迄今为止，谈到LED产品的参数失效，大部分关注的是光通维持率，而色漂(color shift)也是一些产品早期失效的原因，尤其是在对视觉外观有严格要求的特定的应用中。2013年9月，美国能源部发布了一份包括实际应用及实验室监测到的DOE多个项目中LED色漂的研究报告，对了解色漂及其产生机理具有非常大的指导意义。本文将详细介绍该报告的内容，包括DOE对LED灯的色漂数据的分析、色漂指标、产生机理、监控及产品保修等问题。
一、颜色稳定性与色彩一致性定义
“颜色稳定性(color stability)”定义为一盏灯随时间推移保持一定光谱功率分布的能力。与颜色稳定性不同，色彩一致性(Color Consistency)指的是不同灯之间的光谱功率分布。使用色坐标来描述光源的颜色是CIE色度系统(CIE 2004)的一项基本原则。最常用的三个色度图为CIE1931(x，y)，CIE1960 (u，v)和CIE1976(u′，v′)，如图1所示。(u′，v′)色度图在视觉上最均匀而最适合评价色度的差异和变化，其色漂用Δu′v′表示。
北美照明工程协会(IESNA)标准LM-80-08 LED光源光通维持率的测量[IES2008]，规定了LED封装器件光通维持率测量的方法，同时也提出需要测量LED封装器件的色度变化并在报告中体现。但LM-80-08标准测量的对象并不是LED灯或灯具，且也未规定色度变化的限值。
ENERGY STAR要求Δu′v′在燃点6000小时不超过0.007[EPA2012，2013]，但因LED产品的寿命通常远超过6000小时，这一要求对于确保高品质的照明来说可能还不够严格。
二、色漂数据
本文中的数据来自于美国能源部项目，包括GATEWAY项目、CALiPER项目及LPrize项目。这些数据可以展现当前市场的状态，对如何改善产品颜色稳定性也有所启发，数据在很大程度上是事后分析，且大部分工作没有对色漂进行严谨的科学调查。但是，DOE报告中也展现了LED照明的巨大潜力。
1.GATEWAY项目数据
GATEWAY项目有三个特色的博物馆项目，包括与史密森美国艺术博物馆(Smithsonian American Art Museum)的合作。博物馆照明对光的呈色性和颜色维持要求特别苛刻。史密森博物馆安装了许多不同的LED灯，一部分在使用几千小时后出现了明显的色漂，甚至某些灯还远未到额定寿命就已失效。
该项目没有对灯的性能进行跟踪(即记录纵向数据)，但对出现明显色漂的灯进行了事后分析。该部分的Δu′v′值是旧灯和同类型的新灯之间色度的差异，而非同一盏灯本身使用前后的色度差异。
表1是该项目按IES LM-79-08对部分灯测试的数据。相对于基准样品，在6600小时甚至更早，许多样品灯的Δu′v′值超过了0.007。虽然每组数据不是同一盏灯随燃点时间的变化，但也可看出色漂非常严重。如果这些数据被视为近似纵向数据，样品灯的色度主要朝着黄光方向移动。
这些灯带有二次光学系统(如塑料透镜元件)，部分产品随时间增加物理材料出现明显的颜色变化。拆除上述光学系统使色度变化最小。无论新灯还是旧灯取下透镜时，色漂相差不大。因此，色漂是由LED器件产生的。
图2是B1、B2灯的光谱功率分布(SPD)变化。相比于基准样品，燃点4000小时后的B1灯蓝光发射峰增强，黄光发射峰减弱且向短波方向移动，流明输出多了3%。B2灯蓝光发射峰的减弱多于黄光发射峰峰值的减弱，使色度向长波方向移动，流明输出少了9%。
2.CALiPER项目数据
2008-2010年，CALiPER项目在一个独立的光度测量实验室对约50个完整的LED灯和灯具进行了长期的测试，这对了解色漂的一些机理仍然有价值。
LED灯首先按LM-79-08在积分球中进行测试，之后被安装在环境温度25℃(±5℃)，具有恒定的输入电压的装置中连续燃点。每500小时使用手持仪表测量某一点的照度和色度。6000小时后，产品在同一积分球中再次测量，部分产品在6000小时前失效。
图3中显示了产品根据LM-79-08在积分球中测得的最初和最终的色坐标，红点代表的产品通过了6000小时测试，在此期间，色漂通常朝着同一方向。
如图3所示，许多产品沿着蓝—黄轴(blue-yellow axis)方向移动，高色温产品的色漂现象更明显。在第一个6000小时测试中，45个产品中有15个产品的Δu′v′值超过了0.007，其中有8个产品的色温(CCT)高于4500K;色温高于4500K的产品只有20%在6000小时测试后Δu′v′值不大于0.007;7个使用RGB或混合工艺制作的白光LED产品中，有2个的Δu′v′值超过了0.007。在进行12000小时测试的7个产品中，有6个产品12000小时的Δu′v′超过了0.007，有2个产品6000小时时超过了这一阈值。
