大功率白光LED道路照明探討

　　毋庸置疑的是經(jīng)過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(yùn)會開幕式上LED的出色表現(xiàn)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(fèi)市場，LED的應(yīng)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的。所謂大功率LED，目前市場上能找到最大功率器件也不過3W，即使是研發(fā)中的10W器件能大規(guī)模生產(chǎn)，但對于常規(guī)照明特別是道路照明中使用的數(shù)百瓦的光源而言其單粒功率失之過小。采用白光LED設(shè)計(jì)一項(xiàng)照明工程其用量必定很大，無論是設(shè)計(jì)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)是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產(chǎn)品光效高達(dá)90lm/W或更高，但這些數(shù)據(jù)只是某些實(shí)驗(yàn)室在測試初始階段當(dāng)LED仍處于冷態(tài)時(shí)測得的最高數(shù)據(jù)。所謂5萬小時(shí)或10萬小時(shí)壽命只是早期對小功率單色LED的估算結(jié)果。

　　從LED的發(fā)光機(jī)理可以估算其理論光效。如所周知LED是利用載流子復(fù)合而發(fā)光的，載流子復(fù)合時(shí)其勢能全部轉(zhuǎn)化為光能，單就這一過程而言其內(nèi)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(fù)合時(shí)載流子所攜帶的動能、以及為克服外電路電阻而消耗的電能均不可能轉(zhuǎn)化為光能。考慮到各種附加能耗、載流子復(fù)合的實(shí)際內(nèi)量子效率不會超過90%。

　　載流子復(fù)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(zhuǎn)化為熱能。部分光子傳輸時(shí)在不同介質(zhì)交界面處會反射回原介質(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(dǎo)電膜也將使部分光子反射并被吸收，這些過程都會降低LED的量子提取率，設(shè)這部分光子的量子提取率為80%。
　
　　載流子復(fù)合時(shí)產(chǎn)生的光子中有50%的幾率為內(nèi)向輻射，這部分光子在到達(dá)兼作反射鏡的底層導(dǎo)電膜時(shí)將部分反射轉(zhuǎn)化為外向輸出光，然而此部分光子在向內(nèi)或向外傳輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經(jīng)過不同介質(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。基底反射鏡的反射效率和上述過程的限制而使得內(nèi)向輻射的光子轉(zhuǎn)化為輸出光的量子提取率不會超過40%。

　　根據(jù)以上分析可以估算出LED總的電光轉(zhuǎn)換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計(jì)結(jié)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(zhuǎn)換效率的下降。與可見光轉(zhuǎn)換效率不足5%的白熾燈相比，甚至與當(dāng)前轉(zhuǎn)換效率最高的高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈相比(電光轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為555nm波長的黃光時(shí)產(chǎn)生的光通量可達(dá)683lm/W(683lm/W即光功當(dāng)量)，若全部轉(zhuǎn)換為白光則約為360lm/W。如本文前面的估計(jì)，在十分理想情況下發(fā)555nm黃光的LED最高可能達(dá)到約300lm/W的最高光效，目前上述估計(jì)還遠(yuǎn)未實(shí)現(xiàn)。目前所報(bào)導(dǎo)的LED的最高光效實(shí)際只達(dá)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LED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(nèi)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(shù)十納米)GaN LED、其下導(dǎo)電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內(nèi)表面制成粗糙構(gòu)造、以減少光子的內(nèi)向反射，然而即使如此目前報(bào)導(dǎo)的最高光效不過150lm/W。[3]

　　以上分析的是對單色光LED的進(jìn)行的，將單色光轉(zhuǎn)化為白光還須再經(jīng)過一次量子轉(zhuǎn)換，目前大都采用發(fā)射光譜的中心波長約470nm的藍(lán)光LED來激發(fā)輻射光譜中心波長為560nm的寬帶黃光熒光粉，從而制成藍(lán)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(lán)光輸出，用剩余的80%的藍(lán)光激發(fā)黃光熒光粉，在最佳情況下這80%的藍(lán)光中約有20%以上的光子將為熒光粉吸收，其余80%下轉(zhuǎn)移為以560nm為中心波長的寬帶黃光輻射，這一過程平均產(chǎn)生16.1%的量子能量損失。結(jié)合前面的數(shù)據(jù)可以估計(jì)白光LED的總能效不會超過40%，換算為白光時(shí)白光LED的總光效最多不過150lm/W。如果沒有其他突破，這是當(dāng)前白光LED可能達(dá)到最高光效，這一光效與當(dāng)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(dá)到的光效尚未及此一半。

