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(shí)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(guó)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(fèi)能源的舊技術(shù)。

為此，美國(guó)國(guó)會(huì)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(guó)家或地區(qū)也已經(jīng)制定了同樣的計(jì)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(tuán)體和廠商都指出，不管美國(guó)國(guó)會(huì)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(fèi)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(shí)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(jià)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(jìn)公眾參與LED照明改革可采取的舉措。

現(xiàn)在的LED價(jià)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(fèi)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(jì)，全球LED市場(chǎng)預(yù)計(jì)將在2011年至2016年間以14.9%的復(fù)合年增長(zhǎng)率(CAGR)增長(zhǎng)，在2016年前達(dá)到182億美元。該研究報(bào)告指出，住宅市場(chǎng)將占總照明市場(chǎng)40%的份額(最大的細(xì)分市場(chǎng))。

市場(chǎng)研究公司Yole Développement所作的一份研究報(bào)告顯示，如果考慮累積擁有成本，亮度為800流明且無維護(hù)成本的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(shí))。比較時(shí)未包含維護(hù)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(jià)格約為40美元，這個(gè)價(jià)格仍然太高，無法與白熾燈和微型熒光燈相競(jìng)爭(zhēng)。這使得LED廠商將重點(diǎn)從提升能效等級(jí)(正在接近實(shí)際限制)轉(zhuǎn)到提高生產(chǎn)效率上，以獲得更好的大眾市場(chǎng)滲透率。這些廠商還致力于通過改進(jìn)封裝來盡可能地實(shí)現(xiàn)更高的效率。她指出，如果價(jià)格降到10美元左右，LED的長(zhǎng)使用壽命和低能耗將使其成為消費(fèi)者的一個(gè)極具吸引力的選擇。

也就是說，LED燈泡價(jià)格正以每年20%左右的速度下降，大多數(shù)專家認(rèn)為高亮度LED將維持這一趨勢(shì)。這個(gè)趨勢(shì)的推動(dòng)力來自從50mm直徑的藍(lán)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(jī)化學(xué)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(xué)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(xué)反應(yīng)會(huì)在溫度800°F以上，壓力高達(dá)100kPa左右時(shí)發(fā)生。

當(dāng)然，降低成本的一種方法是進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化。不過，嘗試實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的LED廠商必須面臨這樣一個(gè)事實(shí)：幾乎沒有針對(duì)LED生產(chǎn)設(shè)備的載體和設(shè)備接口的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。這樣就很難實(shí)現(xiàn)任何一種材料加工的自動(dòng)化，因?yàn)槊總€(gè)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(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)，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(biāo)準(zhǔn)。觀察家表示，這將促使業(yè)界更多地使用自動(dòng)晶圓加工、自動(dòng)化手套箱、工藝區(qū)間自動(dòng)化和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)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(shí)，相當(dāng)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?cè)O(shè)計(jì)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(jì)的封裝、不斷提升的光學(xué)技術(shù)、更好的散熱/機(jī)械器件、電子驅(qū)動(dòng)元件和自動(dòng)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(dòng)芯片來為L(zhǎng)ED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(dòng)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(dòng)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(diǎn)之外，這種驅(qū)動(dòng)器還可以將各種功能封裝到一塊芯片上，實(shí)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(jià)格降低，從而推動(dòng)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(gè)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(kuò)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(gè)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(hào)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(shí)，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(guó)北京市的街燈項(xiàng)目正在使用Olson Square LED。具體地講，該項(xiàng)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(jiǎn)化了它們?cè)谀壳暗臒艟呦到y(tǒng)中的安裝。

事實(shí)上，中國(guó)是在其“十城萬盞”計(jì)劃中帶頭使用LED照明應(yīng)用的一個(gè)國(guó)家。中國(guó)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(jì)劃由中國(guó)科技部提供資金。

消費(fèi)者的便利性

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

“消費(fèi)類市場(chǎng)實(shí)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(dāng)我們談到普通消費(fèi)者以及要采取哪些措施來促進(jìn)LED的普及時(shí)，首要的是，它必須像更換燈泡一樣簡(jiǎn)單，并且需要提供消費(fèi)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(dāng)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(jià)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(jià)格推出相當(dāng)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(jiǎng)的LED燈的效率相同。

