大力推广LED 照明技术的若干问题分析
大力推广LED 照明技术的若干问题分析
刘 琳 荆州理工职业学院 434000
【文章摘要】
目前，在全球消耗的电能中19% 用于照明。这些电能大多被低效的照明技术所消耗。发光二极管（LED）技术是用一种场致发光的方法来取代那些技术，这种方法效率高，寿命长并且总成本更低。为了大力推广这项技术，LED 技术人员将不断作出重大技术突破，即在降低成本的同时提高光输出、质量和效率。
如何促进市场广泛采用基于LED 的照明系统，本文将围绕LED 研究和制造、照明应用和系统、商业化等三个方面展开讨论，分析问题并找出解决方案。
【关键词】
内部量子效率; 颜色质量系统; 白光LED; 标准化
LED 照明是将电子高效转换成光子的方法。经过数十年的发展，LED
将在不久的将来超过所有传统光源的性能。此外，除了高效节能、质量好，LED 还能为市场提供寿命长（超过50000 小时）、无灯丝或无玻璃外壳损伤、外形小巧、无汞污染的产品。
1 研究和制造
尽管目前已经开发出超过200lm/W 的LED 光源，但是在制造和解决制造成本上仍需要进行大量的研究工作。为了降低每流明的成本，解决的问题主要包括：
1）光效下降——当电流增大时，LED 内部量子效率下降。导致这种效率降低的原因主要是由俄歇复合或其他非辐射复合造成的。实验表明，在较高的电流密度下，LED 光效将从150lm/W 降到70lm/W
以下。
2）散热问题——在LED 芯片上产生的热量会导致光效的下降。在LED 光源中，连接处的温度可高达120° C，会造成光效下降20％至30％。这主要是由俄歇复合引起的。研究发现，LED 芯片上的热量可以通过封装中良好的热处理来解决。
3）荧光粉——好的荧光粉对于白光LED 的高质量和一致性是至关重要的。但驱动这些荧光粉的光波波长也会对光效产生影响——波长在蓝光和紫外光之间变化的波驱动荧光粉转换成白光的效率最高。金属有机化合物化学气相淀积（MOCVD）反应器的制造商正在不断努力改善芯片制造工艺流程，以加强这一波长范围的辐射效率。
4）光萃取——目前，LED 封装的光萃取效率是80%。另外的20% 的效率可以通过高反射、巧妙的结构和形状、光子晶体结构和其他萃取方法来提高。
5）电效率——LED 灯的直流驱动电路的效率最高可达92% 至93%。技术人员正在研究一项新的技术：通过交流电直接驱动的“无驱动器的LED 光源”，驱动电路效率可超过98% 或者更高。
对于白光LED，内部量子效率的下降与红、绿、蓝（RGB）LED 芯片有关，因此技术人员正在努力填补绿光LED 这个空白，即用半极化的芯片来加倍填补绿光空白，并且让红、绿、蓝（RGB）LED 的光效超过基于荧光粉的LED 的光效。
2 照明应用和系统
随着LED 进入普通照明应用，色彩和光的质量将会变得越来越重要。目前， LED 市场是用相关色温（CCT）来评价和说明。国际标准委员会建议采用七阶麦克亚当椭圆来评价。
除了相关色温，另一个光源质量测试指标是显色指数（CRI）。显色指数是衡量传统光源呈现颜色的准确性的指标。美国国家标准与测试协会（NIST）已经开发出“颜色质量系统”（CQS）的新指标来取代显色指数。它采用的是整个光谱中真实饱和的颜色。这是整个光谱中更贴合实际的测量，并且能真实地测量光源是如何照亮颜色的。
由于这些指标是进一步确保消费者对LED 光源的满意度的质量标准，因此非常重要。目前，最常见的白光LED 光源类似于荧光灯，灯内荧光粉被蓝光LED 或紫外线光LED 所激发。然而更有效的方法是把红、绿、蓝LED 光源发射出的光融合在一起以创造出品质更好的白光。
3 LED 商业化
