LED半导体照明的发展与应用

编者按：半导体技术在上个世纪下半叶引发的一场微电子革命，催生了微电子工业和高科技ＩＴ产业，改变了整个世界的面貌。今天，化合物半导体技术的迅猛发展和不断突破，正孕育着一场新的革命——照明革命。新一代照明光源半导体ＬＥＤ，以传统光源所没有的优点引发了照明产业技术和应用的革命。半导体ＬＥＤ固态光源替代传统照明光源是大势所趋。

１、ＬＥＤ半导体照明的机遇

（１）全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。作为能源消耗大户的照明领域，必须寻找可以替代传统光源的新一代节能环保的绿色光源。

（２）半导体ＬＥＤ是当今世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。

其具有如下优点：
 ①高效低耗，节能环保；
 ②低压驱动，响应速度快安全性高；
 ③固体化封装，耐振动，体积小，便于装配组合；
 ④可见光区内颜色全系列化，色温、色纯、显色性、光指向性良好，便于照明应用组合；
 ⑤直流驱动，无频闪，用于照明有利于保护人眼视力；
 ⑥使用寿命长。

（３）现阶段ＬＥＤ的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前ＬＥＤ的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明领域等。但是，化合物半导体技术的迅猛发展和关键技术的即将突破，使今天成为大力发展半导体照明产业的最佳时机。２００３年我国人均ＧＤＰ首次突破１０００美元大关，经济实力得到了进一步的增强，市场上已经初步具备了接受较高光通量成本（初始成本）光源的能力。在未来的１０～２０年内，用半导体ＬＥＤ作为光源的固态照明灯，将逐渐取代传统的照明灯。

（４）各国政府予以高度重视，相继推出半导体照明计划，已形成世界性的半导体照明技术合围突破的态势。

①美国：“下一代照明计划”时间是２０００～２０１０年投资５亿美元。美国半导体照明发展蓝图如表１所示；

②日本：“２１世纪的照明计划”，将耗费６０亿日元推行半导体照明目标是在２００６年用白光ＬＥＤ替代５０％的传统照明；

③欧盟：“彩虹计划”已在２０００年７月启动通过欧共体的资助推广应用白光ＬＥＤ照明；

④中国：２００３年６月１７日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”。从协调领导小组成立之日到２００５年年底之前，将是半导体照明工程项目的紧急启动期。从２００６年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大项目进行推动；

（５）我国的半导体ＬＥＤ产业链经过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。同时，我国又是照明灯具产业的大国，只要政府和业界协调整合好，发展半导体ＬＥＤ照明产业是大有可为的；

２ ＬＥＤ的发展历程（如图１所示）

２．１ ＬＥＤ技术突破的历程

（１）１９６２年，ＧＥ、Ｍｏｎｓａｎｔｏ、ＩＢＭ的联合实验室开发出发红光的磷砷化镓（ＧａＡｓＰ）半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程；

（２）１９６５年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料制成的可发出红外光的ＬＥＤ，当时的单价约为４５美元。其后不久，Ｍｏｎｓａｎｔｏ和惠普公司推出了用ＧａＡｓＰ材料制作的商用化红色ＬＥＤ。这种ＬＥＤ的效率大约为０．１ｌｍ／Ｗ，比一般的６０～１００Ｗ白炽灯的（１５ｌｍ／Ｗ）要低上１００多倍；

（３）１９６８年，ＬＥＤ的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使ＧａＡｓＰ器件的效率达到了１ｌｍ／Ｗ，并且能够发出红光、橙光和黄色光；

（４）１９７１年，业界又推出了具有相同效率的ＧａＰ绿色芯片ＬＥＤ；

（５）到２０世纪７０年代，由于ＬＥＤ器件在家庭与办公设备中的大量应用，ＬＥＤ的价格直线下跌。事实上，ＬＥＤ在那个时代主打的是数字与文字显示技术领域；

（６）２０世纪８０年代早期的重大技术突破是开发出了ＡｌＧａＡｓ ＬＥＤ，它能以１０ｌｍ／Ｗ的发光效率发出红光。这一技术进步使ＬＥＤ能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯（ＣＨＭＳＬ）设备；

