【摘要】本文主要介绍LED照明优越性、发展状况及应用举例,并提供大功率LED光源相关参数,供

　　LED,LightEmittingDiode,,发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。采用LED灯具,具有工作电压低、耗电少、发光效率高、寿命长等特点,目前已经比白炽灯省电80%,比荧光节能灯省电50%,随着LED技术的不断进步,节能效率不断提高,必将成为节能照明领域的主流。据专家测试,用大功率LED路灯取代一个中等城市30万盏普通路灯,每年可节约用电2.85亿千瓦时,减少二氧化碳排放量10万吨,二氧化硫排放量3000吨,中国照明行业也将由于LED技术的发展,产生一场前所未有的巨变,并将引来一个崭新的、伟大的节能产业的诞生,它宛如多年前的网络、手机、通讯的革命,又宛如中国家电、汽车、工业整合时代的来临。受2008年北京奥运和2010年上海世博会的推动,我国LED行业未来几年市场增速将进一步加快,在“国家半导体照明工程”的推动下,预计到2010年,我国半导体照明及相关产业产值将达到1500亿元。因此,我们预测,LED照明是作为继白炽灯之后,必将引发第二次照明革命,并势将席卷全球。

　　我国LED起步于七十年代,八十年代形成产业,九十年代已具相当规模。在90年代后期,我国超过高亮度LED产业迅猛发展,经历了进口器件销售——进口管芯封装,1998年前100%进口,——进口外延片制成管芯并封装——自主生产四个阶段。

　　根据中国光学光电子协会光电器件分会的统计,现在全国共有LED行业的企业1000多家,从业人员超过5万人,其中技术人员超过5000人。近几年LED的发展速度超过30%,2002年LED产量超过150亿只,产值超过80亿元,2003年LED产值超过100亿元,产量约200亿只,其中超高亮度LED有几十亿只,近两年国内成立的相关企业已经引进二十多套MOCVD设备以及配套设备,总计投资数亿元人民币,形成了与国外产品竞争国内市场的态势。我国的研究基础和企业资本已经达到了形成LED产业的阈值水平,具备了进军半导体照明产业的基础。

　　863计划从“八五”开始就认识到高亮度LED的迅速发展将对我国产生重大影响,在战略安排中,将宽禁带半导体发光和激光器件的研制以及相应的基础材料、在线测量技术和设备、衬底材料、外延设备的研究组成一个重大研究群体。在至今已安排的项目中,包括MO源的研制和生产、超纯氨的研究和生产、蓝宝石单晶和衬底的规模生产、蓝光LED、白光LED、GaN激光器探索、白光LED应用、MOCVD设备、蓝光LED外延片在线检测仪、CaN单晶和自支撑衬底材料等二十几个课题,投入4000万研究经费。很多单位对Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料做了不少基础研究工作,如南京大学、华南师范大学、复旦大学、浙江大学、厦门大学、西安交大、中国电子科技集团公司第55所大学及科研等单位,对AlGaInP和

　　43GaN基的LED发展起到很大的推动作用。我国在金属有机源方面,“863”多年的支持,已经取得成效,建立了诸如江苏南大高科这样专门生产金属有机源的厂家,并已经开始生产和销售。大连的高纯氨也开始向科研和生产厂家供货。

　　目前,国内从事半导体设备研制生产的主要力量有,①信息产业部有几个专门从事设备研发的单位,如,48所、45所等,但受体制的约束,缺乏竞争能力,目前处于仿制国外产品,处在研究阶段,②国内有些研究所,如中科院半导体研究所、中科院微电子所、清华微电子所等,针对国内市场开发了MOCVD生长系统、ICP刻蚀机、磁控溅射设备、快速退火炉、接触式光刻机等,这些设备的研究开发人员有较好的器件工艺背景,研制的设备比较实用,③民间资本已投身于半导体仪器设备研究和市场开发。研制生产出LED后封装用研磨抛光机、晶片扩张机、压焊机、灌胶机、离膜机、LED光色电综合测试系统、LED光强分布测试仪、LED电参数测量分析仪等。但总的来说,中国半导体设备制造业的规模较小,设备的自动化程度低,升级换代的周期长,与国外先进水平相比差距还很大,设备研制开发能力大大落后于半导体器件的加工能力。MOCVD是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的关键设备,我国在这一领域还受制于国外。

