王钢老师：LED照明产品技术与应用发展趋势

1、led照明产品技术与应用发展趋势照明产品技术与应用发展趋势 范冰丰范冰丰 工学博士工学博士/助理研究员助理研究员 () 中山大学先进技术研究院中山大学先进技术研究院 中山大学半导体照明系统研究中心中山大学半导体照明系统研究中心 内容提要 1.led器件性能发展趋势 2. led照明产品技术发展历程及趋势 3.模块化与标准化的最新进展 ledled产业体系产业体系 外延，芯片 封装（器件） 描述1：应用（照明产品） 外延芯片描述2：封装，应用 外延芯片，封装描述3：应用 产 业 链 三 种 划 分 方 式 材料外延芯片器件 照明 产品 上游 中游下游 2010年商用led光效普遍接近100lm/

2、w 白光白光ledled技术不断进步技术不断进步 白光白光ledled照明器具性能快速提升照明器具性能快速提升 年份 光效（lm/w） 背光源：2009年 led路灯：2008年 室内照明：2011年 市场开始成熟年份 ledled器件形式发展历程器件形式发展历程 无论大功率还是无论大功率还是 小功率芯片的器小功率芯片的器 件，最终都走上件，最终都走上 了集成化之路了集成化之路 小功率 芯片封 装器件 大功率 芯片封 装器件 ledled器件发展趋势器件发展趋势集成化集成化 可极大降低器件成本 大大降低了支架、封装材料、封装人工成本 使器件标准化成为可能，将极大规范led产业发展 便于保障器件

3、一致性 整个光源形式简化，使器件标准化成为可能 主要大厂最新集成光源模组产品主要大厂最新集成光源模组产品 西铁城：4w模组 cree 7w模块 mp-l 光输出700lm philips : luxeon s 18w 光输出 1300lm 夏普25w， 2300lm 夏普3.6w ，300lm 2011年推出的新产品 2010年推出的产品 日亚 4w模组，400lm 集成光源新方向：高压集成光源新方向：高压led集成模组集成模组 工作原理：外桥式整流 更好的电气效率（电压更高，电源效率更好） 芯片电流更低，芯片的光效更高 5.4w 6颗芯片串联 270v dc 20ma 发光效率：105lm/

4、w 色温：3000k 显色指数:90 晶电高压led模组 集成光源新方向：高压交流集成光源新方向：高压交流led集成模组集成模组 首尔半导体 acriche 系列 优势： 在高压模组的优势基础上，无需任何附件电子器件，可靠性强 无任何ac-dc能量损耗，电源效率100% 4芯片集成，额定功率4w 8w 驱动电压：ac55v、 ac110v、ac220v三档； 电流：20、40、80ma三档 光效会略低于 dc led 集成光源开发中需要克服的困难集成光源开发中需要克服的困难 需要在可靠性设计上开展深入的工作 要找到合适的方式，保证芯片参数的一致性 需要通过合理的设计，保证集成光源个别芯片的老化

5、或失 效不影响器件正常工作，从而体现集成光源在故障失效的 优势 内容提要内容提要 led照明产业格局及器件发展趋势 led照明产品技术发展历程及趋势 模块化与标准化的最新进展 ledled的应用领域的应用领域 而 景观照明 led显示屏 汽车组合灯 小屏幕lcd背光 大屏幕lcd背光 交通信号灯 户外道路照明 室内照明 目前三种主要应用领域目前三种主要应用领域 uled色彩丰富 u色饱和度高 u更高的光能利用率 u色彩变换反应快 u更高光源光效 u光源小，超薄机身 背光源 （替换 : 冷阴极 荧光灯） 道路照明 （替换 ； 高压钠灯） u高光效 u高光能利用率 u长寿命 u绿色照明 室内照明

6、（替换： 白炽灯， 荧光灯） u高光效 u高光能利用率 u长寿命 u绿色安全 内容提要内容提要 led照明产业格局及器件发展趋势 led照明产品技术发展历程及趋势 背光源照明 道路照明 户内照明 模块化与标准化的最新进展 ledled背光源模组应用背光源模组应用 led vs ccflled vs ccfl 低功耗； 环保； 更宽色域范围 响应时间快； 低压驱动； 可实现区域控制 光源器件小，可实现超薄 高功耗； 含汞； 相对窄的色域范围 响应时间慢：导致出现拖 尾现象； 需要加升压电路； 难以实现区域控制 led led 背光源在背光源在1010寸以上液晶显示的占有率寸以上液晶显示的占有率

