白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的分析與探討

　　引言

　　世界各國(guó)紛紛倡導(dǎo)使用節(jié)能環(huán)保型光源，白熾燈由于發(fā)光效率低、耗電量大、壽命短，將逐步被淘汰。熒光燈因其具有節(jié)能、高效等優(yōu)勢(shì)，已成為照明界的佼佼者，在照明設(shè)計(jì)方面，業(yè)已形成了一套豐富的經(jīng)驗(yàn)。LED的出現(xiàn)將給白熾燈和熒光燈帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，被認(rèn)為是下一代高效的綠色照明光源。專(zhuān)業(yè)人士強(qiáng)調(diào)：照明市場(chǎng)在 2010年將成為白光 LED最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　1、白光LED的產(chǎn)生機(jī)理

　　目前制備白光LED有三種方法：第一種方法是把紅、綠、藍(lán)（RGB）三種芯片封裝在一起混合發(fā)出白光，簡(jiǎn)稱(chēng)MCLED（multi-chipLED）；另一種方法就是通過(guò)熒光粉轉(zhuǎn)換得到白光LED,稱(chēng)為PCLED（phosphorconvertedLED），包括藍(lán)光LED芯片加YAG黃色熒光粉、紫外LED芯片加RGB熒光粉；此外還有MOCVA直接生長(zhǎng)多有源區(qū)的白光技術(shù)。相比之下MCLED的綜合性能好，但是綠光轉(zhuǎn)換效率低、成本高；藍(lán)光LED生成白光技術(shù)比較成熟，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于照明行業(yè)。這種LED的發(fā)光原理就是GaN基藍(lán)光 LED芯片發(fā)出的藍(lán)光（λp=465nm;Wd=30nm），其中有一部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光相混合產(chǎn)生白光，如圖1所示。

　　2、LED燈具現(xiàn)狀及其不足

　　白光LED燈在要進(jìn)入普通家庭，必須達(dá)到室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)，保證正常的工作、學(xué)習(xí)和生活?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)出現(xiàn)各種LED室內(nèi)照明燈具，但是照明效果還不太理想，與普通照明要求還相差太遠(yuǎn)，表1是目前LED燈具與傳統(tǒng)光源性能參數(shù)的比較：

　　從表1來(lái)看，白光LED應(yīng)用于室內(nèi)照明的憂(yōu)勢(shì)還未能充分體現(xiàn)，LED燈具還存在著很多方面的不足。

　　2.1 顯色指數(shù)、色溫LED室內(nèi)照明燈具與普通的LED指示燈不同，要接近自然光的效果，使被照物在光源的照射下無(wú)失真。因此，顯色指數(shù)跟色溫就顯得尤為重要。

　　顯色指數(shù)Ra是指物體在被照光源下的顏色與在日光照射下的顏色的相符程度，顯色指數(shù)越低就說(shuō)明物體在被照光源下失真度越高，它是衡量人眼對(duì)光源視覺(jué)質(zhì)量的指標(biāo)。色溫是衡量光源色的指標(biāo)，色溫偏低表示光色偏暖（紅色），偏高則表示光色偏冷（藍(lán)色）。

　　利用PCLED中藍(lán)光LED+YAG黃色熒光粉制成的白光LED,由于其光譜中缺失紅色部分，顯色性較差，難以滿(mǎn)足低色溫的照明要求，而MCLED則可以通過(guò)選擇合適的波長(zhǎng)跟強(qiáng)度來(lái)獲得更好的顯色指數(shù)，但是芯片性能的差異使得驅(qū)動(dòng)電路過(guò)于復(fù)雜，圖2是 NICHIA兩種白光光譜的對(duì)比。

　　目前白光LED大多采用藍(lán)光LED加熒光粉合成，其電光轉(zhuǎn)換效率的改善是因?yàn)槿搜蹖?duì)藍(lán)綠光比對(duì)紅光更為敏感；導(dǎo)致目前高亮度白光LED色溫偏高，為了達(dá)到更好的視覺(jué)效果，要通過(guò)增加紅色成分來(lái)改善，國(guó)內(nèi)外很多機(jī)構(gòu)已經(jīng)采用不同的方法研制出能夠被藍(lán)光芯片有效激發(fā)的紅色熒光粉，如何保證熒光粉發(fā)光效率更高、化學(xué)性能更穩(wěn)定是目前重要的研究課題。其次，在一定的色溫范圍內(nèi)，還要注重?zé)晒夥鄣呐浔雀糠蠊に?，這對(duì)制造出高顯色性、低色溫的白光LED也是至關(guān)重要的。

　　2.2 發(fā)光效率、光通量與價(jià)格我國(guó)目前白光LED燈的發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到60~80Imlm/W,跟熒光燈水平相當(dāng)，但是在價(jià)格上與之相比還有一段距離。以40W熒光燈為例，按其發(fā)光效率60lm/W來(lái)算，其光通量為2,400lm,而一支15W的LED日光燈管，要達(dá)到熒光燈的光通量標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)光效率要在150lm/W以上，目前為止還相差甚遠(yuǎn)，況且價(jià)格高出熒光燈數(shù)十倍。顯然，LED燈要替代熒光燈，光效和價(jià)格是兩大瓶頸。

