大功率白光LED道路照明探討

　　毋庸置疑的是經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，LED在顯示領(lǐng)域已取得了完全成功、并已成為無(wú)與論比、不可替代的顯示器件。在裝飾照明方面也充分顯示其特色、取得半壁江山，2008奧運會(huì )開(kāi)幕式上LED的出色表現更震撼世界。但是不能不正視的事實(shí)是在功能照明方面白光LED仍然存在較大的局限性。中國已經(jīng)是世界上最大的LED的生產(chǎn)基地和消費市場(chǎng)，LED的應用領(lǐng)域廣闊，但由于目前的技術(shù)水平和實(shí)際性能的限制，將此種器件用于功能照明并非用其所長(cháng)的。所謂大功率LED，目前市場(chǎng)上能找到最大功率器件也不過(guò)3W，即使是研發(fā)中的10W器件能大規模生產(chǎn)，但對于常規照明特別是道路照明中使用的數百瓦的光源而言其單粒功率失之過(guò)小。采用白光LED設計一項照明工程其用量必定很大，無(wú)論是設計難度或是成本都將是得不償失的。

　?、?LED的光效
　　對LED的普遍的評價(jià)是高光效和長(cháng)壽命，很多廠(chǎng)家宣稱(chēng)其產(chǎn)品光效高達90lm/W或更高，但這些數據只是某些實(shí)驗室在測試初始階段當LED仍處于冷態(tài)時(shí)測得的最高數據。所謂5萬(wàn)小時(shí)或10萬(wàn)小時(shí)壽命只是早期對小功率單色LED的估算結果。

　　從LED的發(fā)光機理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復合而發(fā)光的，載流子復合時(shí)其勢能全部轉化為光能，單就這一過(guò)程而言其內量子效率為100%。但是載流子在介質(zhì)中與晶格碰撞而損失的能量、復合時(shí)載流子所攜帶的動(dòng)能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉化為光能?？紤]到各種附加能耗、載流子復合的實(shí)際內量子效率不會(huì )超過(guò)90%。

　　載流子復合時(shí)產(chǎn)生的光子有50%的幾率為外向輻射，這50%的光子中一部分與晶格碰撞并為晶格吸收轉化為熱能。部分光子傳輸時(shí)在不同介質(zhì)交界面處會(huì )反射回原介質(zhì)并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網(wǎng)膜或透明導電膜也將使部分光子反射并被吸收，這些過(guò)程都會(huì )降低LED的量子提取率，設這部分光子的量子提取率為80%。
　
　　載流子復合時(shí)產(chǎn)生的光子中有50%的幾率為內向輻射，這部分光子在到達兼作反射鏡的底層導電膜時(shí)將部分反射轉化為外向輸出光，然而此部分光子在向內或向外傳輸過(guò)程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經(jīng)過(guò)不同介質(zhì)交界面時(shí)也將部分反射或折射回原介質(zhì)最終被吸收?；追瓷溏R的反射效率和上述過(guò)程的限制而使得內向輻射的光子轉化為輸出光的量子提取率不會(huì )超過(guò)40%。

　　根據以上分析可以估算出LED總的電光轉換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計結果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉換效率的下降。與可見(jiàn)光轉換效率不足5%的白熾燈相比，甚至與當前轉換效率最高的高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈相比(電光轉換效率約為30%)也是非常高的，這正是LED有十分誘人前景的原因所在。

　　如所周知，將1W能量全部轉化為555nm波長(cháng)的黃光時(shí)產(chǎn)生的光通量可達683lm/W(683lm/W即光功當量)，若全部轉換為白光則約為360lm/W。如本文前面的估計，在十分理想情況下發(fā)555nm黃光的LED最高可能達到約300lm/W的最高光效，目前上述估計還遠未實(shí)現。目前所報導的LED的最高光效實(shí)際只達到這一理想值的一半，而實(shí)際上還不足其1/4，這也正是人們論為L(cháng)ED尚有巨大潛力可挖、對之寄以厚望的原因所在。

　　提高LED發(fā)光效率的關(guān)鍵在于提高量子提取率，亦即盡可能減少光子的內部吸收，這就是LED向超薄型發(fā)展的原因。目前最高光效的超薄型(厚度數十納米)GaN LED、其下導電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內表面制成粗糙構造、以減少光子的內向反射，然而即使如此目前報導的最高光效不過(guò)150lm/W。[3]

　　以上分析的是對單色光LED的進(jìn)行的，將單色光轉化為白光還須再經(jīng)過(guò)一次量子轉換，目前大都采用發(fā)射光譜的中心波長(cháng)約470nm的藍光LED來(lái)激發(fā)輻射光譜中心波長(cháng)為560nm的寬帶黃光熒光粉，從而制成藍黃光混合的白光LED，但是這將使LED的光效近一步降低。其光子效率可以估算如下：

