大功率白光LED道路照明探討

1、大功率白光道路照明探討I概述的開發(fā)迄今已有近 30 年歷史，取得長足進(jìn)展，白光的提出歷十余年磨練，發(fā)展 迅速。在能源短缺、污染嚴(yán)重的時(shí)代應(yīng)運(yùn)而生、倍受重視。為緩解能源緊張、上世紀(jì) 90 年代中葉， 日本政府率先、 繼則美國政府從財(cái)政上支持本國技術(shù)界和工業(yè)界推動(dòng)固 態(tài)照明的開發(fā)。我國政府 （以科技部為首、包括能源部、經(jīng)貿(mào)委、信息產(chǎn)業(yè)部等，以與 各地方政府 ）也大力支持和資助的研發(fā)， 并成立了國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟推進(jìn)中國的固態(tài) 照明 （中國稱之為半導(dǎo)體照明 ）計(jì)劃，并預(yù)期 2010 年白光的光效可提高到 100 ，并可 用以大量替代光效約 90 的熒光燈廣泛用于普通照明領(lǐng)域， 1 2 。在這樣的形勢(shì)

2、下我國的大量企業(yè)、投資者、研究人員和技術(shù)人員紛紛介入，大規(guī) 模投資開拓的研發(fā)和生產(chǎn)，迄今估計(jì)總共已投入人民幣數(shù)十億元，在不到十年的時(shí)間 中取得了突出的成績，形成了規(guī)模龐大的產(chǎn)業(yè)鏈。全世界對(duì)特別是白光如此的重視有其內(nèi)在原因，當(dāng)前巨量的能源消耗和由此引起 的能源短缺、價(jià)格上漲、特別所造成環(huán)境已使得能源節(jié)約成為一項(xiàng)十分迫切的任務(wù)。 各國消耗的能源中很大一部分用于照明。我國以與發(fā)達(dá)國家照明用電約占發(fā)電總量的 1213% ，這是一項(xiàng)十分可觀的能源損耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的 白熾燈類光源為主，從中挖潛是大有可為的。領(lǐng)域集中了眾多優(yōu)秀人才，取得了輝煌成績，一些研究部門宣布他們研發(fā)的在某 些條

3、件下達(dá)到了 120 甚至 150 的光效。因而大部分企業(yè)也紛紛宣稱自己的產(chǎn)品的光效 已達(dá)到 70 、90 或更高，由于的光輻射是定向的，其光利用率比輻射輸出各向均勻的 普通光源僅靠燈具的定向反射采光的效率要高，因此認(rèn)定是當(dāng)前最佳功能照明光源， 并大力向各個(gè)照明領(lǐng)域推廣， 數(shù)年前已有人宣稱 2010 年將會(huì)大量取代緊湊型熒光燈、 大規(guī)模進(jìn)入家庭照明、并斷言白光是當(dāng)前最好的道路照明光源。毋庸置疑的是經(jīng)過 20 多年的發(fā)展，在顯示領(lǐng)域已取得了完全成功、并已成為無 與論比、不可替代的顯示器件。在裝飾照明方面也充分顯示其特色、取得半壁江山， 2008 奧運(yùn)會(huì)開幕式上的出色表現(xiàn)更震撼世界。但是不能不正視的

4、事實(shí)是在功能照明 方面白光仍然存在較大的局限性。中國已經(jīng)是世界上最大的的生產(chǎn)基地和消費(fèi)市場， 的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，但由于目前的技術(shù)水平和實(shí)際性能的限制，將此種器件用于功能照 明并非用其所長的。所謂大功率，目前市場上能找到最大功率器件也不過 3W ，即使 是研發(fā)中的 10W 器件能大規(guī)模生產(chǎn)，但對(duì)于常規(guī)照明特別是道路照明中使用的數(shù)百 瓦的光源而言其單粒功率失之過小。采用白光設(shè)計(jì)一項(xiàng)照明工程其用量必定很大，無 論是設(shè)計(jì)難度或是成本都將是得不償失的。n的光效對(duì)的普遍的評(píng)價(jià)是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產(chǎn)品光效高達(dá) 90 或更高， 但這些數(shù)據(jù)只是某些實(shí)驗(yàn)室在測(cè)試初始階段當(dāng)仍處于冷態(tài)時(shí)測(cè)得的最高數(shù)據(jù)。所謂

