白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的分析

白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的分析及探討摘要：白光LED具有發(fā)光效率高、功耗低、壽命長、環(huán)保等很多其它傳統(tǒng)照明光源無法比較的優(yōu)勢。因此被認為是取代白熾燈跟熒光燈最具潛力的照明光源。本文根據(jù)目前半導(dǎo)體照明的最新研究進展，介紹了GaN基白光LED應(yīng)用在室內(nèi)照明領(lǐng)域的開展趨勢，從視覺指標、光學(xué)參數(shù)、封裝技術(shù)、價格等方面出發(fā)，指出了白光LED在日常照明普及過程中的一些主要問題，并對這些問題做了詳細的分析及探討。針對現(xiàn)有可行的解決方法，對開展前景做了進一步展望。關(guān)鍵詞：白光LED;室內(nèi)照明；大功率引言世界各國紛紛倡導(dǎo)使用節(jié)能環(huán)保型光源，白熾燈由于發(fā)光效率低、耗電量大、壽命短，將逐步被淘汰。熒光燈因其具有節(jié)能、高效等優(yōu)勢，已成為照明界的佼佼者，在照明設(shè)計方面，業(yè)已形成了一套豐富的經(jīng)歷。LED的出現(xiàn)將給白熾燈和熒光燈帶來巨大挑戰(zhàn)，被認為是下一代高效的綠色照明光源。專業(yè)人士強調(diào)：照明市場在2021年將成為白光LED最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。1、白光LED的產(chǎn)生機理目前制備白光LED有三種方法：第一種方法是把紅、綠、藍〔RGB〕三種芯片封裝在一起混合發(fā)出白光，簡稱MCLED〔multi-chipLED〕；另一種方法就是通過熒光粉轉(zhuǎn)換得到白光LED,稱為PCLED〔phosphorconvertedLED〕，包括藍光LED芯片加YAG黃色熒光粉、紫外LED芯片加RGB熒光粉；此外還有MOCVA直接生長多有源區(qū)的白光技術(shù)。相比之下MCLED的綜合性能好，但是綠光轉(zhuǎn)換效率低、本錢高；藍光LED生成白光技術(shù)比較成熟，已經(jīng)開場應(yīng)用于照明行業(yè)。這種LED的發(fā)光原理就是GaN基藍光LED芯片發(fā)出的藍光〔λp=465nm;Wd=30nm〕，其中有一局部被熒光粉吸收，另一局部藍光及熒光粉發(fā)出的黃光相混合產(chǎn)生白光，如圖1所示。2、LED燈具現(xiàn)狀及其缺乏白光LED燈在要進入普通家庭，必須到達室內(nèi)照明標準，保證正常的工作、學(xué)習(xí)和生活?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)各種LED室內(nèi)照明燈具，但是照明效果還不太理想，及普通照明要求還相差太遠，表1是目前LED燈具及傳統(tǒng)光源性能參數(shù)的比較：從表1來看，白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的憂勢還未能充分表達，LED燈具還存在著很多方面的缺乏。2.1顯色指數(shù)、色溫LED室內(nèi)照明燈具及普通的LED指示燈不同，要接近自然光的效果，使被照物在光源的照射下無失真。因此，顯色指數(shù)跟色溫就顯得尤為重要。顯色指數(shù)Ra是指物體在被照光源下的顏色及在日光照射下的顏色的相符程度，顯色指數(shù)越低就說明物體在被照光源下失真度越高，它是衡量人眼對光源視覺質(zhì)量的指標。色溫是衡量光源色的指標，色溫偏低表示光色偏暖〔紅色〕，偏高那么表示光色偏冷〔藍色〕。利用PCLED中藍光LED+YAG黃色熒光粉制成的白光LED,由于其光譜中缺失紅色局部，顯色性較差，難以滿足低色溫的照明要求，而MCLED那么可以通過選擇適宜的波長跟強度來獲得更好的顯色指數(shù)，但是芯片性能的差異使得驅(qū)動電路過于復(fù)雜，圖2是NICHIA兩種白光光譜的比照。目前白光LED大多采用藍光LED加熒光粉合成，其電光轉(zhuǎn)換效率的改善是因為人眼對藍綠光比對紅光更為敏感；導(dǎo)致目前高亮度白光LED色溫偏高，為了到達更好的視覺效果，要通過增加紅色成分來改善，國內(nèi)外很多機構(gòu)已經(jīng)采用不同的方法研制出能夠被藍光芯片有效激發(fā)的紅色熒光粉，如何保證熒光粉發(fā)光效率更高、化學(xué)性能更穩(wěn)定是目前重要的研究課題。其次，在一定的色溫范圍內(nèi)，還要注重?zé)晒夥鄣呐浔雀糠蠊に嚕@對制造出高顯色性、低色溫的白光LED也是至關(guān)重要的。