　　如果保留LED輻射中的約20%藍光輸出，用剩余的80%的藍光激發(fā)黃光熒光粉，在最佳情況下這80%的藍光中約有20%以上的光子將為熒光粉吸收，其余80%下轉移為以560nm為中心波長(cháng)的寬帶黃光輻射，這一過(guò)程平均產(chǎn)生16.1%的量子能量損失。結合前面的數據可以估計白光LED的總能效不會(huì )超過(guò)40%，換算為白光時(shí)白光LED的總光效最多不過(guò)150lm/W。如果沒(méi)有其他突破，這是當前白光LED可能達到最高光效，這一光效與當前最高光效的光源如HID燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實(shí)際達到的光效尚未及此一半。

　　我們曾對此進(jìn)行了實(shí)驗研究，我們利用某公司生產(chǎn)的1W高亮度藍光LED，其光譜的中心輻射波長(cháng)為470nm見(jiàn)Fig.3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長(cháng)為560nm的黃光熒光粉涂層，經(jīng)處理后測量其發(fā)射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了四種典型情況，其結果見(jiàn)Fig.4 a,b,c,d及附表。最佳情況下(Fig.4 c)的光通輸出為38lm(初始冷態(tài)約50lm)，顯色指數為78。

　　某著(zhù)名跨國公司技術(shù)人員介紹他們的1W白光LED的初始光效達到了70lm/W，正常運轉時(shí)因p-n結溫度上升，光效降為50lm/W。

　　2007年日本材料科學(xué)研究所納米陶瓷中心得到的結果是最高的[3]，他們采用中心波長(cháng)為450nm的InGaN藍光LED和光子轉換效率高、在450nm藍光范圍 有強吸收峰、溫度系數低的三種熒光粉進(jìn)行了試驗，這三種熒光粉分別為：α-sialon: Yb2+、α-sialon: Eu2+和Sr2Si5 N8: Eu2+。這些熒光粉的特點(diǎn)是發(fā)光效率的熱衰減較小，在150℃時(shí)仍保持初始值的85%。這三種熒光粉的發(fā)射光譜示如Fig.5。

　　以InGaN藍光LED和1號熒光粉制成的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.6，其光效為55lm/W，色溫4500K。這是本人所知道白光LED的最高光效報導(據測試國內1W白光LED的光通量大多在40lm以下)。采用2號和3號混合熒光粉試制的白光LED的發(fā)射光譜示如Fig.7，其顯色指數提高到82，色溫4200K，但光效確降低到20lm/W。

　　如前所述，LED的發(fā)光是由n型半導體中的負載流子(電子)在外電勢作用下克服阻擋層電勢進(jìn)入p型半導體并為空穴俘獲產(chǎn)生復合發(fā)光的。通常半導體的溫度系數較大，隨溫度上升其電阻率下降，阻擋層電勢也將降底，與此同時(shí)其輻射的中心波長(cháng)將向長(cháng)波方向漂移(紅移)而使熒光粉的發(fā)光效率下降。

　　目前白光LED運轉時(shí)最多20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量均轉化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率LED， 80%的輸入功率的加熱作用不會(huì )使芯片溫度上升太多，對LED的光效、壽命和運轉狀態(tài)影響不大。但是0.5W或更大功率的白光LED，其功耗的80%以上集中發(fā)生在非常小的p-n結區，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會(huì )造成快速光衰并使壽命縮短。

　　5萬(wàn)或10小時(shí)的長(cháng)壽命判斷是在LED發(fā)展初期對小功率單色LED估算的，對于大功率LED，特別是白光LED，由于芯片和熒光粉長(cháng)期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設計不良的LED照明工程在運轉3~4個(gè)月后急劇的光衰使設計者不得不常常更換光源的原因。

　?、?LED和道路照明
　　由于對白光LED的巨大投資和過(guò)分的宣傳，至使這一領(lǐng)域的部分人員對白光LED寄以過(guò)高期望，急于將白光LED推向常規功能照明，很多這一領(lǐng)域的人員并將之直接推廣到道路照明方面，數年來(lái)全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數十處(作者考察過(guò)多條采用LED作光源的道路照明工程)已經(jīng)取得了足夠多的經(jīng)驗和教訓有待總結。本人認為這一試驗應當暫時(shí)放緩，待條件成熟后再重新啟動(dòng)。

