從室內照明發(fā)展趨勢論LED技術提升的關鍵(精)

1、從室內照明發(fā)展趨勢論LED技術提升的關鍵唐國慶（中國照明電器協(xié)會半導體照明專業(yè)委員會，上海200333摘要:隨著LE D流明效率的不斷上升，它在照明領域的應用也越來越廣泛。其中LED室內照明是增長最快的領域之一。論述了目前國內外室內照明的四大主要發(fā)展趨勢:節(jié)能化、功能多樣化、柔性化和環(huán)?；?。在此基礎上，從LE D芯片、LED封裝到LE D燈具等幾個方面闡述了適合室內照明發(fā)展的 LE D技術需要提升的幾要素。關鍵詞:室內照明；半導體照明；芯片;封裝；燈具;節(jié)能化;環(huán)保化中圖分類號:T N36412文獻標識碼:A文章編號:10032353X(20090320201204K ey Points of

2、 Imp rovi ng the L ED Tech no logy in Terms of the I n doorI llu min ati on Devel oping TrendT ang G uoqing(Chi na Association o f Lighti ng In dustry SSL Committee,Sha nghai200333,Chi naAbstract:LE D(light emitt ing diodelighti ng is beco ming m ore and m ore popu lar asLE D lume n efficie ncy is g

3、ett ing higher and higher,a nd the in door illu min atio n is one of the fastest grow ing p arts. Therefore,how to clarify the orie ntati on of in door illumi natio n devel opment is the key point of figuri ng out the whole LE D tech no logy devel oping tren d.F our major devel opment trends of in d

4、oor illu min ati on are discussed, in clud ing en ergy savi ng,fu nctio n diversifyi ng,s ofte ning and en vir onment2p rotect in g.Accord ing to the in door illu min ati on devel opment tren d,the key p oi nts of im proving the LE D tech no logy in terms of LE D dice,LE D p ackage and LE D lam ps a

5、re elaborated.K ey w ords:i ndoor illumi natio n;LE D;dice ;p ackage;lam p;en ergy save;e nvir onment protect EEACC:4260D0引言根據(jù)Strategies Uniimited統(tǒng)計，未來5年內LE D室內照明的發(fā)展呈指數(shù)型增長 趨勢，至2011年，其產(chǎn)值將高達數(shù)百億美元。這對于 LE D室內照明來說,既是機遇, 更是挑戰(zhàn)。由此，根據(jù)室內照明發(fā)展趨勢來看提升 LE D技術的關鍵是十分必要的。室內照明目前主要有兩種方式123:（1按照明方式可分為直接照明、間接照 明、反射照明、透射照

6、明、漫照明和背景照明等；（2按照明類型分可分為整體照明、重點照明、輔助照明、層次照明、立體照明、裝飾照明等。一般而言 ，在辦公 場所一般以整體照明（基礎照明、環(huán)境照明為主，而在家居和商場,酒吧等場所則會兼 具幾種照明類型。同時，一種照明類型又可包括多種照明方式。不言而喻，室內照明設計的好壞直接影響人們的日常生活和工作。在業(yè)界的努 力下，室內照明正往更加健康有序的方向發(fā)展，以下本文先著重論述室內照明幾個主 流發(fā)展趨勢。1室內照明發(fā)展趨勢石油緊張，煤炭告急，經(jīng)受10多年經(jīng)濟高速發(fā)展的透支之后，能源緊缺問題已成 為制約經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，節(jié)能減排已是全球最關注的問題之一，室內照明也不例外。早在20世紀9

7、0年代美國環(huán)保局就推出商品節(jié)能標識體系能源之星（Energy Star趨勢與展望Outlook and Future（見表1,讓符合節(jié)能標準的商品貼上帶有綠色五角星的標簽，并進入美環(huán)保局的商品目錄加以推廣，以降低能耗。我國也已將節(jié)能減排問題研究”列入 十二五”規(guī) 劃前期重大問題研究課題?？梢?，節(jié)能化發(fā)展乃是室內燈具發(fā)展趨勢。表1能源之星”產(chǎn)品一年和使用周期內的費用和能耗4T ab11 Annual and life cycle costs and sav ings forlOO“ Energy Star ” light fixtures100盞能源之星”燈具100盞傳統(tǒng)燈具使用能源之星”之后節(jié)