　　国内外延片和芯片生产厂家均是沿用九十年代中期国外的常规结构,其发光效率受常规芯片结构取光效率的限制,主要取决于外量子效率的提高,在高外量子效率芯片的生产技术方面,国内有较大的差距。我国高亮度LED上游、中游,外延片和芯片,产业的起步阶段,制造的技术几乎都来源于科研院所和学校多年积累的科研成果,最近几年有些公司才开始引进海外归来学子或通过收购外国公司作为技术来源。

　　四元系AlGaInP超亮度LED方面,早期投入研究开发的有13所、山东大学、中科院半导体研究所

　　等单位,主要在材料外延方面取得突破,同时研发LED芯片,并与企业合作开展产业化工作。接着,山东华光电子公司、13所、厦门三安公司在材料外延和芯片制造的产业化方面都取得进展,能批量提供红、橙、黄色超高亮度LED外延片和芯片。在芯片制造方面,还有上海大晨公司、深圳普光公司等多家企业均能够批量提供超高亮度AlGaInP红、橙、黄色LED芯片。就目前国内能提供的四元素AlGaInP红、橙、黄色LED芯片来看,总产量太少,还远不能满足市场的需求。此外,国内企业还无法提供发射功率较大的高档次芯片,而芯片参数的一致性、抗光衰、可靠性指标等有待进一步提高。

　　国内在GaN材料研究方面,主要的研究机构有中科院半导所,参股福日科光、技术转让给深圳方大,、北京大学,参股北大蓝光,、清华大学,参股山东英克莱,、信息产业部13所,参股立德公司,、中科院物理所,参股上海蓝宝光电,、南昌大学、长春光机所等,研究水平基本上在几毫瓦量级,半导体白光照明技术的研究刚刚起步,国内在许多技术上还处于跟踪、仿制阶段。国内GaN基,LED芯片主要指标见下表4-1。

　　2008年6月中旬,在上海某一长3.1km的道路两侧非隔离带安装了313盏国内某品牌LED路灯。

　　2.1.1每个LED的安装位置及投光方向单独设置,是随反射器的曲面分布的

　　对比传统高压钠灯及金属卤化物灯路灯,采用LED除节约电能外还有如下明显优势,

　　(1) 虽然传统光源有更高的光效,高压钠灯110lm/W,金卤灯80m/W,但这类光源应用在道路灯具中时,只有40%的光是灯具直接照射到路面,其它光是通过反射吕再投射出灯具。而此类灯具的反射效率仅50%~60%,灯具整体效率约70%。反射器设计难度大,无法真正满足配光需求,普遍存在直接照射方向照度过大,而在两灯光线交叉处照度过小的问题。

　　反观LED路灯,三次配光设计使大部分光是直接投射到路面,灯具整体光效达50lm/W。

　　(2)LED光源输出白光显色性达65,色温适中,5000~6000K,相比高压钠灯,光色更为自然。按“中间视觉”理论,白光LED具有较高的中间视觉等效光效, 即在中间视觉条件下的亮度的高约40%,而此时“黄光”高压钠灯的等铲光效要降低约30%。虽然中间视觉理论依据人眼感官,现在还处于争议中并无确切的标准,但LED的高显色性无疑有助于司机及行人识别目标,在同样的路面亮度下,提供更好的通行条件。