　　我們曾對此進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，我們利用某公司生產(chǎn)的1W高亮度藍(lán)光LED，其光譜的中心輻射波長為470nm見Fig.3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為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(jié)果見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(shù)為78。

　　某著名跨國公司技術(shù)人員介紹他們的1W白光LED的初始光效達(dá)到了70lm/W，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)因p-n結(jié)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(jié)果是最高的[3]，他們采用中心波長為450nm的InGaN藍(lán)光LED和光子轉(zhuǎn)換效率高、在450nm藍(lán)光范圍 有強(qiáng)吸收峰、溫度系數(shù)低的三種熒光粉進(jìn)行了試驗(yàn)，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(lán)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(bào)導(dǎo)(據(jù)測試國內(nèi)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(shù)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(dǎo)體中的負(fù)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(dǎo)體并為空穴俘獲產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光的。通常半導(dǎo)體的溫度系數(shù)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)其輻射的中心波長將向長波方向漂移(紅移)而使熒光粉的發(fā)光效率下降。

　　目前白光LED運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)最多20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量均轉(zhuǎn)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使芯片溫度上升太多，對LED的光效、壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)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(jié)區(qū)，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會造成快速光衰并使壽命縮短。

　　5萬或10小時(shí)的長壽命判斷是在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期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設(shè)計(jì)不良的LED照明工程在運(yùn)轉(zhuǎn)3~4個(gè)月后急劇的光衰使設(shè)計(jì)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的巨大投資和過分的宣傳，至使這一領(lǐng)域的部分人員對白光LED寄以過高期望，急于將白光LED推向常規(guī)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(shù)年來全國完成的LED道路照明和LED光伏道路照明樣板工程不下數(shù)十處(作者考察過多條采用LED作光源的道路照明工程)已經(jīng)取得了足夠多的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)有待總結(jié)。本人認(rèn)為這一試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)暫時(shí)放緩，待條件成熟后再重新啟動。

　　目前我國和發(fā)達(dá)國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數(shù)用金屬鹵化物燈，前者光效為100~120lm/W，但顯色指數(shù)僅為20或更低，后者的光效80~100lm/W，顯色指數(shù)80左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類光源實(shí)際的系統(tǒng)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(guī)道路照明的總光利用率不超過76%，由此估計(jì)最終的光效約為60lm/W~70lm/W。此外由于燈具設(shè)計(jì)的不合理以及高壓鈉燈特殊的細(xì)長柱狀發(fā)光體而造成光分布不均勻，為使道路中線和二燈之間的暗區(qū)達(dá)到照明標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)不得不采用更大功率、更高光通量的光源以滿足暗區(qū)的照度要求，從而更造成了電能的浪費(fèi)。

　　基于上述情況LED道路照明設(shè)計(jì)者認(rèn)為利用LED的定向輻射性能進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)、可以大幅減少能量的浪費(fèi)，他們認(rèn)為白光LED比高壓鈉燈更節(jié)能。他們設(shè)計(jì)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)過仔細(xì)測試和認(rèn)證。其中一種照明設(shè)計(jì)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，然后整體安裝在常規(guī)路燈燈具中。這種設(shè)計(jì)是極不科學(xué)的，該方案選用的LED單只發(fā)光量不超過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(tǒng)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(shè)計(jì)4300lm的光將以120°的發(fā)射角射向下方?？梢韵胂筮@樣的設(shè)計(jì)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(shè)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(xù)積累將使芯片溫度過高，阻擋層壓降下降，所發(fā)藍(lán)光向長波方向漂移，這必然造成其光效的嚴(yán)重下降?？疾炝吮本┙紖^(qū)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(jù)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有任何照明效果。在江蘇、浙江、山東、廣東不乏此類工程樣板，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(yàn)必須在專家指導(dǎo)下、經(jīng)過嚴(yán)格認(rèn)證和設(shè)計(jì)后才能施行。