5、5萬小時(shí)或 10 萬小時(shí)壽命只是早期對(duì)小功率單色的估算結(jié)果。從的發(fā)光機(jī)理可以估算其理論光效。如所周知是利用載流子復(fù)合而發(fā)光的，載流 子復(fù)合時(shí)其勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為光能，單就這一過程而言其內(nèi)量子效率為100% 。但是載流子在介質(zhì)中與晶格碰撞而損失的能量、復(fù)合時(shí)載流子所攜帶的動(dòng)能、以與為克服外 電路電阻而消耗的電能均不可能轉(zhuǎn)化為光能?？紤]到各種附加能耗、載流子復(fù)合的實(shí) 際內(nèi)量子效率不會(huì)超過 90%載流子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子有 50%的幾率為外向輻射，這 50%的光子中一部分與 晶格碰撞并為晶格吸收轉(zhuǎn)化為熱能。部分光子傳輸時(shí)在不同介質(zhì)交界面處會(huì)反射回原 介質(zhì)并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網(wǎng)膜或透明導(dǎo)電

6、膜也將使部分光子反 射并被吸收，這些過程都會(huì)降低的量子提取率，設(shè)這部分光子的量子提取率為80%載流子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子中有 50%的幾率為內(nèi)向輻射，這部分光子在到達(dá)兼作反 射鏡的底層導(dǎo)電膜時(shí)將部分反射轉(zhuǎn)化為外向輸出光，然而此部分光子在向內(nèi)或向外傳 輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經(jīng)過不同介質(zhì)交界面時(shí)也將部分反射或折 射回原介質(zhì)最終被吸收?；追瓷溏R的反射效率和上述過程的限制而使得內(nèi)向輻射的 光子轉(zhuǎn)化為輸出光的量子提取率不會(huì)超過40% o根據(jù)以上分析可以估算出總的電光轉(zhuǎn)換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計(jì)結(jié)果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉(zhuǎn)換效率的下 降。與可

7、見光轉(zhuǎn)換效率不足 5%的白熾燈相比，甚至與當(dāng)前轉(zhuǎn)換效率最高的高壓鈉燈、 陶瓷金鹵燈相比（電光轉(zhuǎn)換效率約為30%）也是非常高的，這正是有十分誘人前景的原因所在如所周知， 將 1W 能量全部轉(zhuǎn)化為 555 波長的黃光時(shí)產(chǎn)生的光通量可達(dá) 683（683 即光功當(dāng)量 ），若全部轉(zhuǎn)換為白光則約為 360 。如本文前面的估計(jì)，在十分理想情況下 發(fā) 555 黃光的最高可能達(dá)到約 300 的最高光效， 目前上述估計(jì)還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。 目前所報(bào) 導(dǎo)的的最高光效實(shí)際只達(dá)到這一理想值的一半，而實(shí)際上還不足其 1/4 ，這也正是人 們論為尚有巨大潛力可挖、對(duì)之寄以厚望的原因所在。提高發(fā)光效率的關(guān)鍵在于提高量子提取率，亦即盡

8、可能減少光子的內(nèi)部吸收，這 就是向超薄型發(fā)展的原因。目前最高光效的超薄型（厚度數(shù)十納米 ） 、其下導(dǎo)電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內(nèi)表面制成粗糙構(gòu)造、以減少光子的內(nèi)向反射，然而即使 如此目前報(bào)導(dǎo)的最高光效不過 150 。 3以上分析的是對(duì)單色光的進(jìn)行的， 將單色光轉(zhuǎn)化為白光還須再經(jīng)過一次量子轉(zhuǎn)換， 目前大都采用發(fā)射光譜的中心波長約 470 的藍(lán)光來激發(fā)輻射光譜中心波長為 560 的寬 帶黃光熒光粉，從而制成藍(lán)黃光混合的白光，但是這將使的光效近一步降低。其光子 效率可以估算如下：如果保留輻射中的約 20% 藍(lán)光輸出，用剩余的 80%的藍(lán)光激發(fā)黃光熒光粉，在 最佳情況下這 80%的藍(lán)光中約有 2

