LED照亮低成本照明的前景

如今，基于LED技術(shù)的聚光燈可以實現(xiàn)前所未有的亮度，從而提供能效更高、成本更低的照明方式。為突顯其緊迫性，國際能源署表示，照明用電已占全球發(fā)電量的19%左右，目前三分之二的燈具采用的是1970年以前開發(fā)的浪費能源的舊技術(shù)。

為此，美國國會禁止銷售100W白熾燈泡的立法今年已經(jīng)開始生效，有關(guān)其他較低功率的白熾燈泡的銷售禁令將接踵而至。此外，許多歐洲和亞洲國家或地區(qū)也已經(jīng)制定了同樣的計劃。盡管存在一些推遲某些這類立法的壓力，但是多家LED照明團體和廠商都指出，不管美國國會發(fā)生什么情況，他們都打算遵守該法律。

Marvell公司綠色技術(shù)產(chǎn)品部門副總裁Kishore Manghnani指出，傳統(tǒng)節(jié)能燈曾給消費者留下了非常不好的印象，他們不喜歡奇怪的螺旋狀外形，滯后的預(yù)熱時間，質(zhì)量輕或它偶爾發(fā)出的嗡嗡聲。為防止以后的替代產(chǎn)品或綠色照明產(chǎn)品也出現(xiàn)同樣的問題， LED照明制造商必須向公眾證明這些產(chǎn)品不僅物美價廉，而且更具有令人意想不到的新特性。在此，我們可參考一些推進公眾參與LED照明改革可采取的舉措。

現(xiàn)在的LED價格太高，無法馬上產(chǎn)生顯著的影響，但是LED正在各種戶外和室內(nèi)應(yīng)用中取得更大的發(fā)展。隨著更多的城市、州、政府和公司開始轉(zhuǎn)而使用LED燈，以及消費者在室內(nèi)照明和裝飾照明中使用LED燈，這種現(xiàn)象越來越明顯。

Transparency Market Research公司預(yù)計，全球LED市場預(yù)計將在2011年至2016年間以14.9%的復(fù)合年增長率(CAGR)增長，在2016年前達到182億美元。該研究報告指出，住宅市場將占總照明市場40%的份額(最大的細分市場)。

市場研究公司Yole Développement所作的一份研究報告顯示，如果考慮累積擁有成本，亮度為800流明且無維護成本的標準A19暖白光LED燈泡要比住宅應(yīng)用中的其他光源要便宜得多。

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圖1：住宅應(yīng)用中使用的800流明的標準A19暖白光LED燈泡的累積擁有成本可能大大低于白熾燈和微型熒光燈(特別是在考慮使用壽命時)。比較時未包含維護成本。(Yole Développement公司提供)。

專注于更好的生產(chǎn)和封裝

據(jù)SEMI和Yole Développement的承包商Paula Doe表示，目前LED燈的價格約為40美元，這個價格仍然太高，無法與白熾燈和微型熒光燈相競爭。這使得LED廠商將重點從提升能效等級(正在接近實際限制)轉(zhuǎn)到提高生產(chǎn)效率上，以獲得更好的大眾市場滲透率。這些廠商還致力于通過改進封裝來盡可能地實現(xiàn)更高的效率。她指出，如果價格降到10美元左右，LED的長使用壽命和低能耗將使其成為消費者的一個極具吸引力的選擇。

也就是說，LED燈泡價格正以每年20%左右的速度下降，大多數(shù)專家認為高亮度LED將維持這一趨勢。這個趨勢的推動力來自從50mm直徑的藍寶石晶圓向300mm硅晶圓(用來制造批量硅IC)這一更大晶圓尺寸發(fā)展。

LED的生產(chǎn)工藝(金屬有機化學氣相沉積/MOCVD)與硅IC的生產(chǎn)工藝截然不同。這種工藝可以通過LED基板表面的化學反應(yīng)產(chǎn)生復(fù)合半導(dǎo)體薄膜，這種薄膜通常用在LED中。在有氧氣的情況下，這種化學反應(yīng)會在溫度800°F以上，壓力高達100kPa左右時發(fā)生。