　　廣東某些專門從事LED道路照明工程的企業(yè)從中接取了教訓(xùn)，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(shè)計(jì)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題。

　　某跨國公司鑒于中國的白光LED很熱、專門為中國研發(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(shè)計(jì)為特定的凸透鏡結(jié)構(gòu)，據(jù)稱采用此種LED不需二次、三次光學(xué)設(shè)計(jì)就可得到均勻的道路照明，使用方便。該公司宣稱此種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(shè)計(jì)了用于道路照明的集成式白光LED，他們將多個(gè)藍(lán)光LED芯片組裝在同一基板上，用一只專門設(shè)計(jì)的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內(nèi)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(guī)球形光源相近，使用較為方便，但這種結(jié)構(gòu)LED的基板散熱問題仍然存在。
　　需要注意的是將多個(gè)LED集中在一起進(jìn)行道路照明設(shè)計(jì)時(shí)、除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述，目前LED的能耗中約80%以上轉(zhuǎn)化為熱量，而半導(dǎo)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(dǎo)走則必將引起嚴(yán)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(dāng)然更合理的光學(xué)設(shè)計(jì)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(biāo)方面，目前存在較大的意見分歧，其中一個(gè)重要原因是沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法，例如照明行業(yè)向來以穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的光通量輸出和光效作為其產(chǎn)品參數(shù)指標(biāo)，而LED業(yè)者則普遍以初始(冷態(tài))的最大光通和光效為標(biāo)準(zhǔn)，在顯色指數(shù)的測量方法和標(biāo)準(zhǔn)上亦存在不少差異，壽命標(biāo)準(zhǔn)和測量方法也是不同的，相關(guān)數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，評價(jià)也大相徑庭。

　　這一問題不僅我國，在國外也是同樣嚴(yán)重的，美國能源部早已發(fā)現(xiàn)，他們從2006年12月到2008年9月共進(jìn)行了7輪市場產(chǎn)品調(diào)查，僅在2008年就連續(xù)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(bào)告”CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation Reporting)，他們公布的數(shù)據(jù)和結(jié)論是負(fù)面的，在所檢測的24類產(chǎn)品中只有二類(下射筒燈)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品說明書吻合，除少數(shù)LED光效達(dá)62lm/W外，平均只有32lm/W，低的不足10lm/W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到能源之星的標(biāo)準(zhǔn)。對于宣傳上的混亂和數(shù)據(jù)的夸大作了十分嚴(yán)厲而否定的結(jié)論，其中包括光效、色溫、顏色質(zhì)量、光分布以及照明系統(tǒng)的功率因數(shù)。特別是光效，他們發(fā)現(xiàn)宣傳上往往夸大2~3倍以上，而一般用戶對此并不了解。美國能源部的一個(gè)結(jié)論是必須建立統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范產(chǎn)品質(zhì)量和指標(biāo)，在我國上述問題更為突出而重要。

　?、?結(jié)論
　　LED是一種優(yōu)良的有前途的光源，其特定的發(fā)光機(jī)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、無誤的光信號，用于指示、顯示時(shí)具有無與論比的優(yōu)越性，所以在顯示領(lǐng)域其應(yīng)用已極為廣泛，無所不在。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(yùn)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)。開發(fā)白光LED的重要目的之一是用于替代常規(guī)電光源如白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度放電燈等，然而看來其發(fā)展不如預(yù)期神速。目前市場上的白光LED的實(shí)際光效約為40lm/W，最高不超過50lm/W，對用于功能照明，這些參數(shù)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(tǒng)的開發(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(dǎo)體類的發(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(yīng)用中已顯示出了無比的優(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(yīng)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、也沒有條件和中大功率常規(guī)照明光源爭奪道路照明市場。

　　與室內(nèi)照明不同，開闊空間的道路照明四周沒有反光物體存在，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(shè)計(jì)難度也大，并且效果難以理想。近數(shù)年來LED在道路照明方面已取得大量經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，加以目前白光LED的光效不高、壽命不長，本人認(rèn)為用LED作道路照明試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)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(tǒng)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(fù)旦大學(xué)合作，對此進(jìn)行了十分有益的研究[5]，他們的結(jié)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。