白光LED应用于室内照明的分析与探讨
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文章编号：1006-6268(2009)03-0061-04
摘 要：白光led具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势。因此被认为是取代白炽灯跟荧光灯最具潜力的照明光源。本文根据目前半导体照明的最新研究进展，介绍了GaN基白光LED应用在室内照明领域的发展趋势，从视觉指标、光学参数、封装技术、价格等方面出发，指出了白光LED在日常照明普及过程中的一些主要问题，并对这些问题做了详细的分析与探讨。针对现有可行的解决方法，对发展前景做了进一步展望。
关键词：白光LED；室内照明；大功率
中图分类号: TN3文献标识码：B
Discussion and Analysis of White LEDs Application in Indoor Lighting
NIE Rong，CHEN Yi-min，LUO De-han，HUANG Jie
( School of Information Engineering, Guangdong University of Technology,
Guangzhou, 510006 )
Abstract: White LEDs have many advantages, including high luminous efficiency, low power consumption, long lifetime and pro-environment, which other traditional lighting sources can not compared. therefore, White LEDs are regarded as the most potential lighting source in replacing the currently used incandescent and fluorescent lamp. According to the latest research progress of semiconductor illumination, the tendency that indoor lighting used GaN-based White LEDs is introduced in this paper .The main problems in widespread use of White LEDs in general lighting are detailed discussed and analysed in terms of its visual Indexes ,packaging technology,cost and so on. finally, the development prospect of White LEDs is analysed based on existing methods.
Keywords: white LED；indoor lighting；high power
引 言
世界各国纷纷倡导使用节能环保型光源，白炽灯由于发光效率低、耗电量大、寿命短，将逐步被淘汰。荧光灯因其具有节能、高效等优势，已成为照明界的佼佼者，在照明设计方面，业已形成了一套丰富的经验。LED的出现将给白炽灯和荧光灯带来巨大挑战，被认为是下一代高效的绿色照明光源[1]。专业人士强调：照明市场在2010年将成为白光LED最具潜力的应用领域。
1 白光LED的产生机理
目前制备白光LED有三种方法：第一种方法是把红、绿、蓝（RGB）三种芯片封装在一起混合发出白光，简称MCLED(multi-chipLED)；另一种方法就是通过荧光粉转换得到白光LED，称为PCLED(phosphorconvertedLED)，包括蓝光LED芯片加YAG黄色荧光粉、紫外LED芯片加RGB荧光粉；此外还有MOCVA直接生长多有源区的白光技术。相比之下MCLED的综合性能好，但是绿光转换效率低、成本高；蓝光LED生成白光技术比较成熟，已经开始应用于照明行业。这种LED的发光原理就是GaN基蓝光LED芯片发出的蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），其中有一部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光相混合产生白光，如图1所示。
2 LED灯具现状及其不足
