LED照明第二幕（一）刷新基本構(gòu)造，突破發(fā)光效率、成本和亮度壁壘

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2014-06-30

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LED照明在技術(shù)層面上也拉開了第二幕。這是因為有多項基本構(gòu)成已完全不同，而非傳統(tǒng)技術(shù)改良版的技術(shù)在強(qiáng)勢崛起。這些革新性技術(shù)將開拓白熾燈泡和熒光燈以外的新照明用途。

以往的白色LED大多基于日亞化學(xué)工業(yè)1996年推出的技術(shù)。基本是結(jié)合使用在藍(lán)寶石基板上生成GaN晶體制作的藍(lán)色LED與黃色發(fā)光熒光材料YAG*來形成白光。

*YAG＝釔（Y）鋁（Al）石榴石（Garnet）。這里是指在由Y3Al5O12構(gòu)成的石榴石構(gòu)造材料中添加鈰離子（Ce3＋）的材料。日亞化學(xué)工業(yè)在LED熒光材料中采用了YAG與鎵（Ga）釓（Gd）石榴石（GGG）的化合物。

這種技術(shù)無疑是在與其他白色發(fā)光LED技術(shù)的競爭中脫穎而出的一項優(yōu)秀技術(shù)。但由于技術(shù)成熟度高，性能進(jìn)一步提高的余地較小。

日亞化學(xué)工業(yè)在2010年初試制成功以20mA的電流實現(xiàn)了249lm/W高發(fā)光效率LED時就表示“技術(shù)已經(jīng)接近極限”，宣布追求發(fā)光效率的研究和學(xué)術(shù)發(fā)表將會告一段落。

另一方面，隨著LED在照明市場上的作用越來越大，對性能的要求也呈現(xiàn)高度化和多樣化，具體表現(xiàn)為（1）進(jìn)一步提高發(fā)光效率；（2）大幅削減制造成本；（3）實現(xiàn)高亮度；（4）顯色指數(shù)的提高及LED特有的眩光降低等需求。而以往的白色LED技術(shù)已經(jīng)無法充分滿足這些需求，ROSH認(rèn)證，車間照明，因而出現(xiàn)市場增長停滯態(tài)勢（圖1）。

圖1：鎖定目標(biāo)打破壁壘的行動加速

打破LED照明市場增長停滯局面的4個技術(shù)方向。發(fā)光效率、價格、亮度和顯色指數(shù)等一般呈此消彼長的關(guān)系，很難同時提高（a）。今后LED的發(fā)展趨勢將是，根據(jù)要求大幅改變技術(shù)，從而至少大幅提高其中一方面的性能。

竭盡努力確保性能

此前，LED筒燈，具備高發(fā)光效率和大光通量的LED照明產(chǎn)品為設(shè)法滿足（1）～（4）的需求，把精力集中在了為數(shù)不多的技術(shù)選項中。例如，發(fā)光效率接近200lm/W的直管型LED燈通過為各芯片加載小電流使之以低亮度發(fā)光，從而實現(xiàn)高效率，同時通過大量排列這種芯片來確保燈具整體所需光通量（圖2）。

圖2：效率的提高與亮度的提高此消彼長

LED燈的電流密度與發(fā)光效率的選擇示例。以幾mA/mm2的超低電流密度驅(qū)動發(fā)光效率近200lm/W的直管型LED燈， LED置換工程，通過大量排列LED芯片確保光通量。大光通量cob也基本采取相同的戰(zhàn)略。

采用這種設(shè)計的原因之一是，LED芯片的發(fā)光特性存在“光效下降（Droop）現(xiàn)象”。電流密度越小發(fā)光效率越高，電流密度增大，發(fā)光效率則會不斷降低。也可以說，裝修照明，發(fā)光效率與亮度是彼此矛盾的關(guān)系。