當然，降低成本的一種方法是進一步實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動化。不過，嘗試實現(xiàn)自動化的LED廠商必須面臨這樣一個事實：幾乎沒有針對LED生產(chǎn)設(shè)備的載體和設(shè)備接口的相關(guān)標準。這樣就很難實現(xiàn)任何一種材料加工的自動化，因為每個工廠都有可能使用略有不同的硬件來加工晶圓。

為克服這些難題，業(yè)界成立了SEMI北美HB LED標準委員會，該組織致力于為廣泛使用的LED生產(chǎn)設(shè)備制定外形尺寸標準。觀察家表示，這將促使業(yè)界更多地使用自動晶圓加工、自動化手套箱、工藝區(qū)間自動化和標準機械接口(SMIF)。由于LED晶圓沒有用于IC的300mm晶圓尺寸大，因此并不需要同樣龐大的材料加工設(shè)備。

LED專家和顧問已經(jīng)證實，相當于60W白熾燈亮度的商用LED燈泡的每千流明成本約為50美元，比一兩年前有顯著的下降。他們設(shè)計了圖2，該圖顯示幾年內(nèi)每千流明成本將降至2至3美元的范圍，截至2020年將降到1美元。這種成本的降低很可能歸因于經(jīng)濟的封裝、不斷提升的光學技術(shù)、更好的散熱/機械器件、電子驅(qū)動元件和自動化程度更高的組裝工藝(圖2)。

LED被歸類為固態(tài)照明，這意味著它們所使用的是半導(dǎo)體技術(shù)。LED燈需要LED驅(qū)動芯片來為LED提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)，改善效率和調(diào)節(jié)性能。LED驅(qū)動器在幫助制造商開發(fā)產(chǎn)品性能方面發(fā)揮了重要作用，這將加速LED照明的大規(guī)模普及。

使用正確的LED驅(qū)動器，可使這類照明系統(tǒng)符合現(xiàn)有的設(shè)施和裝置。LED燈可與多種類型的調(diào)光器兼容，并且提供的調(diào)光性能不遜于白熾燈。除可靠和高效的特點之外，這種驅(qū)動器還可以將各種功能封裝到一塊芯片上，實現(xiàn)高度集成，這樣就可以大幅降低制造LED所需的器件數(shù)量，使得價格降低，從而推動LED的廣泛應(yīng)用。并且所需的電路板尺寸很小，可適用于燈泡內(nèi)狹小的空間。

歐司朗光電半導(dǎo)體公司(OSRAM Opto Semiconductors)最近發(fā)布了用于照明應(yīng)用的3×3mm2 Olson Square LED。這款LED將LED芯片裝在一個反射性封裝中，通過將來自LED芯片側(cè)面和背面的光重新定向至前面，從而提高了系統(tǒng)效率(圖3)。系統(tǒng)內(nèi)部(比如從擴散器)反射回LED的光可以這種方式循環(huán)利用。

圖3：歐司朗公司的3×3mm2 Olson Square LED燈將LED芯片裝在一個反射性封裝中，提高了系統(tǒng)效率。這款LED可將來自LED芯片側(cè)面和背面的光重新定向至前面。

該器件提供不同的型號和色溫，可使用不同的電流供電。其熱阻為3.8至4.0K/W，適用于戶外、辦公室和改裝照明應(yīng)用。例如，在色溫300K時，它可以在120°的寬視角下提供暖白光和高色彩穩(wěn)定性以及80的顯色指數(shù)(CRI)。 [!--empirenews.page--]

目前，中國北京市的街燈項目正在使用Olson Square LED。具體地講，該項目使用了HBTechnology Cast Group開發(fā)的燈具，這些燈具整合了OSRAM的1W Olson LED。北京方面希望這些替代250W和400W鈉燈的120W和180W LED燈能夠節(jié)省50%的能耗。Olson LED 80°的光束角、3×3mm2的尺寸和顯色性簡化了它們在目前的燈具系統(tǒng)中的安裝。

事實上，中國是在其“十城萬盞”計劃中帶頭使用LED照明應(yīng)用的一個國家。中國還在街道、隧道、地鐵和輕軌設(shè)施和公園中率先使用高能效的固態(tài)照明燈。該計劃由中國科技部提供資金。

消費者的便利性

去年九月在美國馬薩諸塞州波士頓舉行的LED設(shè)計研討會(Designing with LEDs Workshop)上，專家小組強調(diào)了開發(fā)不僅智能化，而且簡單易用，價格便宜的可直接上市的LED的重要性。

“消費類市場實際上就在于理性和方便，”Lighting Science Group(LSG)公司工程副總裁Eric Holland表示，“當我們談到普通消費者以及要采取哪些措施來促進LED的普及時，首要的是，它必須像更換燈泡一樣簡單，并且需要提供消費者無需更換開關(guān)的備選方案?！?

