从室内照明发展趋势论LED技术提升的关键(精)

1、从室内照明发展趋势论LED技术提升的关键唐国庆（中国照明电器协会半导体照明专业委员会，上海200333摘要:随着LE D流明效率的不断上升，它在照明领域的应用也越来越广泛。其中LED室内照明是增长最快的领域之一。论述了目前国内外室内照明的四大主要发展趋势:节能化、功能多样化、柔性化和环保化。在此基础上，从LE D芯片、LED封装到LE D灯具等几个方面阐述了适合室内照明发展的 LE D技术需要提升的几要素。关键词:室内照明；半导体照明；芯片;封装；灯具;节能化;环保化中图分类号:T N36412文献标识码:A文章编号: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引言根据Strategies Uniimited统计，未来5年内LE D室内照明的发展呈指数型增长 趋势，至2011年，其产值将高达数百亿美元。这对于 LE D室内照明来说,既是机遇, 更是挑战。由此，根据室内照明发展趋势来看提升 LE D技术的关键是十分必要的。室内照明目前主要有两种方式123:（1按照明方式可分为直接照明、间接照 明、反射照明、透射照

6、明、漫照明和背景照明等；（2按照明类型分可分为整体照明、重点照明、辅助照明、层次照明、立体照明、装饰照明等。一般而言 ，在办公 场所一般以整体照明（基础照明、环境照明为主，而在家居和商场,酒吧等场所则会兼 具几种照明类型。同时，一种照明类型又可包括多种照明方式。不言而喻，室内照明设计的好坏直接影响人们的日常生活和工作。在业界的努 力下，室内照明正往更加健康有序的方向发展，以下本文先着重论述室内照明几个主 流发展趋势。1室内照明发展趋势石油紧张，煤炭告急，经受10多年经济高速发展的透支之后，能源紧缺问题已成 为制约经济发展的瓶颈，节能减排已是全球最关注的问题之一，室内照明也不例外。早在20世纪9

7、0年代美国环保局就推出商品节能标识体系能源之星（Energy Star趋势与展望Outlook and Future（见表1,让符合节能标准的商品贴上带有绿色五角星的标签，并进入美环保局的商品目录加以推广，以降低能耗。我国也已将节能减排问题研究”列入 十二五”规 划前期重大问题研究课题。可见，节能化发展乃是室内灯具发展趋势。表1能源之星”产品一年和使用周期内的费用和能耗4T ab11 Annual and life cycle costs and sav ings forlOO“ Energy Star ” light fixtures100盏能源之星”灯具100盏传统灯具使用能源之星”之后节

8、省费用每年操作费用用电费用/$4151244829用电量 /kW? h58401752011680维护费用/$190511321总计 /$60517501150使用周期内总费用用电费用 /$56351690511270用电量 /kW? h116800350400233600维护费用(使用寿命内/$257969544375买成本/$48003100(21700总计 /$130142695913945收回成本年限/年:412注:数据来源（Energy Star除节能外，功能多样化也是室内照明的主要发展方向之一。主要体现在:（1高显色性:显色性是光源对物体本身颜色呈现的程度，显色指数高的灯具一般能达

9、到90以上，适合在厨房、商品柜台、医院手术台等场所使用；（2智能化:选择高效光源并不意 味着一定能生产出节能的灯具，目前通过电路设计、灯光控制向智能化发展，主要表 现在灰阶可调和色彩可调，目的是降低眩光和进一步节能，并赋予灯光人性化设计；（3 柔性化:透过柔性化设计，灯具的形状可随意更改，大大增强了其艺术感，给人以耳目新的感觉。除上述几点之外，随着人们环境意识的增强和对室内空间要求的提高，环保、轻 薄也成为室内照明发展的主流趋势。以下本文就结合上述室内照明的发展趋势，从LE D芯片、封装、灯具等方面略述几个需要提升的关键。2提升关键之一芯片技术目前的芯片技术发展关键在于衬底材料的选择和外延片的

10、生长技术。除了传统衬底材料蓝宝石、Si、SiC之外,ZnO和G aN等衬底材料也是目前业界研究的热点。无论是用于重点照明和整体照明的大功率芯片，还是用于装饰照明和一些辅助照明的小功率芯片，技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度526及如何研发出更 高效稳定的器件而进行的，而如何提升LE D芯片的效率则是目前提升整体技术指标的重中之重。在短短数年内，借助表面粗化、量子阱结构设计7等一系列技术的改进，目前由 中村修二（LE D蓝光之父领导的UCS B小组和在流明效率的提高上有了较大的突 破（见表2。另外，中村修二在2008年上海张江举行的半导体前沿技术论坛中宣布, 他们研制的效率为150lm/W的产

11、品是基于318V的驱动电压实现的，现在有望将LED的能带隙偏置电压降低至218V，根据推算，届时效率将会提高到193lm/W。表2高效LE D器件性能表T ab12 P erforma nee of LE D device驱动电流l/m A芯片面积S/mm2蓝光波长入/nm流明效率n (e/(Im? W-1UCS B201445150日亚50（脉冲1444163UCS B小组正在着手研究基于衬底材料非极性面和半极性面上生长LE D量子阱8212，并以此技术来提升LE D量子效率。就目前进展而言，他们已成功将在半极rh.性面上生长出来单量子阱，其黄色LE D外量子效率提高到1314%。随着该工艺