白光LED灯在要进入普通家庭，必须达到室内照明标准，保证正常的工作、学习和生活。现在市面上已经出现各种LED室内照明灯具，但是照明效果还不太理想，与普通照明要求还相差太远，表1是目前LED灯具与传统光源性能参数的比较：
从表1来看，白光LED应用于室内照明的优势还未能充分体现，LED灯具还存在着很多方面的不足。
2.1 显色指数、色温
LED室内照明灯具与普通的LED指示灯不同，要接近自然光的效果，使被照物在光源的照射下无失真。因此，显色指数跟色温就显得尤为重要。
显色指数Ra是指物体在被照光源下的颜色与在日光照射下的颜色的相符程度，显色指数越低就说明物体在被照光源下失真度越高，它是衡量人眼对光源视觉质量的指标。色温是衡量光源色的指标，色温偏低表示光色偏暖（红色），偏高则表示光色偏冷（蓝色）。
利用PCLED中蓝光LED+YAG黄色荧光粉制成的白光LED，由于其光谱中缺失红色部分，显色性较差，难以满足低色温的照明要求，而MCLED则可以通过选择合适的波长跟强度来获得更好的显色指数，但是芯片性能的差异使得驱动电路过于复杂，图2是NICHIA两种白光光谱的对比。
目前白光LED大多采用蓝光LED加荧光粉合成，其电光转换效率的改善是因为人眼对蓝绿光比对红光更为敏感，导致目前高亮度白光LED色温偏高，为了达到更好的视觉效果，要通过增加红色成分来改善[2~3]，国内外很多机构已经采用不同的方法研制出能够被蓝光芯片有效激发的红色荧光粉，如何保证荧光粉发光效率更高、化学性能更稳定是目前重要的研究课题[3]。其次，在一定的色温范围内，还要注重荧光粉的配比跟涂敷工艺，这对制造出高显色性、低色温的白光LED也是至关重要的。
2.2 发光效率、光通量与价格
我国目前白光LED灯的发光效率已经达到60~80lm/W，跟荧光灯水平相当，但是在价格上与之相比还有一段距离。以40W荧光灯为例，按其发光效率60lm/W来算，其光通量为2，400lm，而一支15W的LED日光灯管，要达到荧光灯的光通量标准，发光效率要在150lm/W以上，目前为止还相差甚远，况且价格高出荧光灯数十倍。显然，LED灯要替代荧光灯，光效和价格是两大瓶颈。
随着LED芯片技术的发展，外量子效率的不断提高，光效也在飞速上升。2008年7月德国欧司朗公司宣布，新研发的白光LED在350mA的电流下光效达到136lm/W，2008年10月美国科锐公司在瑞士召开的一家研讨会上宣布白光LED实验室水平达157lm/W，日本日亚早在2006年底就生产出150lm/W的白光LED，进过多次的改良后于目前开始量产。国内也在提高光效和降低价格方面取得了突破性的进展，按1W白光LED来算，光效从2003年的30lm/W上升到2007年的70~80lm/W，价格从5~6美元下降到2~3美元，如今已经提升到80~90lm/W。实验室水平已经超过100lm/W，例如佛山国星通过改进封装工艺，研发出115lm/W的1W级大功率芯片，这标志着我国离半导体照明产业目标(如图3)之路越来越近。
2.3 封装技术与散热
白光LED灯具内部构造通常是由LED模块和控制系统组成，目前厂家大多利用Φ5高亮度白光LED直接封装在PCB板上，采用尽可能多的LED来增加光通量跟亮度。这样，LED支架与PCB板之间的热效应加剧，光衰严重，寿命上还远远达不到理论上LED光源的几万小时，而且LED过多导致驱动电路复杂、二次光学设计成本增加。因此，LED灯具需要采用大功率封装技术。
首先是单个大功率LED芯片封装。大功率芯片在发光效率跟光通量方面都要优于小功率LED，用一个替代十几甚至几十个小功率LED，降低灯具成本，简化驱动电路，是目前值得推广的一种封装形式。大功率LED的输入功率较大，但是电光转换效率非常低，只有不到20%转换成光，产生的大部分热量如果不能及时排出，就会造成接口温度升高，影响LED寿命。因此，大功率LED必须解决散热难题[4]。到目前为止主要措施包括封装技术和封装材料的选择，采用大功率芯片倒装技术，增大接触面的表面积(加大引线支架的直径和引脚尺寸)，带铝芯夹层的PCB板的选用都能够取得很好散热效果；利用低热阻、散热性能好的封装材料（如陶瓷、铜等）代替热传导性差的环氧树脂[5]，铝、铜制散热基板以及导电型锡浆等粘贴材料的选择也是目前研究的热点。
其次是多芯片组合封装模组。由于以Lumileds、科锐、欧司朗及日亚公司为主的大功率LED芯片成为目前高端市场的主流，国内技术还不成熟，相对来说小功率白光LED货源充足，价格较低。国内许多厂商开始研究多片集成技术，即利用多个小功率芯片通过不同的串并组合高密度集成在一起组成大功率LED模组，由于采用散热技术相对较好的铝基板，可以提高模组的寿命，而且芯片尺寸和封装形式可以随意选择，非常适合室内照明设计。