9、0% 以上的光子將為熒光粉吸收，其余 80% 下轉(zhuǎn)移 為以 560 為中心波長的寬帶黃光輻射， 這一過程平均產(chǎn)生 16.1% 的量子能量損失。 結(jié) 合前面的數(shù)據(jù)可以估計(jì)白光的總能效不會(huì)超過 40% ，換算為白光時(shí)白光的總光效最多 不過 150 。如果沒有其他突破，這是當(dāng)前白光可能達(dá)到最高光效，這一光效與當(dāng)前最 高光效的光源如燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實(shí)際達(dá)到的光 效尚未與此一半。我們?cè)鴮?duì)此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，我們利用某公司生產(chǎn)的 1W 高亮度藍(lán)光，其光譜的 中心輻射波長為 470 見 .3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為560 的黃光熒光粉涂層，經(jīng)處理后測(cè)量其

10、發(fā)射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了 四種典型情況，其結(jié)果見 .4 a 與附表。最佳情況下 (.4 c) 的光通輸出為 38( 初始冷態(tài)約 50) ，顯色指數(shù)為 78。某著名跨國公司技術(shù)人員介紹他們的 1W 白光的初始光效達(dá)到了 70 ，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 因結(jié)溫度上升，光效降為 50 。1c6421U 111111V111350 400450 500 550 GOO G50 700 750800Fig. 2L11(2CI AjKO 4004S0 WO !A0 GOO CSO TOD 0900MO 4004» !M» 550 600 KO 700750 MOa2.4丄3M 4

11、00 4M 500 MO 600 6S0 700750800350 WO 450 MO S5O 6<X> G50700750 WOAcdFigW相應(yīng)圖直JFig.4Fig*Fig.4ceFig.4卩 d。熒光粉層厚（T很薄卩薄v中厚屮色溫（K>30000“1461375*3666- 相對(duì)光通童J0.120.251Q0.12 顯色指數(shù)®）"48u<2007年日本材料科學(xué)研究所納米陶瓷中心得到的結(jié)果是最高的3，他們采用中心波長為450的藍(lán)光和光子轉(zhuǎn)換效率高、在450藍(lán)光范圍有強(qiáng)吸收峰、溫度系數(shù)低的三種熒光粉進(jìn)行了試驗(yàn)，這三種熒光粉分別為：a: 2+、a：

12、 2+和25 N8： 2+。這些熒光粉的特點(diǎn)是發(fā)光效率的熱衰減較小，在150 C時(shí)仍保持初始值的85% o這三種熒光粉的發(fā)射光譜示如.5 o1 - a-siakm:Yb2 - ii-sialart Eu"'3 - Sr Si N ;Eu?+7 Ch 8-4M 500 550 600 650 700 750 COOJSO 販 55060G'f-50 m 門0波 K；(nin)$ 7 昭 5U1.3 2 1 & 000 & OOO aooooooa 亠 EE5E 一0 Q25Q 0T50 0109QQ5OQOCiL<niTilFig上0側(cè)以藍(lán)光和1號(hào)

13、熒光粉制成的白光的發(fā)射光譜示如.6，其光效為55，色溫4500K這是本人所知道白光的最高光效報(bào)導(dǎo) （據(jù)測(cè)試國內(nèi)1W白光的光通量大多在40以下）。 采用2號(hào)和3號(hào)混合熒光粉試制的白光的發(fā)射光譜示如 .7,其顯色指數(shù)提高到82，色 溫4200K，但光效確降低到20 o如前所述，的發(fā)光是由 n型半導(dǎo)體中的負(fù)載流子（電子）在外電勢(shì)作用下克服阻擋 層電勢(shì)進(jìn)入p型半導(dǎo)體并為空穴俘獲產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光的。通常半導(dǎo)體的溫度系數(shù)較大， 隨溫度上升其電阻率下降，阻擋層電勢(shì)也將降底，與此同時(shí)其輻射的中心波長將向長 波方向漂移（紅移）而使熒光粉的發(fā)光效率下降。目前白光運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最多 20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量

14、均轉(zhuǎn)化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對(duì)于小功率，80%的輸入功率的加熱作用不會(huì)使芯片溫 度上升太多，對(duì)的光效、壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)影響不大。但是0.5W或更大功率的白光，其功耗的80%以上集中發(fā)生在非常小的結(jié)區(qū)，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會(huì)造成快速光衰并使壽命縮短。5萬或10小時(shí)的長壽命判斷是在發(fā)展初期對(duì)小功率單色估算的，對(duì)于大功率，特 別是白光，由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設(shè)計(jì) 不良的照明工程在運(yùn)轉(zhuǎn) 34 個(gè)月后急劇的光衰使設(shè)計(jì)者不得不常常更換光源的原因。川和道路照明由于對(duì)白光的巨大投資和過分的宣傳，至使這一領(lǐng)域的部分人員對(duì)白光寄以過高 期