LSG公司向家得寶家居(Home Depot)連鎖店供應(yīng)相當于40W白熾燈亮度的LED，該LED是EcoSmart照明產(chǎn)品系列的一部分，價格為9.97美元。截至今年夏季，LSG公司有望以不到15美元的價格推出相當于60W白熾燈亮度的LED產(chǎn)品，其效率與飛利浦獲得L Prize大獎的LED燈的效率相同。

去年，L Prize大獎(正式說法為美國能源部(DoE)的千萬美元“點亮明天照明大獎”)被授予北美飛利浦照明公司(Philips Lighting)。飛利浦公司由于滿足美國能源部的一系列要求而獲得此獎：輸出至少900流明(相當于60W白熾燈的亮度)、功耗在10W以下(遠低于白熾燈)、使用壽命為25,000小時(約為白熾燈使用壽命的25倍)。

飛利浦照明公司率先呼吁擴大LED燈的使用規(guī)模，這個倡議已經(jīng)在全球獲得了共鳴。飛利浦公司認為，LED燈的發(fā)展已經(jīng)到了一個轉(zhuǎn)折點，經(jīng)過這個轉(zhuǎn)折點后，它現(xiàn)在可以用在幾乎所有應(yīng)用的普通高質(zhì)量照明產(chǎn)品中。

在去年在南非德班舉行的聯(lián)合國氣候變化會議上，飛利浦公司提倡全球轉(zhuǎn)換到使用LED照明產(chǎn)品。飛利浦照明公司能源和氣候變化高級總監(jiān)Harry Verhaar要求全球的政府和公司迅速轉(zhuǎn)換到使用高能效的LED照明產(chǎn)品。

“LED照明產(chǎn)品可以大幅節(jié)省能耗和維護成本，同時可以增強人們在街道和公共區(qū)域、建筑內(nèi)和家里的安全感、保障和舒適度，”Verhaar表示。他在此次大會的全球氣候峰會上作出了此番評論，這場峰會是一場集中了來自公共部門和私營部門眾多代表的高端活動。

新興LED燈

消費者等待的是LED燈的價格降到個位數(shù)。比如，正規(guī)零售的相當于40W白熾燈亮度的LED燈的價格約為20美元，瓦數(shù)越高價格越高。不過仍然有一些應(yīng)用，LED的優(yōu)勢能夠抵消其昂貴價格這一不利因素。

LEDnovation公司發(fā)布了據(jù)稱效率最高的相當于60W白熾燈亮度的全向A19 LED燈LEDH-A19-60-1-27D-IO (圖4)。該產(chǎn)品是EnhanceLite全向燈系列產(chǎn)品中的第一款產(chǎn)品，它在2700K的色溫下具有810流明的輸出，可實現(xiàn)適用于臺燈、壁燈、掛件、頂燈和其他燈具等應(yīng)用的節(jié)能燈。

圖4：相當于60W白熾燈亮度的全向A19 LED 燈LEDH-A19-60-1-27D-IO由LEDnovation公司開發(fā)，是EnhanceLite系列的首款產(chǎn)品。該產(chǎn)品在2700K色溫下可提供810流明的輸出。

科銳公司(Cree)推出了據(jù)稱已針對高架戶外電視屏幕優(yōu)化的首款高亮度20°傾斜視角LED燈。Screen Master C45MT和C45 LED是該公司高亮度P2橢圓形LED系列中亮度最高的兩款LED。前者可在20°視角下提供最亮的峰值強度，后者可在0°視角下提供最亮的峰值強度。

