～R14表光源对皮肤颜色反应，属特殊应用光源指标，以CIE色块的色度值与量测光源色块的色度值比对后，求得各色块的颜色反应比例表现，称其演色值，最后再以算数平均方式求得最终的值，便是此种光源的演色指数。而R9则是项目中的一项，主要为对红色反应。

　　二、LED白光与演色性

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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。

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，Source：拓墣产业研究所整理，2012/08

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　　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，2012/08

　　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。