高效無金屬散熱器LED照明燈節(jié)能技術(shù)解析

LED照明具有光效更高、壽命更長；不含有害物質(zhì)汞；使用壽命與燈的開關(guān)次數(shù)幾乎無關(guān)、可提倡“隨手關(guān)燈”；可以瞬間起亮等突出優(yōu)點，被認(rèn)為終將替代白熾燈和節(jié)能燈，成為節(jié)能照明的主流。實際上，只有在LED燈的性價比全面超過白熾燈、特別是超過目前廣泛使用的節(jié)能燈后才能成為通用照明燈的主流。

　　而LED照明的課題看起來十分明確，即在保證光質(zhì)量的前提下光效需要大幅提高，例如比節(jié)能燈高一倍以上；價格需要大幅下降，最好接近節(jié)能燈；使其性價比明顯優(yōu)于節(jié)能燈。

　　目前的LED通用照明燈大多由功率型LED加金屬散熱器和恒流驅(qū)動電路構(gòu)成。笨重的金屬散熱器不僅增加了燈的成本和重量，同時要消耗大量鋁資源，有悖環(huán)保。一個LED燈就像一個金屬球，不利于安全，特別是大功率LED燈。因此，目前不少消費者購買時還是選擇節(jié)能燈。

　　本文將結(jié)合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術(shù)。

　　該LED通用照明燈的整燈發(fā)光效率比熒光節(jié)能燈高一倍以上；顯色指數(shù)可高達(dá)96；可制造光通量為幾十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈，L70壽命可達(dá)30000小時?？芍苯犹鎿Q10～100W和更大功率的白熾燈和相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈。

　　一、LED芯片4π出光、提高PN結(jié)光提取率和實際光效

　　白光LED發(fā)光過程的能效η為：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：內(nèi)量子效率；ηO：外量子效率；ηC：光子下轉(zhuǎn)換損失；K：發(fā)光粉吸收。

　　有人分析，在理想情況下，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。這里的外量子效率ηO 指的是光子在出射過程中被芯片、窗口材料，熒光粉及透鏡等沿途吸收或在不同折射率介質(zhì)界面反射回芯片內(nèi)部再被吸收等的結(jié)果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功當(dāng)量為320 lm/W計算，則最高光效為320×0.395=126 lm/W。這顯然是被低估了。但由此我們可以看到提高LED光效的一個重要并有巨大潛力的因數(shù)是提高光提取率。

　　LED的光來自LED芯片的PN結(jié)，其發(fā)光原本是4π立體角全方位均勻出射的自然光，但目前幾乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的應(yīng)用從初期的指示燈到數(shù)碼顯示和目前的彩色大屏幕顯示、液晶顯示的背照明等，在這些應(yīng)用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透鏡等聚集向前方、即轉(zhuǎn)變?yōu)椤?π出射的光，包括直插式、草帽式、表面貼(SMD)和COB等；這樣的變換對于這些應(yīng)用是需要的，也是正確的。

　　不過，這樣的變換讓芯片原本向后發(fā)射的光聚集向前方，將明顯降低PN結(jié)發(fā)射的光的提取率，即降低了LED的實際有效光效，這對于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果讓LED芯片4π出光，將可明顯提高LED PN結(jié)產(chǎn)生的光子的提取率、即提高LED的實際光效。

　　圖1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意圖。LED芯片被安裝在光反射碗的底部，反射碗內(nèi)有光出射面為平面或曲面的透明介質(zhì)(圖1中為平面的例子)。