7、source: q210 quarterly led backlight report from displaysearch led背光源未来几年必将全面取代ccfl背光源！ led led 背光源技术发展阶段背光源技术发展阶段 “体耦合” 形式 610 背光显示 边发射led+空腔+导光板 37以下背光源 直下式led背光源： 三色led+导光管+导光板 21以下背光源 侧入式led背光源： 40以上大尺寸平板电视背光源 目前主要的背光源形式目前主要的背光源形式 按光源颜色分 白光rgb 按光源位 置分 侧入式更薄，结 构简单 少用 直下式较厚，支 持动态背 光 较厚，支持动态背 光，高色彩

8、表现力， 高对比度 主要的大尺寸背光源形式主要的大尺寸背光源形式侧入式侧入式 反射膜 led 网点 导光板 扩散膜1 增亮膜（横向） 扩散膜2 1 2 增亮膜（纵向） 导光板与网点：使光线充分混合，并改变原来的传播方向 扩散膜1：雾度高，使向上出射的光扩散； 增亮膜：使光线向前方会聚，提高屏前方亮度； 扩散膜2：主要起保护增亮膜作用。 关键点：导光板的网点设计关键点：导光板的网点设计 主要的大尺寸背光源形式主要的大尺寸背光源形式直下式直下式 反射板 扩散板 增亮膜（横向） 增亮膜（纵向） 扩散膜 反射板：把向后传播的光反射向前； 扩散板：使光源发出的光扩散，支撑上面膜片 增亮膜（横向）：使横向

9、的光向前方汇聚； 扩散膜：主要起保护增亮膜作用； 关键点：扩散板与光源的距离关键点：扩散板与光源的距离 各大公司主要采用的技术路线各大公司主要采用的技术路线 白光rgb 侧入式三星、sony少用 直下式夏普、海信、 东芝 价格高而少采 用 不采用直下式rgb方案原因： 价格高 rgb三种led衰减不一致造成光色一致性偏差 大屏幕背光源的发展趋势大屏幕背光源的发展趋势 侧入式：多侧入光 双侧入光 单侧入光 超薄设计vs.区域控制 目前led电视商用导光板厚度已减至3mm 超薄设计无法实现区域控制 what is next?what is next? 侧入式侧入式+直下式直下式=侧入直下式！侧入直

10、下式！ l价格实惠 l超薄外观 l高色域 l节能环保 l实现动态区域控制 未来背光形态趋势未来背光形态趋势模块化拼装模块化拼装 只有将背光板切分小型模块，才能同时实现超薄设计和动 态区域控制的“侧入背光”功能 需克服挑战：各模块连接的黑缝的消除 内容提要内容提要 led照明产业格局及器件发展趋势 led照明产品技术发展历程及趋势 背光源照明 道路照明 户内照明 模块化与标准化的最新进展 道路照明灯具形态发展轨迹道路照明灯具形态发展轨迹 单颗小功率led集成 单颗大功率led 单颗大功率led+聚光型透镜 靠灯体结构倾斜+聚光型透镜 配光 单颗大功率led+矩形配光 透镜/反射杯 基于单管led

11、的模块化模组 基于集成封装的模块化路灯 灯具形态 配光类型 无配光 聚光圆形配光 依靠灯体结构配光 透镜矩形配光 亮度均匀配光 光源形态 小功率led 单管大功率 led 集成封装大 功率led led道路照明：从小功率道路照明：从小功率led到大功率到大功率led led道路照明：从无配光到蝙蝠翼配光道路照明：从无配光到蝙蝠翼配光 led道路照明：从照度均匀到亮度均匀道路照明：从照度均匀到亮度均匀 最大光强角度从60度左右增加到67度以上，从 而达到了道路的亮度均匀性和纵向均匀性要求 led道路照明：从一体式灯具到模块化灯具道路照明：从一体式灯具到模块化灯具 模块化灯具核心优势： 制造成本优