（７）１９９０年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的ＡｌＩｎＧａＰ技术，这比当时标准的ＧａＡｓＰ器件性能要高出１０倍；

（８）今天，效率最高的ＬＥＤ是用透明衬底ＡｌＩｎＧａＰ材料做的。在１９９１～２００１年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化ＬＥＤ的光通量提高了将近３０倍；

（９）１９９４年，日本科学家中村修二在ＧａＮ基片上研制出了第一只蓝色光二极管，由此引发了对ＧａＮ基ＬＥＤ研究和开发的热潮；

（１０）２０世纪９０年代后期，研制出通过蓝光激发ＹＡＧ荧光粉产生白光的ＬＥＤ，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。近年来随着技术的不断进步，白光ＬＥＤ的发展相当迅速，其发光效率已经达到３０ｌｍ／Ｗ，实验室研究成果可以达到６０ｌｍ／Ｗ，大大超过白炽灯，并向荧光灯逼近；

２．２ ＬＥＤ封装形式的发展历程（如图２所示）

２．３ ＬＥＤ应用的发展历程

从其应用发展来看，ＬＥＤ产业的发展历程依次可分为以下几个阶段：
 ①指示应用阶段；
 ②信号、显示应用阶段；
 ③照明应用阶段。

３ ＬＥＤ在照明领域的应用

 （１）信号指示：所有电子设备的功能指示、交通信号灯等（如图３所示）；
 （２）显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等（如图４所示）；
 （３）照明应用；

 ①手电筒、头灯、矿灯、潜水灯等；
 ②汽车用灯：高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯、侧灯、雾灯、车内照明灯、前灯等（如表２所示）；
 ③特殊照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能航标灯、小夜灯、台灯、射灯、室内装饰灯、洗墙灯、橱窗灯、画灯、景观灯、护拦灯、地埋灯、地砖灯、水底灯等（如图５、图６所示）；
 ④背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、大尺寸ＬＣＤ显示器背光源等；
 ⑤投影光源：投影仪用ＲＧＢ光源；
 ⑥普通照明。

３．２ ＬＥＤ在照明应用中应注意的问题

3.2.1 正确选用合适的LED

 （１）ＬＥＤ性能与可靠性的考虑；
 （２）实际使用环境与条件的考虑；
 （３）成本的考虑。

3.2.2 尊重LED的特点，合理地使用LED

 （１）ＬＥＤ额定工作条件的考虑；
 （２）ＬＥＤ驱动电路的设计和电源的选用；
 （３）ＬＥＤ散热结构的设计与照明系统的热量管理；
 （４）照明系统的二次光学设计；
 （５）照明系统的可靠性设计；
 （６）ＬＥＤ的防静电、抗辐射要求的考虑；
 （７）防止ＬＥＤ在实际应用加工中的损伤；
 （８）ＬＥＤ的贮存和防护条件的考虑。

3.2.3 与LED制造厂商保持良好的信息沟通和互动配合，共同找出LED在照明领域的最佳应用解决方案

 （１）应用端尽可能地将设计要求与期望详细地向制造厂商描述，以便ＬＥＤ制造厂商提供专业的意见，正确地选用合适的ＬＥＤ；
 （２）应用端及时地将ＬＥＤ在使用过程中发生的问题反馈给制造厂商，以便制造厂商进一步改善ＬＥＤ的性能与品质，提出更好的解决方案；
 （３）ＬＥＤ制造厂商应主动配合用户的要求，提出最佳应用解决方案。同时用心指导用户合理地使用ＬＥＤ，提高ＬＥＤ的应用可靠性，使ＬＥＤ的性能得到最大限度的发挥。

