節(jié)能照明

LED半導(dǎo)體節(jié)能照明的機(jī)遇

　　1、全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國(guó)表現(xiàn)得尤為突出，節(jié)能和環(huán)保是中國(guó)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的問題。作為能源消耗大戶的照明領(lǐng)域，必須尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保的綠色光源。

　　LED節(jié)能照明產(chǎn)品

　　2、半導(dǎo)體LED是當(dāng)今世界上最有可能替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。

　　其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　?、俑咝У秃?，節(jié)能環(huán)保；

　?、诘蛪候?qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快？安全性高；

　?、酃腆w化封裝，耐振動(dòng)，體積小，便于裝配組合；

　　④可見光區(qū)內(nèi)顏色全系列化，色溫、色純、顯色性、光指向性良好，便于照明應(yīng)用組合；

　?、葜绷黩?qū)動(dòng)，無頻閃，用于照明有利于保護(hù)人眼視力；

　　⑥使用壽命長(zhǎng)。

　　3、現(xiàn)階段LED的發(fā)光效率偏低和光通量成本偏高是制約其大規(guī)模進(jìn)入照明領(lǐng)域的兩大瓶頸。LED的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在信號(hào)指示、智能顯示、汽車燈具、景觀照明和特殊照明領(lǐng)域等。但是，化合物半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的即將突破，使今天成為大力發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。2003年我國(guó)人均GDP首次突破1000美元大關(guān)，經(jīng)濟(jì)實(shí)力得到了進(jìn)一步的增強(qiáng)，市場(chǎng)上已經(jīng)初步具備了

　　接受較高光通量成本（初始成本）光源的能力。在未來的10～20年內(nèi)，用半導(dǎo)體LED作為光源的固態(tài)照明燈，將逐漸取代傳統(tǒng)的照明燈。

　　4、各國(guó)政府予以高度重視，相繼推出半導(dǎo)體照明計(jì)劃，已形成世界性的半導(dǎo)體照明技術(shù)合圍突破的態(tài)勢(shì)。

　?、倜绹?guó)：“下一代照明計(jì)劃”？時(shí)間是2000～2010年？投資5億美元。美國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖如表1所示；

　?、谌毡荆?ldquo;21世紀(jì)的照明計(jì)劃”，將耗費(fèi)60億日元推行半導(dǎo)體照明？目標(biāo)是在2006年用白光LED替代50%的傳統(tǒng)照明；

　?、蹥W盟：“彩虹計(jì)劃”？已在2000年7月啟動(dòng)？通過歐共體的資助？推廣應(yīng)用白光LED照明；

　　④中國(guó)：2003年6月17日，由科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”。從協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小

　　組成立之日到2005年年底之前，將是半導(dǎo)體照明工程項(xiàng)目的緊急啟動(dòng)期。從2006年的“十一五”開始，國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大項(xiàng)目進(jìn)行推動(dòng)；

　　5、我國(guó)的半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過多年的發(fā)展已相對(duì)完善，具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。同時(shí)，我國(guó)又是照明燈具產(chǎn)業(yè)的大國(guó)，只要政府和業(yè)界協(xié)調(diào)整合好，發(fā)展半導(dǎo)體LED照明產(chǎn)業(yè)是大有可為的；

LED的發(fā)展歷程

　　LED技術(shù)突破的歷程

　　（1）1962年，GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出發(fā)紅光的磷砷化鎵（GaAsP）半導(dǎo)體化合物，從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程；

　?。?）1965年，全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生，它是用鍺材料制成的可發(fā)出紅外光的LED，當(dāng)時(shí)的單價(jià)約為45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率大約為0．1lm/W，比一般的60～100W白熾燈的（15lm/W）要低上100多倍；

　　（3）1968年，LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展，利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1lm/W，并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光；

　?。?）1971年，業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED；

　?。?）到20世紀(jì)70年代，由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用，LED的價(jià)格直線下跌。事實(shí)上，LED在那個(gè)時(shí)代主打的是數(shù)字與文字顯示技術(shù)領(lǐng)域；

　?。?）20世紀(jì)80年代早期的重大技術(shù)突破是開發(fā)出了AlGaAsLED，它能以10lm/W的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進(jìn)步使LED能夠應(yīng)用于室外信息發(fā)布以及汽車高位剎車燈（CHMSL）設(shè)備；

　?。?）1990年，業(yè)界又開發(fā)出了能夠提供相當(dāng)于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù)，這比當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的GaAsP器件性能要高出10倍；

　?。?）今天，效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991～2001年期間，材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進(jìn)一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近30倍；

　?。?）1994年，日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍(lán)色光二極管，由此引發(fā)了對(duì)GaN基LED研究和開發(fā)的熱潮；

　?。?0）20世紀(jì)90年代后期，研制出通過藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED，但色澤不均勻，使用壽命短，價(jià)格高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，白光LED的發(fā)展相當(dāng)迅速，其發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到30lm/W，實(shí)驗(yàn)室研究成果可以達(dá)到60lm/W，大大超過白熾燈，并向熒光燈逼近；

LED封裝形式的發(fā)展歷程

　　LED應(yīng)用的發(fā)展歷程

　　從其應(yīng)用發(fā)展來看，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程依次可分為以下幾個(gè)階段：