科銳公司的XLamp MT-G LED針對35W至50W鹵素MR-16改裝燈和其他強光燈、軌道燈、顯示燈和筒燈應(yīng)用進行了優(yōu)化。這些多裸片LED的目標應(yīng)用是高輸出(3000K的暖白色溫，在85°C ，1.1A條件下可提供560流明的光通量，在85°C，4A條件下可提供1525流明的光通量)、小尺寸(9×9mm2的封裝尺寸)的照明應(yīng)用。MT-G LED采用該公司的EasyWhite技術(shù)，可在小型高效率封裝中提供一致的色彩，在85°C下進行包裝和測試認證則可簡化照明設(shè)計計算。

去年秋天，科銳公司發(fā)布了帶設(shè)計和評估服務(wù)的TEMPO(熱、電氣、機械、光度、光學)工具，該工具可以加快LED產(chǎn)品開發(fā)過程(圖5)。TEMPO工具的新增功能包括新的熱仿真和高級光度測試。

圖5：為了加快LED的產(chǎn)品開發(fā)，科銳公司的TEMPO工具為LED設(shè)計人員提供了設(shè)計和評估服務(wù)。最新增加的功能包括新的熱仿真和高級光度測試。

位于臺灣的晶元光電公司(Epistar Lab)發(fā)布了據(jù)稱光效最高(216lm/W)的暖白光高壓LED芯片組。該公司可在5mA的工作電流、87的CRI和2700K的色彩校正溫度下實現(xiàn)這一光效。

LSG公司的低成本“World Bulb”也不甘示弱，據(jù)該公司稱，該產(chǎn)品的總擁有成本比微型熒光燈(CFL)低35%。相當于60W白熾燈亮度的全向A19燈已在今年的國際消費電子展(CES)上被選為2012年國際最佳創(chuàng)新設(shè)計和工程獎得主。

獨特的LED照明應(yīng)用

LED的戶外應(yīng)用并不難推進，因為它們已經(jīng)廣泛地用于停車場、街道、大橋、隧道、體育場館、通道、建筑立面和其他公共設(shè)施中。此外，它們還涉足室內(nèi)辦公室、餐廳、商場和交通站點等其他領(lǐng)域。

飛利浦公司以更大的規(guī)模為瑞士蘇黎世市中心的Hardbrücke橋提供了大量LED燈(圖6)。據(jù)報道，這座全長2.3公里的大橋是瑞士最大的LED安裝工程，橋下使用1750個LEDline2燈點亮，這些燈一年的使用時間為1654小時，需耗費25kW的功率，即每年耗電41,000度。

圖6：LED燈點亮了瑞士蘇黎世的Hardbrücke橋。這座全長2.3公里的大橋的橋底采用1750個飛利浦LEDline2燈點亮。[!--empirenews.page--]

去年，美國路易斯安那州新奧爾良的梅賽德斯-奔馳超級圓頂體育館的官員開啟了用頂尖Martin Professional LED燈光秀點亮這座路易斯安那州的地標的先河(圖7)?？傮w上，此次展示使用了大約288個Martin Professional Exterior 410燈具。

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圖7：使用LED燈的頂尖Martin Professional燈光秀點亮了美國路易斯安那州新奧爾良的梅賽德斯-奔馳超級圓頂體育館。約有288個Martin Professional Exterior 410燈具在整個體育館的所有96個套在建筑外部的凹形鋁板上營造出五彩斑瀾的光影效果。

這些LED燈在整個體育館的所有96個套在建筑外部的凹形鋁板上營造出五彩斑瀾的光影效果。這些微型高亮度燈具使用預(yù)混色LED和RGBW混色功能，作為Exterior 400系列戶外LED染色燈的一部分，其功能還包括色彩校準功能，可實現(xiàn)更均勻的色彩投影。

由于LED具有多色能力，因此LED可以產(chǎn)生一些有趣的照明環(huán)境。比如，位于德國的弗勞恩霍夫工業(yè)工程研究所的研究人員與燈具廠商LeiDs GmbH聯(lián)手研制出可以在頭頂呈現(xiàn)藍天白云的天花板貼面板。

每50×50cm2的天花板貼面板包含288個裝在板上的RGB和白光LED。白色擴散膜附著在LED下面30cm處，可確保每一個LED都不作為一個獨立的點光源。此項目的主要著眼點在于模仿陰天的自然照明環(huán)境。