４、挑战与展望

４．１ ＬＥＤ半导体照明面临的挑战

4.1.1、LED光源

（１）更高的发光效率——真正体现ＬＥＤ节能的优点； ３０ｌｍ／Ｗ——６０ｌｍ／Ｗ——１００ｌｍ／Ｗ——２００ｌｍ／Ｗ
 （２）更大的输入功率——适应普通照明的要求；１Ｗ——３Ｗ——５Ｗ——８Ｗ——１０Ｗ
 （３）更低的热阻——降低ＬＥＤ本身的发热量；２０℃／Ｗ——１５℃／Ｗ——１０℃／Ｗ——＜５℃／Ｗ
 （４）更高的温度承受能力——抵抗高温对ＬＥＤ性能的影响；
 （５）更高的单灯光通量——更快进入实际照明应用；３０ｌｍ——１５０ｌｍ——２００ｌｍ——１０００ｌｍ——１５００ｌｍ
 （６）更高的显色指数——接近传统光源的显色性：７５——＞８０——９５
 （７）更长的寿命——真正体现ＬＥＤ的优点：５ＫＨｒｓ——２０ＫＨｒｓ——５０ＫＨｒｓ——１００ＫＨｒｓ
 （８）更理想的光学结构——配合照明应用的光学设计；
 （９）更低的售价——ＬＥＤ要真正大规模进入普通照明领域，售价必须比目前降低８０％以上。

4.1.2、照明应用

（１）更合理的电源、驱动和控制电路设计——保证ＬＥＤ的应用可靠性，有利于ＬＥＤ优点的体现；

（２）更高的电源与驱动电路效率——真正配合ＬＥＤ节能的优点；

（３）更理想的二次光学设计——针对ＬＥＤ的出光特点，更好地提高ＬＥＤ的应用光效；

（４）更好的照明系统散热设计和热量管理——减低ＬＥＤ由于过热而造成的失效；

（５）更高的系统可靠性设计——保证ＬＥＤ的长寿命特点得以实现。

４.２、半导体照明发展蓝图展望

（１）美国：２００２年２０ｌｍ／Ｗ，２００７年７５ｌｍ／Ｗ，２０１２年１５０ｌｍ／Ｗ。预计到２０２５年，固态照明光源的使用将使照明用电减少一半。从２０００～２０２０年，累计的功效和节约潜力就可以达到减少２．５８亿吨炭污染物的排出；少建１３３座新的电站（每座１０００ＭＷ）；累计节约财政开支１１５０亿美元；形成一个新的每年产值超过５００亿美元的光源产业，还会带来高质量的更多的工作机会；

（２）日本：已经完成了“二十一世纪照明”发展计划的第一期目标，正在组织实施第二期计划。计划到２０１０年，ＬＥＤ的发光效率达到１２０ｌｍ／Ｗ；

（３）韩国：“固态照明计划”经政府审议批准，２００４～２００８年国家投入１亿美元，企业提供３０％的配套资金，近期开始实施，预计到２００８年达到８０ｌｍ／Ｗ；

（４）台湾：推动“次世纪照明光源开发计划”，投资约６～１０亿新台币，２００５年目标是４０ｌｍ／Ｗ的ＬＥＤ投入生产，而实验室目标为１００ｌｍ／Ｗ；

（５）中国：２００４年２０ｌｍ／Ｗ，２００５年３０ｌｍ／Ｗ，２００８年６０ｌｍ／Ｗ，２０１０年１００ｌｍ／Ｗ，２０２０年２００ｌｍ／Ｗ。

在中国，ＬＥＤ目前仅处于照明应用的初级阶段。要使ＬＥＤ真正进入照明领域，ＬＥＤ产业界和照明产业界要做的工作很多，要走的路还很长。面对挑战，我们要对困难有清醒和足够的认识，同时也要坚信：只要我们不懈地努力，一定能在不远的将来，在中国实现人类历史上又一伟大创举——用半导体ＬＥＤ固态光源全面替代传统照明光源。