　　目前我國和發(fā)達國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數用金屬鹵化物燈，前者光效為100~120lm/W，但顯色指數僅為20或更低，后者的光效80~100lm/W，顯色指數80左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類(lèi)光源實(shí)際的系統光效在75lm/W~90lm/W之間。由于道路照明所用燈具的光反射率不高，通常均在60%以下。采用此類(lèi)燈具時(shí)有約40%光直射地面，其余60%的光則需經(jīng)燈具反射后射向地面。粗略估算去除各種損耗后常規道路照明的總光利用率不超過(guò)76%，由此估計最終的光效約為60lm/W~70lm/W。此外由于燈具設計的不合理以及高壓鈉燈特殊的細長(cháng)柱狀發(fā)光體而造成光分布不均勻，為使道路中線(xiàn)和二燈之間的暗區達到照明標準，設計時(shí)不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿(mǎn)足暗區的照度要求，從而更造成了電能的浪費。

　　基于上述情況LED道路照明設計者認為利用LED的定向輻射性能進(jìn)行道路照明設計、可以大幅減少能量的浪費，他們認為白光LED比高壓鈉燈更節能。他們設計了若干利用大功率(1W、3W)白光LED的道路照明方案，并做成樣板工程。但是這些樣板工程大都并未經(jīng)過(guò)仔細測試和認證。其中一種照明設計方案是將120只1W白光LED矩陣式分布在200×250mm的矩形平面電路板上，板后為接線(xiàn)，然后整體安裝在常規路燈燈具中。這種設計是極不科學(xué)的，該方案選用的LED單只發(fā)光量不超過(guò)40lm，估以40lm論之，考慮到配套電器損耗(10%)以及90%的光利用率，其實(shí)際系統光利用率不足32lm/W，120只 LED的總有效光通量約4300lm。假如LED的光發(fā)射角為120°，按這一設計4300lm的光將以120°的發(fā)射角射向下方?？梢韵胂筮@樣的設計將使地面光分布極不均勻，街心及燈桿之間完全黑暗。加以這些設施中并未考慮對LED基片采取有效降溫措施，如此多的LED集中在如此小的空間，80多瓦的功耗持續積累將使芯片溫度過(guò)高，阻擋層壓降下降，所發(fā)藍光向長(cháng)波方向漂移，這必然造成其光效的嚴重下降?？疾炝吮本┙紖^某光伏照明樣板路(光源總功率為105W)燈下照度只有3.5 lux，據云此前二個(gè)半月、該工程剛完工時(shí)燈下照度為7 lux。而燈下直徑15米以外的地方則根本沒(méi)有任何照明效果。在江蘇、浙江、山東、廣東不乏此類(lèi)工程樣板，例如廣東順德某處和深圳某處的LED道路照明示范街不僅燈光昏暗，而且每隔3~5個(gè)月必需更換光源。

　　LED道路照明試驗必須在專(zhuān)家指導下、經(jīng)過(guò)嚴格認證和設計后才能施行。

　　廣東某些專(zhuān)門(mén)從事LED道路照明工程的企業(yè)從中接取了教訓，他們采取的措施是使1W LED工作在0.5~0.6W狀態(tài)，或是將3W LED設計為1W使用，這樣雖然成本很高、光效很低，照明效果不佳，但基本解決了光衰和壽命問(wèn)題。

　　某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專(zhuān)門(mén)為中國研發(fā)出了一種用于道路照明的白光LED，他們將1W LED前端的封裝材料設計為特定的凸透鏡結構，據稱(chēng)采用此種LED不需二次、三次光學(xué)設計就可得到均勻的道路照明，使用方便。該公司宣稱(chēng)此種LED的冷態(tài)光效為70lm/W，正常使用時(shí)則為50lm/W。

　　浙江某公司設計了用于道路照明的集成式白光LED，他們將多個(gè)藍光LED芯片組裝在同一基板上，用一只專(zhuān)門(mén)設計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內壁涂敷熒光粉，使所有LED芯片共同激發(fā)同一熒光粉涂層。這種組合式LED的發(fā)光特征被改造得與常規球形光源相近，使用較為方便，但這種結構LED的基板散熱問(wèn)題仍然存在。
　　需要注意的是將多個(gè)LED集中在一起進(jìn)行道路照明設計時(shí)、除足夠的光通量和合理的光學(xué)設計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問(wèn)題。如前所述，目前LED的能耗中約80%以上轉化為熱量，而半導體器件是不耐高溫的，如果不能將所產(chǎn)生的熱量即時(shí)導走則必將引起嚴重后果。

　　用LED進(jìn)行的道路照明條件目前尚未成熟，這既有待于LED光效的提高和功率的加大，更有待于有效的LED散熱方案和措施的解決，當然更合理的光學(xué)設計也是非常重要的。