　　芯片PN結(jié)向上發(fā)射的2π立體角光(以藍(lán)色表示)的一部分可直接從光出射窗出射，另一部分光經(jīng)透明介質(zhì)表面全反射后經(jīng)反射碗反射或直接經(jīng)反射碗反射后出射。其中，直接出射光約為2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，這里我們設(shè)透明介質(zhì)的折射率為1.5，經(jīng)反射碗反射后出射的光占75%，設(shè)反射碗反射率為0.75，若不計反射碗多次反射和透明介質(zhì)的吸收損失，則總光提取率為(25+75×0.75)%=81%?！　?span id="oswuskg" class="hrefStyle" style="word-break: break-all; ">LED芯片向下發(fā)射的2π光(以紅色表示)，要經(jīng)過芯片背鍍反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收，估計出射率約為60%(取決于反射碗壁和底、電極表面、電極之間介質(zhì)面、固晶膠等的反射率)。

　　因此，LED芯片光的總提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即約30%的光被LED元件吸收而變?yōu)闊崮堋?/p>

　　圖2是LED芯片4π出光的示意圖。其中LED芯片為芯片基板是透明的芯片，至少一串相互串聯(lián)或串并聯(lián)的芯片被用透明膠固定在一個LED發(fā)光元件的透明基板上，芯片上覆有透明介質(zhì)層或發(fā)光粉膠層。

　　若芯片基板為藍(lán)寶石，藍(lán)寶石上的外延層和PN結(jié)為GaN，P電極為ITO，LED元件透明基板為玻璃，透明介質(zhì)為硅膠，它們的折射率分別為1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由圖2可見，離開LED芯片PN結(jié)向上和向下發(fā)射的各半球2π的光都可以順利出射，藍(lán)寶石基板內(nèi)部基本上沒有多次反射吸收，若不計介質(zhì)吸收，LED芯片的光幾乎可100%出射。

　　即4π出光的LED元件的實際發(fā)光效率要比SMD式LED高約(100-71)/71=41%。我們的實驗結(jié)果基本與此相符。

　　可見，讓LED芯片4π出光可提高LED元件的實際發(fā)光效率約40%，同時減少LED的發(fā)熱量。考慮到現(xiàn)有LED元件的不同結(jié)構(gòu)，4π出光應(yīng)可比≤2π出光的光效高30%以上。

　　其實這個概念幾乎所有LED工作者早就知道，但沒有能實用，其關(guān)鍵是沒有能解決LED芯片的散熱問題。

　　二、氣體散熱分析

　　要讓LED芯片4π出光，芯片四周必須是高透光率而且可散熱的透明介質(zhì)。人們很容易首先想到的是用液體散熱，因為透明介質(zhì)中、液體的導(dǎo)熱率一般都比氣體要高得多。例如水的導(dǎo)熱率為0.5 W/(m·K)，是空氣導(dǎo)熱率0.025的20倍。

　　十多年來一直有人在研究用液體散熱來達(dá)到LED芯片4π出光，但液體散熱仍有一些難以克服的困難，例如，液體的粘滯系數(shù)比氣體大很多，水的粘粘滯系數(shù)為8937μP，是空氣的10倍，是氦的77倍，高粘滯系數(shù)導(dǎo)致LED芯片周圍很容易因為芯片發(fā)熱使液體相變氣化，而產(chǎn)生的氣體因為液體的高粘滯系數(shù)而難于跑掉，芯片容易被靜止的氣體包圍，而任何靜止的氣體都是良絕熱體，因而容易使芯片過熱而燒毀。此外，還有液體容易電解、侵蝕芯片和發(fā)光材料、泡殼破碎后的污染等問題，至今還沒有很好的實用產(chǎn)品。

　　氣體與液體相比，雖然導(dǎo)熱率低，但粘滯系數(shù)比液體小的多，容易形成氣體對流，有效地把LED工作時產(chǎn)生的熱帶走散發(fā)掉，從而獲得良好的散熱效果。