色漂最严重的是一个橱柜灯，7500小时后的Δu′v′值为0.045。还有几个产品的Δu′v′值超过了0.020，近3倍能源之星规定的限值，这些灯的色漂可能任何照明应用都不能接受。
图4是图3中每隔500小时使用手持仪器测得的部分数据。产品从最初测量到6000小时测量到的色度变化不是连续的直线轨迹。
产品的色度变化不稳定，有时会在中间测试阶段反向变化。这一现象表明，引起色漂的机制不止一种。但这些数据的测试仪器不太精密，且测试环境没有进行严格控制。测试环境可能更接近典型的工作环境，很难判断是由温度变化还是物理变化引起的色漂。
3.L Prize 项目数据
L Prize灯采用远程荧光粉技术，荧光粉并不直接掺入到LED封装器件中。只有少数LED产品使用这种方法。L Prize灯在寿命范围内的色漂更小。DOE报告中L Prize灯平均Δu′v′值都不超过0.001，显示了LED技术巨大的潜力，但报告中讨论的大部分引起色漂的机理并未采用远程荧光粉的技术形式。
三、讨论
LED的产品特性，包括光通量、色度等，与工作条件密切相关。制造商通常在特定的温度(如25℃或85℃)和特定的驱动电流(如350mA)下对LED进行测试和封装。LEDs测试的温度或驱动电流不同，色度也会不同。因制造LEDs的技术各不相同，色度随温度及电流的变化幅度会因制造商不同而有所差异。高温通常会加剧材料的退化，故在高温下工作会严重影响LEDs的性能。同样，开关循环和相关的热变化也可能对LED器件的材料产生一些不可恢复的影响。
LED封装最常采用蓝光LED和黄色荧光粉的组合(PC LED)。PC LED封装形式不同，色漂机理也不尽相同。
早期LED封装将荧光粉和硅氧树脂混合，制作成反射腔(a reflector cavity)。随时间的推移，荧光粉颗粒先一步失效(如图5)，蓝光输出增多，光谱蓝移非常严重。
大部分中小功率的LED使用上述封装方式，树脂变色同样会产生色漂(如图6)。聚邻苯二甲酰胺(PPA)是LED封装中一种常用树脂，在高温或短波长辐射的环境中会变色。
另一种封装方式将荧光粉涂覆在芯片顶部的薄层上，其上再增加硅胶层(如图7)。使用荧光粉涂层技术时，有两种情况可导致色漂，一种是荧光粉涂层在芯片边缘卷起，使蓝光光子从大角度方向溢出(如图7a)，产生光谱蓝移现象。另一种是高温下荧光粉涂层与芯片表面产生分层(如图7b)。芯片与荧光粉之间的空气间隙增大了蓝光光子通过荧光粉涂层的角度，使其穿过荧光粉涂层的平均自由程增加，光谱黄移。
一些最新LED封装技术中，荧光粉施加到整个封装表面，包括芯片和基板(如图8)，以缓解卷曲和分层问题，大大提高了颜色稳定性。
LED封装技术在不断变化和提高。然而，最新的LED技术并没有广泛应用到最终产品中，作为最终产品的灯和灯具很大程度上滞后于芯片的开发。
其次，用于初级或次级光学器件的材料也会随使用时间而改变。比如，用作密封剂的环氧树脂长时间使用后会出现变色现象。另外，许多化学材料，尤其是用于制造灯和灯具的粘合剂也非常不稳定。通常情况下，灯/灯具与LED器件的制造商不同，这就使发现色漂更加困难也使质保索赔更加复杂。
驱动设备也会发生物理变化，可能产生不同的驱动电流，而导致色漂的产生。这一问题还没有深入研究，但它可能是LM-80-08测试的芯片色漂数据和DOE报告中完整产品色漂数据之间出现差异的一个原因。
四、结论
针对色漂问题，建议今后开展以下工作：
1.通过LED封装技术的不断改进，提高颜色稳定性。
2.制定从有限的测试数据中预测长期色漂性能的标准。
3.研究影响整体LED灯/灯具颜色稳定性的多种因素之间的相互作用。
4.照明行业上下游各部分应对色漂及其表述进行更多交流。
5.对色漂的保修应广泛普及，根据商定的方法记录超出既定阈值的色漂。
安装数量的增多和使用时间的增长使LED产品的长期性能问题，如色漂问题将更加突出。LED技术在不断发展，产品性能也逐步提升，很大程度上提高LED产品的使用率。目前，LED产品已展示出卓越的颜色稳定性，随着LED技术的不断发展，色漂没有必要向其他性能妥协。————本文节选自第6期《半导体照明》杂志。
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