2.4 二次光学设计方案与灯具标准的制定
LED不同于传统的照明光源，要想进入普通家庭，必须摒弃传统的灯具设计标准，选择合适的设计方案，减小二次设计的难度，降低灯具成本，将LED组合成适用于照明的环形光源或者面光源。例如，利用平面镜反射系统或者光导技术，不仅大大节省LED光源数目，而且还可以减小体积，制成超薄的灯具。日立Lighting受液晶面板背照灯导光板技术的启发，开发出现状白色LED照明灯具“LINESABER”，在导光板两端放置白光LED，光线就能均匀扩散，解决了普通LED灯难以均匀照射以及“颗粒物”太明显的问题。北高智科技有限公司设计的一款新型日光灯，采用日本Citizen公司的0.06W白光LED CL-822，利用42片CL-822组成一个串联模组，然后将六个模组并联成15W LED，加上独特设计的PILNK306PN驱动电源，相当于40W普通T型日光灯管，此种方案的LED灯光效能够达100lm/W，寿命也是普通日光灯管的好几倍（如图4）。南京汉德森公司提出一种直接在金属基PCB板上封装LED二维光源的创新方案，与数字化技术相结合，通过控制系统进行混光、变换R、G、B三色光源的颜色跟亮度达到智能化照明的效果，这种方案是传统的光源无法实现的，从而有望在根本上取代传统的照明灯具。
在LED灯具方案多样化的同时，必须重视灯具设计标准的制定。随着LED产业迅速壮大，国内外标准制定工作也在有条不紊的进行：日本早在2004年就开始企划半导体照明标准，试图垄断全球LED产业的发展；美国能源之星也在不久前引入固态照明替代灯的标准，并计划于2009年正式实施；随着半导体照明工程的大力推动下，我国联盟标准化协调推进工作也在顺利进行，2008年年初10余项普通照明用LED标准制定获得立项批准，目前送审稿已经出台，为下一步行标和国标推出奠定了雄厚的理论基础。
3 结束语
近年来，我国半导体照明技术飞速发展，封装技术已经在国际上占据了很重要的地位，外延片和芯片技术也日益成熟。LED已经在背光源、景观照明、显示屏等特殊照明领域得到广泛应用，在节能减排的强大号召力作用下，白光LED在普通照明应用中的各方面问题将逐步趋向完善，LED灯具有希望取代传统的荧光灯，成为真正高效、高寿命、低成本的普通室内照明光源。
参考文献
[1]Zhang Lei, Guo Xia, Liang Ting, Gu Xiaoling, LinQiaoMing,Shen Guangdi.Color rendering and luminous efficacy of trichromatic and tetrachromatic LED-based white LED[J].MicroelectronicsJournal,2007,（1）：1-6.
[2] Smet, P.F. Korthout, K.Van Haecke, J.E.Poelman, D.Using rare earthdoped thiosilicate phosphors in white light emitting LEDs: Towards low colour temperature and high colour rendering. Materials Science and Engineering.May 15, 2008,264-268.
[3]Yunsheng Hu,Weidong Zhuang, et al. A Novel Red Phosphor for White Light Emitting Diodes. J. Alloys Compd. 2005, 390:226-229.
[4]Bin-Juine Huang, Po-Chien Hsu, Min-Sheng Wu, Chun-Wen Tang. Study of system dynamics model and control of a high-power LED lighting luminaire[J]. Energy,2007,32（11）：2187-2198.
[5]Lianqiao Yang, Sunho Jang, Woongjoon Hwang, Moowhan Shin.Thermal analysis of high power GaN-based LEDs with ceramic package[J] Thermochimica Acta,2007,455(4): 95-99.
作者简介：聂蓉（1986-），女，湖南常德人，硕士研究生，主要研究方向为白光LED照明，E-mail:.cn。