　　隨著LED芯片技術(shù)的發(fā)展，外量子效率的不斷提高，光效也在飛速上升。2008年7月德國(guó)歐司朗公司宣布，新研發(fā)的白光LED在350mA的電流下光效達(dá)到136lm/W,2008年10月美國(guó)科銳公司在瑞士召開(kāi)的一家研討會(huì)上宣布白光LED實(shí)驗(yàn)室水平達(dá)157lm/W;日本日亞早在 2006年底就生產(chǎn)出150lm/W的白光LED,進(jìn)過(guò)多次的改良后于目前開(kāi)始量產(chǎn)。國(guó)內(nèi)也在提高光效和降低價(jià)格方面取得了突破性的進(jìn)展，按1W白光LED來(lái)算，光效從2003年的30lm/W上升到2007年的70~80lm/W,價(jià)格從5~6美元下降到2~3美元，如今已經(jīng)提升到80~90lm/W.實(shí)驗(yàn)室水平已經(jīng)超過(guò)100lm/W,例如佛山國(guó)星通過(guò)改進(jìn)封裝工藝，研發(fā)出115lm/W的1W級(jí)大功率芯片，這標(biāo)志著我國(guó)離半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)目標(biāo)（如圖3）之路越來(lái)越近。

　　2.3 封裝技術(shù)與散熱白光LED燈具內(nèi)部構(gòu)造通常是由LED模塊和控制系統(tǒng)組成，目前廠家大多利用φ5高亮度白光LED直接封裝在PCB板上，采用盡可能多的LED來(lái)增加光通量跟亮度。這樣，LED支架與PCB板之間的熱效應(yīng)加劇，光衰嚴(yán)重，壽命上還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到理論上 LED光源的幾萬(wàn)小時(shí)，而且 LED過(guò)多導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜、二次光學(xué)設(shè)計(jì)成本增加。因此，LED燈具需要采用大功率封裝技術(shù)。

　　首先是單個(gè)大功率LED芯片封裝。大功率芯片在發(fā)光效率跟光通量方面都要優(yōu)于小功率LED,用一個(gè)替代十幾甚至幾十個(gè)小功率LED;降低燈具成本，簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路，是目前值得推廣的一種封裝形式。大功率LED的輸入功率較大，但是電光轉(zhuǎn)換效率非常低，只有不到20%轉(zhuǎn)換成光，產(chǎn)生的大部分熱量如果不能及時(shí)排出，就會(huì)造成接日溫度升高，影響LED壽命。因此，大功率LED必須解決散熱難題。

　　到目前為止主要措施包括封裝技術(shù)和封裝材料的選擇，采用大功率芯片倒裝技術(shù)，增大接觸面的表面積（加大引線(xiàn)支架的直徑和引腳尺寸），帶鋁芯夾層的PCB板的選用都能夠取得很好散熱效果；利用低熱阻、散熱性能好的封裝材料（如陶瓷、銅等）代替熱傳導(dǎo)性差的環(huán)氧樹(shù)脂，鋁、銅制散熱基板以及導(dǎo)電型錫漿等粘貼材料的選擇也是目前研究的熱點(diǎn)。

　　其次是多芯片組合封裝模組。由于以L(fǎng)umileds、科銳、歐司朗及日亞公司為主的大功率 LED芯片成為目前高端市場(chǎng)的主流，國(guó)內(nèi)技術(shù)還不成熟，相對(duì)來(lái)說(shuō)小功率白光LED貨源充足，價(jià)格較低。國(guó)內(nèi)許多廠商開(kāi)始研究多片集成技術(shù)，即利用多個(gè)小功率芯片通過(guò)不同的串并組合高密度集成在一起組成大功率LED模組，由于采用散熱技術(shù)相對(duì)較好的鋁基板，可以提高模組的壽命，而且芯片尺寸和封裝形式可以隨意選擇，非常適合室內(nèi)照明設(shè)計(jì)。

　　2.4 二次光學(xué)設(shè)計(jì)方案與燈具標(biāo)準(zhǔn)的制定LED不同于傳統(tǒng)的照明光源，要想進(jìn)入普通家庭，必須摒棄傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的設(shè)計(jì)方案，減小二次設(shè)計(jì)的難度，降低燈具成本，將LED組合成適用于照明的環(huán)形光源或者面光源。例如，利用平面鏡反射系統(tǒng)或者光導(dǎo)技術(shù)，不僅大大節(jié)省LED光源數(shù)目，而且還可以減小體積，制成超薄的燈具。日立Lighting受液晶面板背照燈導(dǎo)光板技術(shù)的啟發(fā)，開(kāi)發(fā)出現(xiàn)狀白色LED照明燈具“LINESABER”,在導(dǎo)光板兩端放置百光LED,光線(xiàn)就能均勻擴(kuò)散，解決了普通LED燈難以均勻照射以及“顆粒物”太明顯的問(wèn)題。北高智科技有限公司設(shè)計(jì)的一款新型日光燈，采用日本Citizen公司的0.06W白光LED CL-822,利用42片CL-822組成一個(gè)串聯(lián)模組，然后將六個(gè)模組并聯(lián)成15W LED,加上獨(dú)特設(shè)計(jì)的PILNK306PN