8、省費用每年操作費用用電費用/$4151244829用電量 /kW? h58401752011680維護費用/$190511321總計 /$60517501150使用周期內總費用用電費用 /$56351690511270用電量 /kW? h116800350400233600維護費用(使用壽命內/$257969544375買成本/$48003100(21700總計 /$130142695913945收回成本年限/年:412注:數(shù)據(jù)來源（Energy Star除節(jié)能外，功能多樣化也是室內照明的主要發(fā)展方向之一。主要體現(xiàn)在:（1高顯色性:顯色性是光源對物體本身顏色呈現(xiàn)的程度，顯色指數(shù)高的燈具一般能達

9、到90以上，適合在廚房、商品柜臺、醫(yī)院手術臺等場所使用；（2智能化:選擇高效光源并不意 味著一定能生產(chǎn)出節(jié)能的燈具，目前通過電路設計、燈光控制向智能化發(fā)展，主要表 現(xiàn)在灰階可調和色彩可調，目的是降低眩光和進一步節(jié)能，并賦予燈光人性化設計；（3 柔性化:透過柔性化設計，燈具的形狀可隨意更改，大大增強了其藝術感，給人以耳目新的感覺。除上述幾點之外，隨著人們環(huán)境意識的增強和對室內空間要求的提高，環(huán)保、輕 薄也成為室內照明發(fā)展的主流趨勢。以下本文就結合上述室內照明的發(fā)展趨勢，從LE D芯片、封裝、燈具等方面略述幾個需要提升的關鍵。2提升關鍵之一芯片技術目前的芯片技術發(fā)展關鍵在于襯底材料的選擇和外延片的

10、生長技術。除了傳統(tǒng)襯底材料藍寶石、Si、SiC之外,ZnO和G aN等襯底材料也是目前業(yè)界研究的熱點。無論是用于重點照明和整體照明的大功率芯片，還是用于裝飾照明和一些輔助照明的小功率芯片，技術提升的關鍵都是圍繞著降低缺陷密度526及如何研發(fā)出更 高效穩(wěn)定的器件而進行的，而如何提升LE D芯片的效率則是目前提升整體技術指標的重中之重。在短短數(shù)年內，借助表面粗化、量子阱結構設計7等一系列技術的改進，目前由 中村修二（LE D藍光之父領導的UCS B小組和在流明效率的提高上有了較大的突 破（見表2。另外，中村修二在2008年上海張江舉行的半導體前沿技術論壇中宣布, 他們研制的效率為150lm/W的產(chǎn)

11、品是基于318V的驅動電壓實現(xiàn)的，現(xiàn)在有望將LED的能帶隙偏置電壓降低至218V，根據(jù)推算，屆時效率將會提高到193lm/W。表2高效LE D器件性能表T ab12 P erforma nee of LE D device驅動電流l/m A芯片面積S/mm2藍光波長入/nm流明效率n (e/(Im? W-1UCS B201445150日亞50（脈沖1444163UCS B小組正在著手研究基于襯底材料非極性面和半極性面上生長LE D量子阱8212，并以此技術來提升LE D量子效率。就目前進展而言，他們已成功將在半極rh.性面上生長出來單量子阱，其黃色LE D外量子效率提高到1314%。隨著該工藝

12、的不斷成熟丄E D量子效率將會得到進一步的提升，LE D芯片的發(fā)光效率也有望進提高。3提升關鍵之二封裝技術311單芯片封裝單芯片封裝是封裝技術中采用最多的形式之一。略去多芯片封裝需要顧及到更 多的散熱和電極分布方面的問題，該封裝技術瓶頸主要在于芯片的成品率、色溫控 制以及熒光粉的涂布工藝13215。唐國慶 從室內照明發(fā)展趨勢論LE D技術提升的關鍵目前就大功率LE D芯片技術而言，主要還是掌握在國外廠商之中。國內廠商雖然起步比較晚，在小功率芯片上已經(jīng)取得一些進 步，大功率芯片上在良率和效率上還需要作進一步完善。表3 CREE大功率LE D器件產(chǎn)品性能表T ab 13 Characters of