12、势 维护优势 易标准化 可靠性优势 一体式灯具模块化灯具 模块化模块化led路灯的必然趋势：成本优势路灯的必然趋势：成本优势 模块化大大减小了模具成本（不同瓦数的灯具不需另外开模具） 物料成本更低（同样散热面积的多个模组总物料质量小于一体式整灯） 小型模组加工方便，加工成本更低 有助于大幅降低备料风险 综合成本 = 灯具制造成本 + 维护成本 + 可靠性风险 成本 模具 成本 物料 材料 成本 物料 加工 成本 光源 成本 电子器 件成本 模块化模块化led路灯的必然趋势：维护优势路灯的必然趋势：维护优势 一体式灯具换光源步骤一体式灯具换光源步骤 需整灯取下，换一完全相同的 灯具 可能灯具完全

13、报废，或光源全 部返厂置换 模块化灯具换光源步骤模块化灯具换光源步骤 卸下模块：单一模块,轻便易拆 装 模组甚至可以现场置换 只更换一个模块，不用全部更 换 综合成本 = 制造成本 + 维护成本 + 可靠性风险成本 换灯施 工成本 维护灯 具成本 模块化：可靠性优势与易标准化模块化：可靠性优势与易标准化 可靠性优势可靠性优势 每个模组可以热学结构和 电器结构均可独立，降低 了整灯失效的几率 单一模块的生产工艺更易 控制，良品率更高 易标准化易标准化 一体式灯具形态多样，极 难标准化 模组式灯具易标准化，从 而容易产品推广和产业扩 大 三种类型的模块化形式三种类型的模块化形式 led阵列模组+光

14、学 透镜/反射杯+灯罩 led阵列模组+光学面 罩（去除平板灯罩） 集成光源+玻璃大透镜 优点：制造工艺成熟 ，性能可靠 缺点：结构相对复杂 ，灯具效率受到影响 优点：结构简单，省 去面罩灯具效率更高 缺点：裸露的透镜易 积灰 优点：结构简单，成优点：结构简单，成 本最低本最低 缺点：配光设计困难 ，光效和可靠性有待 提高 模组化配光设计模组化配光设计 克服了配光的困难，可完全满足道路照明亮度均匀性要求克服了配光的困难，可完全满足道路照明亮度均匀性要求 += 0 0 1010 2020 3030 4040 5050 6060 7070 配光数据 2 大功率模组光源设计的透镜 内容提要内容提要

15、led照明产业格局及器件发展趋势 led照明产品技术发展历程及趋势 背光源照明 道路照明 室内照明 总结 室内照明的应用领域室内照明的应用领域 商业办公照明 商场照明 写字楼照明 工矿企业照明 车间照明 仓储照明 普通照明 家居照明 家居照明 用于室内照明的主要灯具形态用于室内照明的主要灯具形态 球泡灯射灯 代替25w、 40w、 60w白炽灯 泡 代替mr16 等卤素灯， 代替节能灯、 金卤灯 筒灯面光源 代替原节能 灯的吸顶灯 日光灯管 代替t8 及t5荧 光灯 室内灯具的需求室内灯具的需求 光度需求 光效（高灯具效率） 配光 眩光 亮度均匀性（日光灯、面光源） 色度需求 色温 显色指数

16、光斑质量 可靠性需求 性能衰减 故障失效 成本需求 光度需求光度需求配光配光 球泡灯：光辐射角度尽量 大，各角度光强尽量均匀 射灯：光线汇聚 筒灯 日光灯及面光源： 近似琅勃发光体 光度需求光度需求灯具光效灯具光效 灯具光效是由光源光效和灯具效率（光能利用率）两者决 定的 led的光效迅速上升， 已成为最节能的光源 一般传统光源的灯具光输出比（灯具出射光通量与光源光通量的比 值）为70，而led灯具可达到90 ledled光效优势光效优势高光能利用率高光能利用率 传统光源发光形式传统光源发光形式led发光形式发光形式 led形成截光/半截 光光源时，大部 分光线不需要经 过反射壁反射直 接出射