　　(3)高压钠灯与金卤灯均为高压气体放电灯,因故熄灭后,热启动实践长达3~6min,LED灯具则可正常工作连续开关闪断的状态下。

　　(4)LED灯具可实现0~100%连续调光,可根据环境光照及交通状况灵活调整光输出,在保证照明

　　质量的同时,降低不必要的功耗。采用传统高压钠灯及金卤灯的路灯,一般只能实现小范围的调光控制,应用中不可避免地受到其最低工作电压要求的局限性。

　　(5)LED灯具的寿命长,在散热条件良好的情况下,可达50000h,光衰小,有效降低维护工作,减少运行成本。

　　澳门标志性建筑,坐落于澳门市中心,和香港隔海相望,工程要把葡京酒店的魅力在夜色中展现出来。光源主要用霓虹灯和LED灯,楼顶弯刀灯采用

　　由国家广电总局与北京市政府合建,大连路明光电科技有限公司承担照明工程,其室内采用LED 灯。

　　位于天津大学城,面积3000亩,整个项目道路和主干长约4.5公里,选用灯具1100套左右,光源进口索恩LED芯片, 国内封装,2006年7月完工,规模较大。

　　广场工程面积10余万平方米,面临大海,用LED灯具作景观照明,在24V电压下供电,安全稳定,光线柔和,不破坏原有景观,达到见光不见灯的效果。

　　系重庆首例LED夜景照明示范项目,充分利用其体积小、响应快、色彩丰富灯特点,通过对一套自主研发的,基于RS-485总线技术的LED智能控制系统应用,在建筑外立面排列成可随季节、时间变化的大型夜景画面,实现了对大型夜景的自由编辑与精确控制。

　　位于太原市东湖之滨一标志性建筑物,博物馆的文源楼古塔景灯光,通过LED照明,展示了塔建

　　广场作为奥运亮化工程之一, 占地10万平方米,本着“节能、环保、安全、人文”原则,实施高标准化施工,大量采用LED光源照明,不仅节能,使用寿命长,且起到很好的亮化、美化效果。 由广东先朗照明器具公司供货,LED具组合含,长型地砖灯、发光地砖灯、满天星、壁灯、光带、光盘、水下灯、柱头灯等。

　　赛场馆之一,建筑面积8万平方米, 1.7万座,是迄今世界上最大游泳馆。经多方论证,旅游中心建筑物景观照明采用RGB型LED灯,在固定外层气枕的钢结构框架上布灯,侧向投射,使“水立方”外表的亮度、色彩、图案形成一定的场景和模式。这种“空腔内透光”的照明方式及LED照明应用方式开创了一个先河,将为建筑场景观照明朝着节能环保及LED照明向规模化方向发展,树立了一个新里程碑。

　　体现中国现代桥梁景观建筑物的层次美,在水景光环境范围建造过程中,选用LED异型灯具,桥外侧为条状超高亮白色LED景观装饰光带勾勒轮廓,线头特征构筑物外形,在夜间形成白色通体明澈光带,驱动的空间川流不息。

　　北京奥运会信息树亮化工程位于鸟巢与水立方之间的奥运广场,共29棵,寓意传递第29届奥运会信息,每棵树高20米,直径3米。 29棵树分布在3公里范围内。灯具精心设计,采用灯串式点光源,灯

　　具为磊明科技设计生产供室内和户外可控型光源产品,光源为红绿蓝高亮LED,全封闭防水,IP66防护等级,每个光源可作为一个独立的24位色点光源,每个带状单元可级联至256个灯点,光源数量达24万盏。

　　3.1 LED光源属于半导体光电子领域,有很大的节能潜力,它的加入将把传统照明产业提升到一个新的科技含量更高的台阶。

　　3.2 LED的发光特性使其灯具效率和有效利用系数大为提高,现阶段用量产90 lm/WLED做的路灯,例180W, ,经过科学合理的配光设计,已可取代光效为110 lm/W的250W高压钠灯在机动车干道上使用,并具一定的节电效果。

　　3.3 LED路灯应用中出现的均匀度较差,斑马效应、眩光灯一些照明质量上的问题,不是LED的自身的问题,主要是很多灯具厂商对LED光学特性了解不够,缺乏灯具配光设计及道路照明设计知识所致,散热及驱动电路应用不当,也会影响LED路灯的稳定性和可靠性,这些是LED路灯应用热潮中发展不平衡的自然产物,随着实践和认识的提高都将逐步克服,少数企业已做得较好, 。

　　3.4 2008年,国家“‘864’LED功能性照明系统集成技术开发”课题启动及2009“十城万盏”LED路灯示范应用工程的推出,体现了科技部引导半导体照明产业发展既积极又稳重的科学态度,相信在这一方针的指导下,我国的半导体路灯应用水平将走向国际先进的前列。