2.2發(fā)光效率、光通量及價格我國目前白光LED燈的發(fā)光效率已經(jīng)到達60~80Imlm/W,跟熒光燈水平相當，但是在價格上及之相比還有一段距離。以40W熒光燈為例，按其發(fā)光效率60lm/W來算，其光通量為2,400lm,而一支15W的LED日光燈管，要到達熒光燈的光通量標準，發(fā)光效率要在150lm/W以上，目前為止還相差甚遠，況且價格高出熒光燈數(shù)十倍。顯然，LED燈要替代熒光燈，光效和價格是兩大瓶頸。隨著LED芯片技術(shù)的開展，外量子效率的不斷提高，光效也在飛速上升。2021年7月德國歐司朗公司宣布，新研發(fā)的白光LED在350mA的電流下光效到達136lm/W,2021年10月美國科銳公司在瑞士召開的一家研討會上宣布白光LED實驗室水平達157lm/W;日本日亞早在2006年底就生產(chǎn)出150lm/W的白光LED,進過屢次的改進后于目前開場量產(chǎn)。國內(nèi)也在提高光效和降低價格方面取得了突破性的進展，按1W白光LED來算，光效從2003年的30lm/W上升到2007年的70~80lm/W,價格從5~6美元下降到2~3美元，如今已經(jīng)提升到80~90lm/W.實驗室水平已經(jīng)超過100lm/W,例如佛山國星通過改進封裝工藝，研發(fā)出115lm/W的1W級大功率芯片，這標志著我國離半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)目標〔如圖3〕之路越來越近。2.3封裝技術(shù)及散熱白光LED燈具內(nèi)部構(gòu)造通常是由LED模塊和控制系統(tǒng)組成，目前廠家大多利用φ5高亮度白光LED直接封裝在PCB板上，采用盡可能多的LED來增加光通量跟亮度。這樣，LED支架及PCB板之間的熱效應(yīng)加劇，光衰嚴重，壽命上還遠遠達不到理論上LED光源的幾萬小時，而且LED過多導(dǎo)致驅(qū)動電路復(fù)雜、二次光學(xué)設(shè)計本錢增加。因此，LED燈具需要采用大功率封裝技術(shù)。首先是單個大功率LED芯片封裝。大功率芯片在發(fā)光效率跟光通量方面都要優(yōu)于小功率LED,用一個替代十幾甚至幾十個小功率LED;降低燈具本錢，簡化驅(qū)動電路，是目前值得推廣的一種封裝形式。大功率LED的輸入功率較大，但是電光轉(zhuǎn)換效率非常低，只有不到20%轉(zhuǎn)換成光，產(chǎn)生的大局部熱量如果不能及時排出，就會造成接日溫度升高，影響LED壽命。因此，大功率LED必須解決散熱難題。到目前為止主要措施包括封裝技術(shù)和封裝材料的選擇，采用大功率芯片倒裝技術(shù)，增大接觸面的外表積〔加大引線支架的直徑和引腳尺寸〕，帶鋁芯夾層的PCB板的選用都能夠取得很好散熱效果；利用低熱阻、散熱性能好的封裝材料〔如陶瓷、銅等〕代替熱傳導(dǎo)性差的環(huán)氧樹脂，鋁、銅制散熱基板以及導(dǎo)電型錫漿等粘貼材料的選擇也是目前研究的熱點。其次是多芯片組合封裝模組。由于以Lumileds、科銳、歐司朗及日亞公司為主的大功率LED芯片成為目前高端市場的主流，國內(nèi)技術(shù)還不成熟，相對來說小功率白光LED貨源充足，價格較低。國內(nèi)許多廠商開場研究多片集成技術(shù)，即利用多個小功率芯片通過不同的串并組合高密度集成在一起組成大功率LED模組，由于采用散熱技術(shù)相對較好的鋁基板，可以提高模組的壽命，而且芯片尺寸和封裝形式可以隨意選擇，非常適合室內(nèi)照明設(shè)計。2.4二次光學(xué)設(shè)計方案及燈具標準的制定LED不同于傳統(tǒng)的照明光源，要想進入普通家庭，必須摒棄傳統(tǒng)的燈具設(shè)計標準，選擇適宜的設(shè)計方案，減小二次設(shè)計的難度，降低燈具本錢，將LED組合成適用于照明的環(huán)形光源或者面光源。例如，利用平面鏡反射系統(tǒng)或者光導(dǎo)技術(shù)，不僅大大節(jié)省LED光源數(shù)目，而且還可以減小體積，制成超薄的燈具。日立Lighting受液晶面板背照燈導(dǎo)光板技術(shù)的啟發(fā)，開發(fā)出現(xiàn)狀白色LED照明燈具“LINESABER〞,在導(dǎo)光板兩端放置百光LED,光線就能均勻擴散，解決了普通LED燈難以均勻照射以及“顆粒物〞太明顯的問題。北高智科技設(shè)計的一款新型日光燈，采用日本Citizen公司的0.06W白光LEDCL-822,利用42片CL-822組成一個串聯(lián)模組，然后將六個模組并聯(lián)成15WLED,加上獨特設(shè)計的PILNK306PN驅(qū)動電源，相當于40W普通T型日光燈管，此種方案的LED燈光效能夠達100lm/W,壽命也是普通日光燈管的好幾倍〔如圖4〕。南京漢德森公司提出一種直接在金屬基PCB板上封裝LED二維光源的創(chuàng)新方案，及數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合，通過控制系統(tǒng)進展混光、變換R、G、B三色光源的顏色跟亮度到達智能化照明的效果，這種方案是傳統(tǒng)的光源無法實現(xiàn)的，從而有望在根本上取代傳統(tǒng)的照明燈具。在LED燈具方案多樣化的同時，必須重視燈具設(shè)計標準的制定。隨著LED產(chǎn)業(yè)迅速壯大，國內(nèi)外標準制定工作也在有條不紊的進展：日本早在2004年就開場企劃半導(dǎo)體照明標準，試圖壟斷全球LED產(chǎn)業(yè)的開展；美國能源之星也在不久前引入固態(tài)照明替代燈的標準，并方案于2021年正式實施；隨著半導(dǎo)體照明工程的大力推動下，我國聯(lián)盟標準化協(xié)調(diào)推進工作也在順利進展，2021年年初10余項普通照明用LED標準制定獲得立項批準，目前送審稿已經(jīng)出臺，為下一步行標和國標推出