15、望，急于將白光推向常規(guī)功能照明，很多這一領(lǐng)域的人員并將之直接推廣到道路照 明方面，數(shù)年來全國完成的道路照明和光伏道路照明樣板工程不下數(shù)十處（作者考察過多條采用作光源的道路照明工程 ）已經(jīng)取得了足夠多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)有待總結(jié)。 本人認(rèn)為 這一試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)暫時(shí)放緩，待條件成熟后再重新啟動(dòng)。目前我國和發(fā)達(dá)國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數(shù)用金屬鹵化物 燈，前者光效為 100120 ，但顯色指數(shù)僅為 20 或更低，后者的光效 80100 ，顯色 指數(shù) 80 左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類光源實(shí)際的系統(tǒng)光效在 7590 之間。 由于道路照明所用燈具的光反射率不高，通常均在 60% 以下。采用此類

16、燈具時(shí)有約 40% 光直射地面， 其余 60% 的光則需經(jīng)燈具反射后射向地面。 粗略估算去除各種損耗 后常規(guī)道路照明的總光利用率不超過 76% ，由此估計(jì)最終的光效約為 6070 。此外由 于燈具設(shè)計(jì)的不合理以與高壓鈉燈特殊的細(xì)長柱狀發(fā)光體而造成光分布不均勻，為使 道路中線和二燈之間的暗區(qū)達(dá)到照明標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)不得不采用更大功率、更高光通量 的光源以滿足暗區(qū)的照度要求，從而更造成了電能的浪費(fèi)?；谏鲜銮闆r道路照明設(shè)計(jì)者認(rèn)為利用的定向輻射性能進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)、可以 大幅減少能量的浪費(fèi)，他們認(rèn)為白光比高壓鈉燈更節(jié)能。他們?cè)O(shè)計(jì)了若干利用大功率 （1W 、 3W） 白光的道路照明方案，并做成樣板工程。但

17、是這些樣板工程大都并未經(jīng)過 仔細(xì)測(cè)試和認(rèn)證。其中一種照明設(shè)計(jì)方案是將 120只1W白光矩陣式分布在200 X250的矩形平面電路板上，板后為接線，然后整體安裝在常規(guī)路燈燈具中。這種設(shè)計(jì)是極不科學(xué)的，該方案選用的單只發(fā)光量不超過40，估以 40 論之，考慮到配套電器損耗(10%) 以與 90% 的光利用率，其實(shí)際系統(tǒng)光利用率不足 32 ， 120 只 的總有效光通量 約 4300 。假如的光發(fā)射角為 120 °，按這一設(shè)計(jì) 4300 的光將以 120 °的發(fā)射角射向下 方?？梢韵胂筮@樣的設(shè)計(jì)將使地面光分布極不均勻，街心與燈桿之間完全黑暗。加以 這些設(shè)施中并未考慮對(duì)基片采取有效

18、降溫措施， 如此多的集中在如此小的空間， 80 多 瓦的功耗持續(xù)積累將使芯片溫度過高，阻擋層壓降下降，所發(fā)藍(lán)光向長波方向漂移， 這必然造成其光效的嚴(yán)重下降?？疾炝吮本┙紖^(qū)某光伏照明樣板路(光源總功率為105W) 燈下照度只有 3.5 ，據(jù)云此前二個(gè)半月、該工程剛完工時(shí)燈下照度為 7 。而 燈下直徑 15 米以外的地方則根本沒有任何照明效果。在江蘇、浙江、山東、廣東不 乏此類工程樣板，例如廣東順德某處和深圳某處的道路照明示范街不僅燈光昏暗，而 且每隔 35 個(gè)月必需更換光源。道路照明試驗(yàn)必須在專家指導(dǎo)下、經(jīng)過嚴(yán)格認(rèn)證和設(shè)計(jì)后才能施行。 廣東某些專門從事道路照明工程的企業(yè)從中接取了教訓(xùn)，他們采取的