　?、?美國能源部對商用LED產(chǎn)品有效性的評估(CALiPER)
　　在LED光效和壽命指標方面，目前存在較大的意見(jiàn)分歧，其中一個(gè)重要原因是沒(méi)有統一的標準和測試方法，例如照明行業(yè)向來(lái)以穩定運轉時(shí)的光通量輸出和光效作為其產(chǎn)品參數指標，而LED業(yè)者則普遍以初始(冷態(tài))的最大光通和光效為標準，在顯色指數的測量方法和標準上亦存在不少差異，壽命標準和測量方法也是不同的，相關(guān)數據相差甚遠，評價(jià)也大相徑庭。

　　這一問(wèn)題不僅我國，在國外也是同樣嚴重的，美國能源部早已發(fā)現，他們從2006年12月到2008年9月共進(jìn)行了7輪市場(chǎng)產(chǎn)品調查，僅在2008年就連續分別在1月、5月和9月進(jìn)行了三次抽查，并于9月份公布了“商用LED產(chǎn)品有效性的評估和報告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation Reporting)，他們公布的數據和結論是負面的，在所檢測的24類(lèi)產(chǎn)品中只有二類(lèi)(下射筒燈)數據與產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)吻合，除少數LED光效達62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，遠遠不能達到能源之星的標準。對于宣傳上的混亂和數據的夸大作了十分嚴厲而否定的結論，其中包括光效、色溫、顏色質(zhì)量、光分布以及照明系統的功率因數。特別是光效，他們發(fā)現宣傳上往往夸大2~3倍以上，而一般用戶(hù)對此并不了解。美國能源部的一個(gè)結論是必須建立統一的標準來(lái)規范產(chǎn)品質(zhì)量和指標，在我國上述問(wèn)題更為突出而重要。

　?、?結論
　　LED是一種優(yōu)良的有前途的光源，其特定的發(fā)光機理賦予它一系列特征和特點(diǎn)。由于它的發(fā)光體小、介質(zhì)密度大、發(fā)光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大的LED也能給人眼以清晰、明亮、無(wú)誤的光信號，用于指示、顯示時(shí)具有無(wú)與論比的優(yōu)越性，所以在顯示領(lǐng)域其應用已極為廣泛，無(wú)所不在。小功率單色LED還在裝飾照明和藝術(shù)照明方面顯示了特有功能和魅力，2008年北京奧運更充分發(fā)揮了LED的此種功能。

　　白光LED是LED家族中的杰出成員，具有很多特征與特點(diǎn)。開(kāi)發(fā)白光LED的重要目的之一是用于替代常規電光源如白熾燈、熒光燈、高強度放電燈等，然而看來(lái)其發(fā)展不如預期神速。目前市場(chǎng)上的白光LED的實(shí)際光效約為40lm/W，最高不超過(guò)50lm/W，對用于功能照明，這些參數尚待提高。為推廣白光LED更為重要的是廉價(jià)、高效的散熱系統的開(kāi)發(fā)。

　　如所周知，除LED以外、所有光源的發(fā)光體均是在高溫下工作，幾千度的高溫是保證其高效發(fā)光的條件，但LED等半導體類(lèi)的發(fā)光器件其發(fā)光中心的溫升則是極為有害的，如果這個(gè)問(wèn)題不能解決，則LED光效的提高、功率的加大是有限的。

　　小功率白光LED(1W及以下產(chǎn)品)在廣泛的應用中已顯示出了無(wú)比的優(yōu)越性，例如在小空間的局部照明、庭園燈、近距離小功率手電筒、臺燈以及應急照明等方面有非常廣泛的發(fā)展余地。目前白光LED不需要、也沒(méi)有條件和中大功率常規照明光源爭奪道路照明市場(chǎng)。

　　與室內照明不同，開(kāi)闊空間的道路照明四周沒(méi)有反光物體存在，因此道路照明要求的光通量更大，這正是目前道路照明大多采用250W、400W高光通量高壓鈉燈的原因，這種燈的光通量在28000lm至48000lm范圍，若以1W、3W的 白光LED取代，則LED的需要量太大、成本很高、設計難度也大，并且效果難以理想。近數年來(lái)LED在道路照明方面已取得大量經(jīng)驗教訓，加以目前白光LED的光效不高、壽命不長(cháng)，本人認為用LED作道路照明試驗應當暫緩，待研發(fā)成功更高效率、更大功率的白光LED和廉價(jià)高效的冷卻系統后再行推進(jìn)。

　　道路照明消耗作巨大能源、也有很大潛力可挖，其改造勢在必行，最近飛利浦公司和復旦大學(xué)合作，對此進(jìn)行了十分有益的研究[5]，他們的結論是陶瓷金屬鹵化物燈是高壓鈉燈的非常好的換代產(chǎn)品。