12、的不断成熟丄E D量子效率将会得到进一步的提升，LE D芯片的发光效率也有望进提高。3提升关键之二封装技术311单芯片封装单芯片封装是封装技术中采用最多的形式之一。略去多芯片封装需要顾及到更 多的散热和电极分布方面的问题，该封装技术瓶颈主要在于芯片的成品率、色温控 制以及荧光粉的涂布工艺13215。唐国庆 从室内照明发展趋势论LE D技术提升的关键目前就大功率LE D芯片技术而言，主要还是掌握在国外厂商之中。国内厂商虽然起步比较晚，在小功率芯片上已经取得一些进 步，大功率芯片上在良率和效率上还需要作进一步完善。表3 CREE大功率LE D器件产品性能表T ab 13 Characters of

13、 CREE high power LEDs色温T CC /KI max /mA V ty p /N/ImT jmax 厂C R th /(C ? W -1半功率角0/冷白中性白暖白5000100003700-50002600-370070031210087148016150115注:圭寸装尺寸:3145mm X3145mmX210mm;V ty p和 是在350mA下测得。数据来源（CREE表3是目前美国CREE公司推出的一款大功率器件，该器件一方面使用了硅胶 透镜,避免了使用传统环氧树脂封装后由于高温产生黄化等引起的光衰问题；另一方面，陶瓷碗杯的设计增加了产品的散热性能,使产品的热阻控制在9

14、C/W ;另外荧光粉的特定配制使其产品覆盖了冷白、中性白和暖白全系列色温。该器件是迄今能量产 的体积较小的大功率LE D器件,采用的单芯片封装结构简单、易于散热、容易配光、色温容易控制。312芯片集成封装多芯片集成器件是目前大功率 LE D器件最为常见的另一种封装形式，可以分为小功率芯片集成器件和大功率芯片集成器件 两类,前者以6个低功率芯片集成的1W大功率LE D器件最为典型。国际上该类型器件具体性能可达到以下规格：半功率角120,驱动电流300mA，标准电压318V和 可达801m的标准光通输出。该类器件的主要优势在于以较低的采购成本来获得单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系列为代表（见表4,内含四个大功率芯片，通过优化设计，可以使最终的产品热阻控制在3C/W ,同时可以驱动高达10W的高功率，它的出现使得替代一些高端室内照明设施 成为可能。该封装形式的主要难点是由于芯片间的差异性而引起的配光、老化、色 度均匀性等难以控制。表4 美国CREE推出的MC 2E系列LE D产品性能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 封装该技术沿用传统半导体工艺，即直接将LE D芯片直接固晶在PC B板上。利用该技术，目前已有厂商能使LE D模组作到013mm以下的厚度，同时由于LE D芯片直接与PC B板连接，增加了导热面积，散热问题也可以得到解决。目前此封装形式多以小功率芯片为主，器件效率可作到70lm/W (20mA以上。不足之处在于还存在 一些技术壁垒，目前能量产化的不多。4提升关键之三灯具技术411 散热技术灯具的寿命一直是大家所关注的主要问题之一。一个好的灯具散热系统光靠低 热阻的L

17、E D器件是远远不够的，它必须有效降低pn结到环境的热阻，以此尽可能降 低LE D的pn结结温来提高整个LE D灯具的寿命。跟传统光源不同的是,PC B板既是LE D的供电载体，也是散热载体,所以PC B的散热设计(包括布线、焊盘大小等尤为重要。412光学设计LE D是点光源,又有方向性。利用好LE D的这两个特性是灯具光学设计的关键。通过 LED点阵的设计和二次光学的设计丄E D灯具可以达到比较理想的配光曲线。例如在整体照明中，要求灯具的照射面比较大，可以使用线性LE D灯条配以导光板等技术使之成为面光源，既提高均匀度又可防止眩光的发生。一些辅助照明、层次照明中则需要一定的聚光效果，以突出被

18、照物体，主要可以选择配一些聚光透镜来达到光学要求。除以上因素，色温、辉度、显色指数也是室内照明设计考虑的重点，目前通过LE D芯片和荧光粉的改良丄E D灯具的显色指数可达9516。唐国庆 从室内照明发展趋势论LE D技术提升的关键413驱动设计LE D是单极性器件，在实际使用中仅允许电流从固定一侧流入并从相应另一侧流出，因此不能在LE D器件两端直接施加交变电流或电压。同时，为了获得稳定的LE D光通量输出丄E D器件的输入电压（顺向或电流亦需稳定，所以必须选用LE D 电源驱动器。一般可将LE D电源驱动解决方案划分为以下三大类：（aDC/DC应用:如手电筒、闪光灯、MR16、头灯、橱柜照明

19、等;（bAC/DC应用（25Wm普通照 明、汞灯替代照明等；（cAC/DC应用（ 25Wta道路、隧道、铁路、洗墙的照明等。414系统设计除了以上光电热因素的影响 丄ED灯具的整体设计也是重要的一环。包括灯具 的外形、选材、结构设计。外形上需要增加其艺术美感 ，选材上兼顾环保实用，结构上要融于整体建筑架构。另外，根据实际的应用场所，选择合适的灯具出光效果也是 需要考虑的。5结论综上所述,本文从LE D芯片、封装、灯具三方面阐述了 LE D技术提升的关键。按效率而言，目前量产的LE D效率可达100lm/W350mA,而实验室水平可高达161lm/W350mA17;按光源质量而言，目前LE D灯

20、具的显色指数可高达95,并且在体积和区域控制上优势明显；按照材料特性而言，组成部件的材料绿色环保。所以，可以看出LE D还有较大的提升空间，随着LE D配套产业链的进一步完善，相信LE D室内照明将越来越普及。参考文献:1尤雷精彩设计M.吉林:美术出版,2006.2齐雄,刘雪英.室内设计M.北京:中国水利水电出版社,2006.3朱淳.室内设计基础M.上海:上海人民美术出版社，“ 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