去年，L Prize大獎(jiǎng)(正式說法為美國(guó)能源部(DoE)的千萬美元“點(diǎn)亮明天照明大獎(jiǎng)”)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(guó)能源部的一系列要求而獲得此獎(jiǎng)：輸出至少900流明(相當(dāng)于60W白熾燈的亮度)、功耗在10W以下(遠(yuǎn)低于白熾燈)、使用壽命為25,000小時(shí)(約為白熾燈使用壽命的25倍)。

飛利浦照明公司率先呼吁擴(kuò)大LED燈的使用規(guī)模，這個(gè)倡議已經(jīng)在全球獲得了共鳴。飛利浦公司認(rèn)為，LED燈的發(fā)展已經(jīng)到了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，經(jīng)過這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(guó)氣候變化會(huì)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(jí)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(hù)成本，同時(shí)可以增強(qiáng)人們?cè)诮值篮凸矃^(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(huì)的全球氣候峰會(huì)上作出了此番評(píng)論，這場(chǎng)峰會(huì)是一場(chǎng)集中了來自公共部門和私營(yíng)部門眾多代表的高端活動(dòng)。

新興LED燈

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

LEDnovation公司發(fā)布了據(jù)稱效率最高的相當(dāng)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(shí)現(xiàn)適用于臺(tái)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(dāng)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(duì)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(qiáng)度，后者可在0°視角下提供最亮的峰值強(qiáng)度。

科銳公司的XLamp MT-G LED針對(duì)35W至50W鹵素MR-16改裝燈和其他強(qiáng)光燈、軌道燈、顯示燈和筒燈應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這些多裸片LED的目標(biāo)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(jìn)行包裝和測(cè)試認(rèn)證則可簡(jiǎn)化照明設(shè)計(jì)計(jì)算。

去年秋天，科銳公司發(fā)布了帶設(shè)計(jì)和評(píng)估服務(wù)的TEMPO(熱、電氣、機(jī)械、光度、光學(xué))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(jí)光度測(cè)試。

圖5：為了加快LED的產(chǎn)品開發(fā)，科銳公司的TEMPO工具為L(zhǎng)ED設(shè)計(jì)人員提供了設(shè)計(jì)和評(píng)估服務(wù)。最新增加的功能包括新的熱仿真和高級(jí)光度測(cè)試。

位于臺(tái)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(shí)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(dāng)于60W白熾燈亮度的全向A19燈已在今年的國(guó)際消費(fèi)電子展(CES)上被選為2012年國(guó)際最佳創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工程獎(jiǎng)得主。

獨(dú)特的LED照明應(yīng)用

LED的戶外應(yīng)用并不難推進(jìn)，因?yàn)樗鼈円呀?jīng)廣泛地用于停車場(chǎng)、街道、大橋、隧道、體育場(chǎng)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(chǎng)和交通站點(diǎn)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(bào)道，這座全長(zhǎng)2.3公里的大橋是瑞士最大的LED安裝工程，橋下使用1750個(gè)LEDline2燈點(diǎn)亮，這些燈一年的使用時(shí)間為1654小時(shí)，需耗費(fèi)25kW的功率，即每年耗電41,000度。

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

去年，美國(guó)路易斯安那州新奧爾良的梅賽德斯-奔馳超級(jí)圓頂體育館的官員開啟了用頂尖Martin Professional LED燈光秀點(diǎn)亮這座路易斯安那州的地標(biāo)的先河(圖7)?？傮w上，此次展示使用了大約288個(gè)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(diǎn)亮了美國(guó)路易斯安那州新奧爾良的梅賽德斯-奔馳超級(jí)圓頂體育館。約有288個(gè)Martin Professional Exterior 410燈具在整個(gè)體育館的所有96個(gè)套在建筑外部的凹形鋁板上營(yíng)造出五彩斑瀾的光影效果。

這些LED燈在整個(gè)體育館的所有96個(gè)套在建筑外部的凹形鋁板上營(yíng)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(zhǔn)功能，可實(shí)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(guó)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(lán)天白云的天花板貼面板。

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