17、 灯具效率灯具效率vs眩光、均匀度要求眩光、均匀度要求 眩光产生的原因：led高亮度 眩光解决方法：利用混光机制，将led点光源扩展为面光 源出射 led：点光源，需设法 将光充分扩散出射 led：亮度集中， 眩光大 将点光源转化 为面光源出射 将光源充分 扩展，降低 光出射度代价：降低代价：降低 led灯具的灯具的 灯具效率灯具效率 提高亮度 均匀度 眩光控制 无混光设计防眩光设计 亮度均匀设计 提高亮度均匀度减少眩光对灯具效率的影响提高亮度均匀度减少眩光对灯具效率的影响 led灯具 荧光灯 光源光效 95lm/w80lm/w 无特殊要求的 灯具光效 75lm/w 50lm/w 亮度均匀度

18、要求 64.6lm/w50lm/w 眩光要求+亮度均 匀度要求 52lm/w40lm/w 电源效率 0.88，灯具 效率0.9 驱动效率 0.88，灯具 效率0.7 用磨砂罩换 透明罩 光源本身满 足亮度均匀 性要求 使用散射板 扩展光源 加格栅放眩光 提高亮度均匀度，减少眩光使提高亮度均匀度，减少眩光使ledled灯具节能优势大灯具节能优势大 大降低大降低 解决方案：热隔离荧光粉涂敷技术解决方案：热隔离荧光粉涂敷技术 基于cob的热隔离荧 光粉涂敷工艺技术 由佛研院承担的863课题中 开发的高光效模组 l柔性面发光，出 射度0.1lm/mm2 l光效100lm/w l均匀度0.88 8638

19、63成果成果高光效日光灯管高光效日光灯管 一体化光源灯具设计，灯具效率100% 超高性能散热结构设计，结温温升小于25度 使用国产芯片，灯具效率达80lm/w以上 色度需求色度需求色温色温 为产生舒适的照明照度与光源色温的关系 高压钠灯色温 2000k左右， 人感觉舒适 led灯色温 5000k左右， 人感觉压抑 闷热闷热 晚上的室内照明 照度一般300lux 以上，色温对应 在2700 4000k之间为宜 色度需求色度需求显色指数显色指数 室内照明需要 色彩不失真的 照明环境 普通“蓝+黄 ”led的照明效果高显色光源的照明效果 普通普通ledled光谱缺陷光谱缺陷 缺少红色光谱缺少红色光谱

20、 导致显色性低导致显色性低 51 实现高显色性实现高显色性ledled光源途径：补充红色光谱光源途径：补充红色光谱 多色芯片发光模组多种荧光粉混合发光 14 3.5 1.25 通过补偿红色波段部分，可使显色性高于ra92，最高ra98 功率：5w 色温：4200k 光通量：390lm 显色性：ra=92 功率：6.2w 色温：4200k 光通量：560lm 显色性：ra=94 功率：3.1w 色温：4200k 光通量：250lm 显色性：ra=95 中大开发的高显色中大开发的高显色ledled光源模组成品光源模组成品 相近色温下的不同光源的光谱比较，可以看出高显色led模组非常 接近日光光谱。

21、极大的改善了普通led的先天缺点断续光谱、且缺失 红色部分光谱。 光源模组成品光谱光源模组成品光谱 色度需求：光斑质量色度需求：光斑质量 易出现问题的：黄圈 直接涂敷方式： 造成原因：荧光粉沉积在 底部，侧面附近荧光粉密 度高，蓝光透射少； 芯片表面的喷涂/旋涂方式： 易出现问题：篮圈 造成原因：大量侧发光 的蓝光没有经过荧光粉 激发 常见的两种封装形式出现的光斑问题 蓝圈和黄圈是led走向室内照明应用必须消除的障碍！ 光斑质量的改善光斑质量的改善 一次封装一次封装 可提高芯片法线方向的荧光粉厚度，从而减少黄斑 普通封装热隔离远场荧光粉封装 光斑质量的改善光斑质量的改善二次光学调整二次光学调整

22、 将侧面黄光分配到中间，中间偏蓝的 光线分配到边缘，从而达到调和色分 布均匀度的目的 将侧面的黄光分配到照明区域 的边缘，配光后会继续出现黄 圈 二次光学设计不当仍会出现黄斑二次光学设计不当仍会出现黄斑二次光学设计得当会抑制黄斑二次光学设计得当会抑制黄斑 室内照明灯具的可靠性室内照明灯具的可靠性 灯具性能衰减灯具性能衰减 光维持率衰减（光衰） 色温漂移 电子器件寿命结束失效 灯具性能衰减特性好比正常 死亡的年龄 灯具的故障失效灯具的故障失效 电子器件的非正常故障失效 光源的烧毁 开关故障 灯具的故障失效特性好比非正 常死亡的概率 灯具的可靠性灯具的可靠性灯具性能衰减问题灯具性能衰减问题 决定衰