13、 CREE high power LEDs色溫T CC /KI max /mA V ty p /N/ImT jmax 廠C R th /(C ? W -1半功率角0/冷白中性白暖白5000100003700-50002600-370070031210087148016150115注:圭寸裝尺寸:3145mm X3145mmX210mm;V ty p和 是在350mA下測得。數(shù)據(jù)來源（CREE表3是目前美國CREE公司推出的一款大功率器件，該器件一方面使用了硅膠 透鏡,避免了使用傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂封裝后由于高溫產(chǎn)生黃化等引起的光衰問題；另一方面，陶瓷碗杯的設計增加了產(chǎn)品的散熱性能,使產(chǎn)品的熱阻控制在9

14、C/W ;另外熒光粉的特定配制使其產(chǎn)品覆蓋了冷白、中性白和暖白全系列色溫。該器件是迄今能量產(chǎn) 的體積較小的大功率LE D器件,采用的單芯片封裝結構簡單、易于散熱、容易配光、色溫容易控制。312芯片集成封裝多芯片集成器件是目前大功率 LE D器件最為常見的另一種封裝形式，可以分為小功率芯片集成器件和大功率芯片集成器件 兩類,前者以6個低功率芯片集成的1W大功率LE D器件最為典型。國際上該類型器件具體性能可達到以下規(guī)格：半功率角120,驅動電流300mA，標準電壓318V和 可達801m的標準光通輸出。該類器件的主要優(yōu)勢在于以較低的采購成本來獲得單芯片大功率器件的光通量。大功率芯片集成器件以CR

15、EE公司最新推出的MC系列為代表（見表4,內含四個大功率芯片，通過優(yōu)化設計，可以使最終的產(chǎn)品熱阻控制在3C/W ,同時可以驅動高達10W的高功率，它的出現(xiàn)使得替代一些高端室內照明設施 成為可能。該封裝形式的主要難點是由于芯片間的差異性而引起的配光、老化、色 度均勻性等難以控制。表4 美國CREE推出的MC 2E系列LE D產(chǎn)品性能T ab 14 LE D performanee of MC 2E products ofCREET CC /K /Im n (e 2-1 /Im n (e 2 t?(Wf -1(350mA(700mA 冷白 100005000K 45610179080中性白 500

16、03700K 3768465066 暖白37002600K3507860562313 Chi p on Board (C O B 封裝該技術沿用傳統(tǒng)半導體工藝，即直接將LE D芯片直接固晶在PC B板上。利用該技術，目前已有廠商能使LE D模組作到013mm以下的厚度，同時由于LE D芯片直接與PC B板連接，增加了導熱面積，散熱問題也可以得到解決。目前此封裝形式多以小功率芯片為主，器件效率可作到70lm/W (20mA以上。不足之處在于還存在 一些技術壁壘，目前能量產(chǎn)化的不多。4提升關鍵之三燈具技術411 散熱技術燈具的壽命一直是大家所關注的主要問題之一。一個好的燈具散熱系統(tǒng)光靠低 熱阻的L

17、E D器件是遠遠不夠的，它必須有效降低pn結到環(huán)境的熱阻，以此盡可能降 低LE D的pn結結溫來提高整個LE D燈具的壽命。跟傳統(tǒng)光源不同的是,PC B板既是LE D的供電載體，也是散熱載體,所以PC B的散熱設計(包括布線、焊盤大小等尤為重要。412光學設計LE D是點光源,又有方向性。利用好LE D的這兩個特性是燈具光學設計的關鍵。通過 LED點陣的設計和二次光學的設計丄E D燈具可以達到比較理想的配光曲線。例如在整體照明中，要求燈具的照射面比較大，可以使用線性LE D燈條配以導光板等技術使之成為面光源，既提高均勻度又可防止眩光的發(fā)生。一些輔助照明、層次照明中則需要一定的聚光效果，以突出被

18、照物體，主要可以選擇配一些聚光透鏡來達到光學要求。除以上因素，色溫、輝度、顯色指數(shù)也是室內照明設計考慮的重點，目前通過LE D芯片和熒光粉的改良丄E D燈具的顯色指數(shù)可達9516。唐國慶 從室內照明發(fā)展趨勢論LE D技術提升的關鍵413驅動設計LE D是單極性器件，在實際使用中僅允許電流從固定一側流入并從相應另一側流出，因此不能在LE D器件兩端直接施加交變電流或電壓。同時，為了獲得穩(wěn)定的LE D光通量輸出丄E D器件的輸入電壓（順向或電流亦需穩(wěn)定，所以必須選用LE D 電源驅動器。一般可將LE D電源驅動解決方案劃分為以下三大類：（aDC/DC應用:如手電筒、閃光燈、MR16、頭燈、櫥柜照明