LED 光源是一个包含大量相互作用的复杂系统。必须考虑的因素包括：驱动器、电气控制、视觉效果、LED 本身、散热问题以及电压保护等。解决好这些因素就能制造出适应大众市场的产品。
商业化产品的市场因素包括有获得有效替换LED 部件的能力。其次，必须为产品提供保证书以保障消费者的利益。国际照明委员会等标准制定机构目前正在加快制定LED 相关标准。这些组织机构与利益相关者合作，一起制定出保护消费者利益和保护LED 市场的标准。
生产规模将继续降低生产成本。随着生产量的增加，每单位LED
的价格将降低，这将使制造商获得竞争优势。考虑固定和可变成本、扩大生产的成本，估计那些年产2 亿单位的制造商比那些年产0.5 亿单位的制造商少生产大约20% 的LED 产品。
促进LED 技术商业化的另一重要因素是互联使用的标准化。国际上，飞利浦公司已经发起成立了扎噶联盟，旨在讨论和制定出一系列的LED 互联。该联盟得到了全球一些企业的广泛支持，通过灯之间互联的标准化，消费者仅需替换他们灯具中损坏的LED 光引擎，而不需购买并安装一整个全新的灯具。
高亮度LED 应用市场的增长速度非常快。这个包括普通照明、背光源（电视、显示器、电脑）和汽车照明的市场预计将在2015 年增长到780 亿美元。在未来的2-3 年中，在背光源市场的企业将占据主导地位，但普通照明最终将占据最大的市场份额。普通照明将到2015 年增长到380 亿美元。
4 结论
LED 是一个潜在的优质光源：高效、坚固耐用和最低寿命周期成本。在LED 能够在市场中充分发挥其潜力之前，研究、工程化、商业化和市场发展需要不断进行。LED
照明终将成为未来的主导光源。
总体而言，LED 照明技术最大的一个障碍就是它高昂的最初成本，这一障碍目前正在得以解决。一方面开发更有效的器件，并且通过制造业的革新来扩大生产。另一方面，由于LED 的商业化，并且被市场转型计划所支持，在某些地区的消费者能从可以帮助减轻LED 光源成本的政策、激励机制和融资机制中获利。
全球有几十亿个家庭照明，以及数以百万计的户外街道和道路照明、商业办公照明和工业照明等利润市场。LED 制造商已经战略性地把最有前途的应用作为目标——首先是一些普通照明，如方向灯和筒灯，背光源和LED 显示器，在未来的2-3 年里，他们将比荧光技术更便宜，而且他们让制造商能提供更有效的环境和超轻薄产品。汽车是LED 的另一个市场， LED 的抗震性和其小尺寸封装使它们灵活且非常适合日常行驶，最终适合做大前灯。这些应用和其他一些应用正在推动供应链的增长，建立基础设施、生产技术和使LED 最终发展成为普通照明应用的质量标准。
建议：
1）继续支持LED 研发—— 提高效率并降低成本，例如量子效率下降、热量问题、荧光粉、光萃取等。形成一个有政府支持的类似于半导体制造技术联盟（SEMATECH）的LED 企业集团。
2）支持准确且公正地衡量LED 光源及系统性能属性的工业测试标准的开发。新技术需要发展新的标准和指标，以及公平的测试。这个测试使一系列光源之间的比较能够让LED 在普通照明市场中更有竞争力。发展颜色质量体系（CQS）和LM-79（测量固态照明产品的光电性能）以及LM-80（测量LED 光源的光通维持率） 等工业测试标准将确立LED 技术在照明市场中的地位。
3）通过营销活动、产品标签和质量标志（如：“能源之星”）来鼓励对消费者进行有关绿色照明的教育。通过淘汰白炽灯的宣传来理解流明、光效等基本的光参量， 帮助消费者识别光源的质量，作出明智的选择。
4）通过税收优惠、增强资本津贴计划、或者直接补贴的方法初步地把商业市场作为目标。然后，随着技术的进步而且技术也逐渐变得价格低廉，制定计划以支持家用照明市场广泛采用。
【参考文献】
[1]2014 全球LED 照明市场将快速增加. 电源世界 2013.12.15