23、减性能的因素： 芯片质量 封装工艺（粉、胶质量，材料应力匹配） 焊接质量 散热性能 灯具总的衰减机制：各衰减机制会相互影响、相互加速彼 此衰减，但最终集中表现出来的那个衰减性能并不一定是 最大问题所在。 降低衰减是一个系统工程，但一般来说衰减特性与成本正 相关（衰减越小，成本越高） 室内照明灯具的可靠性室内照明灯具的可靠性故障失效问题故障失效问题 光源失效光源失效 电电 子子 器器 件件 故故 障障 开开 关关 失失 效效 故障失效服从 “木桶”原理， 由最短板决定 在室内灯具失效机制中，电子器件的失效往往是决定性的在室内灯具失效机制中，电子器件的失效往往是决定性的 设计的合理性往往 会大幅降

24、低故障失 效的几率！ 室内灯具使用室内灯具使用5 5年的可靠性要求年的可靠性要求 家庭用室内灯具每天只在晚上 点亮，平均每晚点4小时；商 用每天点12小时 每年点亮时间家庭用约1500 小时，商用约4500小时； 使用5年，商用灯具使用 22500小时，家庭只使用了 7500小时 led光源“正常”使用时间 50000小时； led的失效机制很多 商用和家庭用灯具每天至少开 关2次，5年至少要开关近 4000次； 应对5年内各种供电系统故障 的考验 应对5年内各种天气条件及突 变 性能衰减往往问题不大性能衰减往往问题不大 故障失效才是影响灯具使用寿故障失效才是影响灯具使用寿 命的主要原因命的主

25、要原因 性能衰减要求：性能衰减要求：故障失效要求：故障失效要求： 最终决定产品性能因素最终决定产品性能因素故障失效故障失效 灯具的可靠性就好比一个乘法：决定作用的往往是那个系 数，而不是基数！ 可靠性= 衰减性能（基数）失效几率（系数） 衰减性能的提升往往会增加成本，且不易大幅提高 设计及工艺水平的提高却往往会大幅降低失效几率 结论：要发挥led的优势，必须在灯具失效机制上大做文 章！ 克服室内照明灯具失效的方法克服室内照明灯具失效的方法 正向应对：改善设计，提高工艺水平 反向应对：采用模块化设计，令灯具方便拆装，应对可靠 性风险! 灯具成本需求灯具成本需求 室内灯具成本构成： 光源：40-5

26、0% 有很大下降空间 短期内很难大幅下降 结构：30-40% 几乎没有下降空间，只有上升空间 电子器件：20% 若采用标准化设计，有一定下降空间 现阶段解决方案现阶段解决方案功能模块化功能模块化 功能模块化：将灯具由可替换模块通过标准接头方式相组 合，方便单独拆装替换 优点： 减少灯具成本：便宜但易损坏的电子器件部分可单独替换 通过部件替换，增加灯具使用寿命，尤其是抗故障失效的能力 缺点：部件更换较为繁琐 在现阶段灯具成本高、光源成本在现阶段灯具成本高、光源成本 难以短期大幅降低的情况下，是难以短期大幅降低的情况下，是 很有效的解决方案！很有效的解决方案！ 当前影响当前影响ledled进入室内照明的各因素重要程度进入室内照明的各因素重要程度 价格和可靠性是当前影响 led进入室内照明的最重要 因素！ 光源集成化与功能模块化的好处光源集成化与功能模块化的好处 集成化 大幅降低封装成本（包括封装器件、材料、人 工成本） 减少了器件数量，降低故障失效可能（只要 做到集成光源个别芯片损坏不会完全报废） 降低成本 提高可靠性 使光源可作为独立模块，方便单独更换 模块 标准 化 降低成本 提高可靠性 标准化产品成本必然大幅降低 便于制定有效的实验方法对标准化产品的失效 机理进行性能评估，可靠性必然大幅提升 内容提要内容提要 led照明产业格局及器件发展趋