19、等;（bAC/DC應用（25Wm普通照 明、汞燈替代照明等；（cAC/DC應用（ 25Wta道路、隧道、鐵路、洗墻的照明等。414系統(tǒng)設計除了以上光電熱因素的影響 丄ED燈具的整體設計也是重要的一環(huán)。包括燈具 的外形、選材、結構設計。外形上需要增加其藝術美感 ，選材上兼顧環(huán)保實用，結構上要融于整體建筑架構。另外，根據(jù)實際的應用場所，選擇合適的燈具出光效果也是 需要考慮的。5結論綜上所述,本文從LE D芯片、封裝、燈具三方面闡述了 LE D技術提升的關鍵。按效率而言，目前量產(chǎn)的LE D效率可達100lm/W350mA,而實驗室水平可高達161lm/W350mA17;按光源質量而言，目前LE D燈

20、具的顯色指數(shù)可高達95,并且在體積和區(qū)域控制上優(yōu)勢明顯；按照材料特性而言，組成部件的材料綠色環(huán)保。所以，可以看出LE D還有較大的提升空間，隨著LE D配套產(chǎn)業(yè)鏈的進一步完善，相信LE D室內照明將越來越普及。參考文獻:1尤雷精彩設計M.吉林:美術出版,2006.2齊雄,劉雪英.室內設計M.北京:中國水利水電出版社,2006.3朱淳.室內設計基礎M.上海:上海人民美術出版社，“ Energy S tar ”2006.4E NERGY ST AR.Life cycle cost estimate for100qualified light ing fixturesE B/0 L.w w w.e

21、nergystar.g ov/ia/ bus in ess/bulk- p urchasi ng/bp savi ngs-calc/Calc-Exit-S ign s.xls.KI M K C,SCH MI DT M C,W U F,et al.Low exte nded defectden sity nonpo lar m2plane G aN by sidewall lateral ep itaxial overgrowthJ.A PL,2008,93(14:1421082142110.6 CH AK RABORTY A,H ASKE LL B A,KE1GRIDS vcsqcDJjr l

22、OJTura EpscflLooic bfipippiuSLLER S,et al. N onp olar InG aN/G aN em itters on reduced2de feet lateral ep itaxially overgrow n a2plane G aN with drive2curre nt2independent electrolumi nesce nee emissi on p eakJ.A P L,85(22:514325145.7 CHIT NIS A,CHE N C,ADI V ARAH AN V,et al.Visible Iight2emitti ng

23、diodes using a2plane G aN2I nG aN mult ip le qua ntum wells over r2plane sapp hireJ.AP L,2008,84(18:366323665.8 MCG RODDY KQAVI D A,M ATI O LI A E,et al.Directio nalemissi on con trol and in creased light extracti on in G aN p hot onic crystal light emitti ng diodesJ.A P L,2008,93(10,1035022 103504.

24、9 S AT O H,CH UNG R B,HIRAS AW A H,et al.O ptical prop ertiesof yellow Iight2emitti ng diodes grow n on sem ipo lar(1122bulkG aN substratesJ.A P L,2008,92(22:2211102221112.10 D A VI D A,M OR A N B,M CG R O D DY K,et al.G aN/l nG aN lightem itti ng diodes w ith embedded ph otonic crystal obta ined by

25、 lateral ep itaxial overgrow thJ.A P L,2008,92(1111 M AS UI H,Y AM ADA H,IS O K,et al.O ptical polarizationcharacteristics of InG aN/G aN light2emitti ng diodes fabricatedon G aN substrates orien ted betwee n( 1010a nd(1011 planesJ.A P L,2008,92(11:0911052091111.12 HIT OSHI S,TY AG I A,

26、ZH ONG H,et al.H igh power and highefficie ncy blue light emitti ng diode on freesta nding sem ipolar(1011bulk G aN substrateJ.AP L,2007,90(23:2335042 233506.13 LUO H,KI M J K,SCH UBERT E F,et al.A nalysis of high2po wer p ackages for p hos phor2based white light2emitti ng diodesJ.AP L,2005,86(24:243