　　初期，人們把LED芯片安裝在條狀或平板型透明基板上，在空氣中工作，利用空氣散熱。但由于空氣的導(dǎo)熱率低、粘滯系數(shù)高，難以有效散熱。若LED芯片安裝在一個平板上，則熱量集中更不利于散熱，因此難以制成光效高，又能足夠輸出光通量的LED燈。例如，Ushio的LED燈絲燈，輸出光通量僅36 lm，光效僅60 lm/W。又如松下的LED芯片安裝在一透明平板上的空氣散熱的LED燈泡，輸出光通量為210 lm，光效為47 lm/W。這些LED芯片4π出光的LED燈泡的光效反而低于用現(xiàn)有≤2π出光的LED元件制成的LED燈，現(xiàn)有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡燈的效率為40～90 lm/W，其原因在于沒有解決LED芯片的有效散熱問題，致使LED芯片的PN結(jié)溫升高、光效低，輸出光通量小。

　　筆者所在的公司有效地解決了4π出光芯片的散熱問題，其方案是：把至少一串相同或不同發(fā)光色的LED芯片用透明膠分散固定安裝在一個透明基板條上，芯片和透明基板條四周有至少一層透明膠層或發(fā)光粉層；透明基板二端有電引出線，制成LED發(fā)光條(或稱LED燈絲)；所述LED發(fā)光條被安裝在一個真空密封的透光泡殼內(nèi)，泡殼內(nèi)充有高導(dǎo)熱率、低粘滯系數(shù)的傳熱并保護LED的氣體；LED的電極經(jīng)真空密封泡殼的芯柱的引出線引出，經(jīng)LED驅(qū)動器與一電連接器連接，電連接器用于連接外電源，制成一個外形與白熾燈相似、高光效、無金屬散熱器的LED燈絲燈，可直接替換白熾燈和節(jié)能燈。

　　現(xiàn)已制成了整燈光效高達(dá)170 lm/W的A19型LED燈泡；其輸出光通量可達(dá)760 lm；顯色指數(shù)(CRI)可達(dá)96。最近該公司實驗室已制成色溫5000K、CRI為71，光效高達(dá)193 lm/W的A19燈。其光效比節(jié)能燈高一倍以上。從而使LED 4π出光、無金屬散熱器的LED燈泡進入了實際使用時代。圖3是銳迪生4條LED發(fā)光條串聯(lián)的LED燈絲燈示意圖?！　「邔?dǎo)熱率低粘滯系數(shù)的氣體優(yōu)選氦或氦氫混合氣。氦的導(dǎo)熱率為0.14 W/(m·K)，是空氣的6倍，粘滯系數(shù)僅194μP，是空氣的1/8；氫的導(dǎo)熱系數(shù)為0.15，粘滯系數(shù)為87.6，且成本低，但使用欠安全；為降低成本，可用氦氫混合氣。高導(dǎo)熱率低粘滯系數(shù)氣體容易形成有效的對流散熱，可以把LED芯片工作時產(chǎn)生的熱很快帶走，傳遞給燈泡的泡殼，再經(jīng)泡殼到周圍空氣散發(fā)掉。

　　其次，采用導(dǎo)熱率較高的發(fā)光條透明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、藍(lán)寶石、透明陶瓷、AlN等。同時要采用導(dǎo)熱率高、透光率高的固晶膠和發(fā)光粉膠，并盡可能減小它們的厚度，還要盡量增加透明基板和發(fā)光粉膠與散熱氣體的接觸面積，以降低LED的PN結(jié)到散熱氣體的熱阻。所述至少一層發(fā)光粉層可被涂覆在透明基板和LED芯片四周，例如涂覆在發(fā)光條有LED芯片和無芯片二面，或僅在有芯片一面，也可以先在透明基板上涂覆一層發(fā)光粉層，LED芯片被固定在該發(fā)光粉層上、芯片電連接后再涂覆一層發(fā)光粉層。

此外，還可以把發(fā)光粉涂覆在燈泡泡殼的內(nèi)壁上，發(fā)光條的LED芯片上僅有一層透明膠，發(fā)光粉遠(yuǎn)離芯片，有利于減小光衰，增加燈的