當(dāng)然了，無論怎么削減電流密度，也無法超越LED芯片本來的發(fā)光效率極限。因此，LED燈具廠商紛紛設(shè)法獲得發(fā)光效率盡量高的LED芯片。他們采取的辦法不僅僅是與技術(shù)實力高的LED芯片廠商簽訂合作協(xié)議。

因為即使是同一家廠商以相同的條件制造的LED芯片，發(fā)光效率也有高有低，家用照明，性能并不穩(wěn)定。為了從這些性能高低不均的產(chǎn)品中，LED燈管，得到發(fā)光效率比標(biāo)準(zhǔn)品高的芯片，車間照明，LED燈具廠商展開了競爭。例如，愛麗思?xì)W雅瑪“選擇的是上等品，戶外照明，用金槍魚來比喻的話相當(dāng)于肉質(zhì)鮮美的‘腹部’部分”（愛麗思?xì)W雅瑪執(zhí)行董事、LED事業(yè)本部本部長石田敬）。不過，如果只使用高性能的芯片，則無法確保市場要求的數(shù)量。因此，該公司根據(jù)性能與數(shù)量來全盤考慮產(chǎn)品性能參數(shù)。

眩光和顯色指數(shù)低也是課題

以往的高效率直管型LED燈為各芯片加載小電流還有其他原因。即如果為芯片加載大電流，各芯片的亮度會變得非常高，裝修照明，眩光比較嚴(yán)重。會導(dǎo)致亮度不均，車間照明，LED筒燈，燈具十分晃眼。這樣就無法取代以面狀均勻發(fā)光的熒光燈。另外，現(xiàn)有白色LED還存在一個課題，照明產(chǎn)品，即如果優(yōu)先確保發(fā)光效率，顯色指數(shù)會降低。

旨在取代汞燈等大光通量燈具的COB（Chip On Board）也與直管型LED燈一樣，采取大量排列LED芯片，以較低的電流密度驅(qū)動的戰(zhàn)略。這是為了兼顧大光通量和高發(fā)光效率，照明資質(zhì)，并抑制眩光。不過，排列大量芯片的話，COB的面積必然會增大。這樣就難以用于汽車前燈和房間的吊燈等想在有限的面積內(nèi)確保大光通量（即高亮度），而且想實現(xiàn)高發(fā)光效率的用途。

根據(jù)需要的性能選擇技術(shù)

上面介紹的這些方法很難滿足想在燈泡和熒光燈以外的用途廣泛使用LED的市場要求。因此，LED照明的用途開拓一直未取得進(jìn)展。在這種情況下，通過引進(jìn)基本構(gòu)造不同于以往白色LED的技術(shù)，照明方案，來解決上述課題的行動日益加速（圖1）。上述（1）～（4）的需求可根據(jù)需要確保的性能來采取完全不同的技術(shù)。

關(guān)于（1）發(fā)光效率，美國科銳公司等的研發(fā)品實現(xiàn)了303lm/W、量產(chǎn)品實現(xiàn)了208lm/W的高數(shù)值（圖3）。該公司的LED是在碳化硅（SiC）基板上生長GaN晶體制造的。最初的構(gòu)造就不同于日亞化學(xué)工業(yè)的白色LED技術(shù)。

圖3：在電流密度上沒有差別

（a）為科銳公司的研究開發(fā)和量產(chǎn)化成果。（b）為科銳與日亞化學(xué)工業(yè)的開發(fā)品的電流密度和發(fā)光效率的關(guān)系。（b）的電流密度值全部是《日經(jīng)電子》推測的。

這種差別在量產(chǎn)階段體現(xiàn)得比研究開發(fā)階段更明顯。以電流密度來比較科銳和日亞化學(xué)工業(yè)的LED發(fā)光效率，除了303lm/W產(chǎn)品以外，日亞化學(xué)工業(yè)的優(yōu)勢更明顯（圖3（b））。但科銳投放量產(chǎn)品的時間比日亞化學(xué)工業(yè)等其他競爭公司早1～2年。