　?、僦甘緫?yīng)用階段；

　?、谛盘?hào)、顯示應(yīng)用階段；

　?、壅彰鲬?yīng)用階段。

LED在節(jié)能照明領(lǐng)域的應(yīng)用

　　LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用

　?。?）信號(hào)指示：所有電子設(shè)備的功能指示、交通信號(hào)燈等（如圖3所示）；

　?。?）顯示應(yīng)用：指示牌、廣告牌、大屏幕顯示等（如圖4所示）；

　?。?）照明應(yīng)用；

　　①手電筒、頭燈、礦燈、潛水燈等；

　?、谄囉脽簦焊呶粍x車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、側(cè)燈、霧燈、車內(nèi)照明燈、前燈等（如表2所示）；

　　③特殊照明：太陽能庭院燈、太陽能路燈、太陽能航標(biāo)燈、小夜燈、臺(tái)燈、射燈、室內(nèi)裝飾燈、洗墻燈、櫥窗燈、畫燈、景觀燈、護(hù)攔燈、地埋燈、地磚燈、水底燈等（如圖5、圖6所示）；

　?、鼙彻庹彰鳎浩胀娮釉O(shè)備功能顯示背光源、筆記本電腦背光源、大尺寸LCD顯示器背光源等；

　?、萃队肮庠矗和队皟x用RGB光源；

　?、奁胀ㄕ彰鳌?/p>

LED在照明應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

　　3.2.1正確選用合適的LED

　?。?）LED性能與可靠性的考慮；

　?。?）實(shí)際使用環(huán)境與條件的考慮；

　　（3）成本的考慮。

　　3.2.2尊重LED的特點(diǎn)，合理地使用LED

　　（1）LED額定工作條件的考慮；

　　（2）LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和電源的選用；

　?。?）LED散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的熱量管理；

　?。?）照明系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì)；

　　（5）照明系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)；

　　（6）LED的防靜電、抗輻射要求的考慮；

　?。?）防止LED在實(shí)際應(yīng)用加工中的損傷；

　?。?）LED的貯存和防護(hù)條件的考慮。

　　3.2.3與LED制造廠商保持良好的信息溝通和互動(dòng)配合，共同找出LED在照明領(lǐng)域的最佳應(yīng)用解決方案

　?。?）應(yīng)用端盡可能地將設(shè)計(jì)要求與期望詳細(xì)地向制造廠商描述，以便LED制造廠商提供專業(yè)的意見，正確地選用合適的LED；

　?。?）應(yīng)用端及時(shí)地將LED在使用過程中發(fā)生的問題反饋給制造廠商，以便制造廠商進(jìn)一步改善LED的性能與品質(zhì)，提出更好的解決方案；

　?。?）LED制造廠商應(yīng)主動(dòng)配合用戶的要求，提出最佳應(yīng)用解決方案。同時(shí)用心指導(dǎo)用戶合理地使用LED，提高LED的應(yīng)用可靠性，使LED的性能得到最大限度的發(fā)揮。

節(jié)能照明的挑戰(zhàn)與展望

　　LED半導(dǎo)體照明面臨的挑戰(zhàn)

　　4.1.1、LED光源

　　（1）更高的發(fā)光效率——真正體現(xiàn)LED節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)；30lm/W——60lm/W——100lm/W——200lm/W

　?。?）更大的輸入功率——適應(yīng)普通照明的要求；1W——3W——5W——8W——10W

　?。?）更低的熱阻——降低LED本身的發(fā)熱量；20℃/W——15℃/W——10℃/W——<5℃/W

　?。?）更高的溫度承受能力——抵抗高溫對(duì)LED性能的影響；

　?。?）更高的單燈光通量——更快進(jìn)入實(shí)際照明應(yīng)用；30lm——150lm——200lm——1000lm——1500lm

　?。?）更高的顯色指數(shù)——接近傳統(tǒng)光源的顯色性：75——>80——95

　?。?）更長(zhǎng)的壽命——真正體現(xiàn)LED的優(yōu)點(diǎn)：5KHrs——20KHrs——50KHrs——100KHrs

　?。?）更理想的光學(xué)結(jié)構(gòu)——配合照明應(yīng)用的光學(xué)設(shè)計(jì)；

　?。?）更低的售價(jià)——LED要真正大規(guī)模進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，售價(jià)必須降低80%以上。

　　4.1.2、照明應(yīng)用

　?。?）更合理的電源、驅(qū)動(dòng)和控制電路設(shè)計(jì)——保證LED的應(yīng)用可靠性，有利于LED優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn)；

　　（2）更高的電源與驅(qū)動(dòng)電路效率——真正配合LED節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)；

　　（3）更理想的二次光學(xué)設(shè)計(jì)——針對(duì)LED的出光特點(diǎn)，更好地提高LED的應(yīng)用光效；

　?。?）更好的照明系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和熱量管理——減低LED由于過熱而造成的失效；

　?。?）更高的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)——保證LED的長(zhǎng)壽命特點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

　　4.2、半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖展望

　　美國(guó)：2002年20lm/W，2007年75lm/W，2012年150lm/W。預(yù)計(jì)到2025年，固態(tài)照明光源的使

　　用將使照明用電減少一半。從2000～2020年，累計(jì)的功效和節(jié)約潛力就可以達(dá)到減少2．58億噸炭污染物的排出；少建133座新的電站（每座1000MW）；累計(jì)節(jié)約財(cái)政開支1150億美元；形成一個(gè)新的每年產(chǎn)值超過500億美元的光源產(chǎn)業(yè)，還會(huì)帶來高質(zhì)量的更多的工作機(jī)會(huì)。