19、措施是使 1W 工作在 0.50.6W 狀態(tài)，或是將 3W 設(shè)計(jì)為 1W 使用，這樣雖然成本很高、光 效很低，照明效果不佳，但基本解決了光衰和壽命問題。某跨國公司鑒于中國的白光很熱、 專門為中國研發(fā)出了一種用于道路照明的白光， 他們將 1W 前端的封裝材料設(shè)計(jì)為特定的凸透鏡結(jié)構(gòu)， 據(jù)稱采用此種不需二次、 三次 光學(xué)設(shè)計(jì)就可得到均勻的道路照明， 使用方便。該公司宣稱此種的冷態(tài)光效為 70 ，正 常使用時(shí)則為 50 。浙江某公司設(shè)計(jì)了用于道路照明的集成式白光，他們將多個(gè)藍(lán)光芯片組裝在同一 基板上，用一只專門設(shè)計(jì)的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內(nèi)壁涂敷熒光粉，使所有 芯片共同激發(fā)同一熒光粉涂層。 這種

20、組合式的發(fā)光特征被改造得與常規(guī)球形光源相近， 使用較為方便，但這種結(jié)構(gòu)的基板散熱問題仍然存在。需要注意的是將多個(gè)集中在一起進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)、除足夠的光通量和合理的 光學(xué)設(shè)計(jì)以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述，目前的能耗中 約 80% 以上轉(zhuǎn)化為熱量，而半導(dǎo)體器件是不耐高溫的， 如果不能將所產(chǎn)生的熱量即時(shí) 導(dǎo)走則必將引起嚴(yán)重后果。用進(jìn)行的道路照明條件目前尚未成熟，這既有待于光效的提高和功率的加大，更 有待于有效的散熱方案和措施的解決，當(dāng)然更合理的光學(xué)設(shè)計(jì)也是非常重要的。W美國能源部對(duì)商用產(chǎn)品有效性的評(píng)估（）在光效和壽命指標(biāo)方面，目前存在較大的意見分歧，其中一個(gè)重要原因是沒有統(tǒng)

21、 一的標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法，例如照明行業(yè)向來以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光通量輸出和光效作為其產(chǎn) 品參數(shù)指標(biāo)，而業(yè)者則普遍以初始（冷態(tài)）的最大光通和光效為標(biāo)準(zhǔn)，在顯色指數(shù)的測(cè)量方法和標(biāo)準(zhǔn)上亦存在不少差異，壽命標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)量方法也是不同的，相關(guān)數(shù)據(jù)相差甚 遠(yuǎn)，評(píng)價(jià)也大相徑庭。這一問題不僅我國， 在國外也是同樣嚴(yán)重的， 美國能源部早已發(fā)現(xiàn)， 他們從 2006 年 12 月到 2008 年 9 月共進(jìn)行了 7 輪市場產(chǎn)品調(diào)查，僅在 2008 年就連續(xù)分別在 1 月、5 月和 9 月進(jìn)行了三次抽查， 并于 9 月份公布了 “商用產(chǎn)品有效性的評(píng)估和報(bào)告” （& ），他們公布的數(shù)據(jù)和結(jié)論是負(fù)面的，在所檢測(cè)的 24 類產(chǎn)品

22、中只有二類 （下射筒燈）數(shù)據(jù)與產(chǎn)品說明書吻合，除少數(shù)光效達(dá)62 外，平均只有 32 ，低的不足 10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于宣傳上的混亂和數(shù)據(jù)的夸大作了十分嚴(yán)厲而否定的 結(jié)論，其中包括光效、色溫、顏色質(zhì)量、光分布以與照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。特別是光 效，他們發(fā)現(xiàn)宣傳上往往夸大 23 倍以上，而一般用戶對(duì)此并不了解。美國能源部的 一個(gè)結(jié)論是必須建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和指標(biāo)，在我國上述問題更為突出而重要V結(jié)論是一種優(yōu)良的有前途的光源，其特定的發(fā)光機(jī)理賦予它一系列特征和特點(diǎn)。由于 它的發(fā)光體小、介質(zhì)密度大、發(fā)光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大 的也能給人眼以清晰、明亮、無誤的光信號(hào)，用于指示、顯示時(shí)具有無與論比的優(yōu)越 性，所以在顯示領(lǐng)域其應(yīng)用已極為廣泛，無所不在。小功率單色還在裝飾照明和藝術(shù) 照明方面顯示了