如何经由LED封装设计改善流明衰减

根据Nadarajah Narendran和Keith Toomey的说法，在构装设计方面的改进，预期将可为以LED为基础的照明灯具延长至十万小时的寿命。 

自电力照明被引介之后，在一世纪的期间，仅有两种型态的光源技术──白炽灯和电力放电──曾经共存过。标准的住宅照明灯泡是属于白炽光源的家族，而用于办公室直线式的荧光灯，及在街道上看到之钠灯，则是电力放电式家族的例子。而此刻，第三种型式的光源科技──发光二极体（Light Emitting Diode；LED），正在崭露头角并具有很好的前途。作为第一个固态照明的科技，LED有提供显著的能源节约和长寿命的潜力。这些因素已将一般照明社群吸引到这一个新的科技了。

LED做为有效率的光源

对大多数的人们，LED这个名词仅与经常在电子设备上所看到的小型指示灯相关，例如：收音机和遥控器。虽然LED是在1960年代后期开发出来的，而研究人员和开发者，却花费了近三十年制造用此一科技的白光。然而在此期间，有颜色的LED之强度显著地增加许多，允许它们被用在很多样的应用上。在 1990年代的后半期间，LED开始在交通号帜上取代了白炽灯。在此一应用方面，与其对应的白炽灯比较，LED已显示可节省超过80％以上所用的能源。如此大的能源节约可被实现，是因为传统的彩色的号帜，在白炽灯上须用光学的滤器。这些滤器吸收，并浪费了显著的由光源所产生的一部分的辐射能源。另一方面来说，LED以一个狭窄波段来发光，因而可以有效率地产生彩色的光。

图一：5mm封装的LED在温度控制环境下的情况

当LED在交通号帜上取代白炽灯时，它们不只是以能源效率来展露；事实上，一些制造商宣称他们的LED可维持十万小时。

当白光LED技术逐步进化时，产业界专家预期LED将可能使照明工业产生突破性的变革，包括：在照明的领域。听到这个后，一些早期的采用者很快地就创造了一种光源，使用5mm 白光LED数组包装在一个灯壳内。这些「LED灯泡」模仿标准的白炽灯泡，而且他们的制造者宣称，他们是较白炽灯更有能源效率的，而且像他们的彩色对手一样可持续十万小时。这导致许多人相信，白光LED是准备好去取代白炽灯了。

白光LED的寿命

然而，现实却无法实践初期的宣示。在2000年代初期，研究人员的发表显示，这些5mm 白光LED的光线输出下降地非常迅速。在仅约6000小时内，光线的输出下滑到其初始值的一半以下（Narendran et al. 2000 and 2001a）。仅管有这项信息，以及许许多多的文章已显示，5mm的白光LED非常快地衰减，很多制造商仍继续宣称他们将可持续十万小时。 

另一篇最近的刊物显示，甚至于不同的彩色5mm LED，随着时间变化而不会以同样的方式衰减(Narendran et al. 2001b)。这些LED是在一温度控制的房间中测试的，而他们是被装设在如＜图一＞ 所示的印刷电路板上。不同色彩之LED的光线输出之劣化，是显示在＜图二＞。红色LED的光线输出，是以较白光LED慢甚多的速率衰减，而绿光和蓝光LED则以中等的速率衰减。 

LED是封装在一个与外界隔离的灯具中，在其中周遭的温度是较在温度控制的研究为高一些，而将遭受到更高的衰减速率。所以，所宣称的LED灯具，以包装的数组5 mmLED，白色或彩色的，其有十万小时寿命是骗人的。这些LED的确是可维持十万小时，但是他们的输出可能不够用于灯具的原定之应用了。五千小时之可用的寿命，对于5mm LED灯具来说可能是更为贴切的。

图二：20mA下，5mm封装LED衰减情况

较新的LED封装

标准的5 mm LED封装原是被设计用在指示灯的应用，但是在操作时，他们的设计不允许自LED芯片，有足够之热传导以维持冷却。当芯片的温度升高时，这个装置会更快速地劣化。另一个问题是5mm 的白光LED，会使树脂黄化而减低了光线的输出，并且增加光线输出的劣化速率。 

然而乐观是有理由的；较新的高功率LED封装已被设计用在照明的应用了。这些高功率LED，每一装置产生十到二十倍更多的光通量，而与5 mm的封装相比更为有效。 

此外，一份近期之刊物已显示，新高功率白光LED封装之流明的劣化，与5 mm封装相较已降低相当地多了(Narendran et al. 2001b)。一些制造商经由适当地吸收热量，并将LED封装在不会随时间劣化的材料，似乎已解决了劣化的问题。 即使是传统的光源，例如：白炽灯、卤素灯、荧光灯和金属卤化物灯，均展现出在他们的操作寿命期间之光线输出衰减。＜图三＞ 显示不同的白色光源，其光线输出随时间变化的比较。高功率的LED有非常低的光线输出劣化，根据＜图三＞的初步数据，在装置的架构的进步，光线的吸收和散热已使得高功率LED能有所进展，它提供了改善的发光功效，并提高了照度的维持度。

图三：白光光源在不同环境下的比较

这些进步已使徥白光LED科技更有用于一般照明的应用的可能性了。假若LED工业能够维持这些进步的趋势，在未来的五至十年间，固态照明将可有明显的市场突破。

未来在照明的LED

以LED菜单现之改善，固态照明正吸引了更多由照明界来的注意力。一般照明的市场是很巨大的，但是突破那个市场将需要更高价的LED产品。制造商将必须继续致力于更长寿命的白光LED，并有着更高的功效、更高的照明通量和改善的颜色性质。照明研究中心（Lighting Research Center）现正在确认一些参数，其可以被改善以提供为人们可接受之有品质的照明。 

使用LED的照明，对于建筑学上可能会有重要的冲击。试着想象一位建筑师，他可以自由地设计建筑，将全部的照明系统建于墙壁、天花板、甚致在地板里面。当照明用的LED可达到很长寿命时，换一个灯泡的杂务将被归类为一个博物馆中的展示项目了（注：很久才换一次）。 

 新的照明产品变成建筑的一部分，对于这个产业将会需要一全新的方向，而这种改变可能不是容易的。现在由天花板上吊挂的灯具，或在墙壁上的均将会消失，虽然设计师可找到更有审美观取悦的方式来运用LED的科技，而不仅只是将LED隐藏在墙壁里面。制造商以及设计师和建筑师，将需要改变以跟上快速进化的LED。

关于作者：Nadarajah Narendran 和 Keith Toomey 是在纽约Troy市的Rensselaer Polytechnic Institute之照明研究中心工作。