LED半導(dǎo)體節(jié)能照明的機(jī)遇
1、全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國(guó)表現(xiàn)得尤為突出,節(jié)能和環(huán)保是中國(guó)實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的問(wèn)題。作為能源消耗大戶(hù)的照明領(lǐng)域,必須尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保的綠色光源。
LED節(jié)能照明產(chǎn)品
2、半導(dǎo)體LED是當(dāng)今世界上最有可能替代傳統(tǒng)光源的新一代光源。
其具有如下優(yōu)點(diǎn):
?、俑咝У秃?,節(jié)能環(huán)保;
?、诘蛪候?qū)動(dòng),響應(yīng)速度快?安全性高;
?、酃腆w化封裝,耐振動(dòng),體積小,便于裝配組合;
?、芸梢?jiàn)光區(qū)內(nèi)顏色全系列化,色溫、色純、顯色性、光指向性良好,便于照明應(yīng)用組合;
⑤直流驅(qū)動(dòng),無(wú)頻閃,用于照明有利于保護(hù)人眼視力;
⑥使用壽命長(zhǎng)。
3、現(xiàn)階段LED的發(fā)光效率偏低和光通量成本偏高是制約其大規(guī)模進(jìn)入照明領(lǐng)域的兩大瓶頸。LED的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在信號(hào)指示、智能顯示、汽車(chē)燈具、景觀照明和特殊照明領(lǐng)域等。但是,化合物半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的即將突破,使今天成為大力發(fā)展半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。2003年我國(guó)人均GDP首次突破1000美元大關(guān),經(jīng)濟(jì)實(shí)力得到了進(jìn)一步的增強(qiáng),市場(chǎng)上已經(jīng)初步具備了
接受較高光通量成本(初始成本)光源的能力。在未來(lái)的10~20年內(nèi),用半導(dǎo)體LED作為光源的固態(tài)照明燈,將逐漸取代傳統(tǒng)的照明燈。
4、各國(guó)政府予以高度重視,相繼推出半導(dǎo)體照明計(jì)劃,已形成世界性的半導(dǎo)體照明技術(shù)合圍突破的態(tài)勢(shì)。
?、倜绹?guó):“下一代照明計(jì)劃”?時(shí)間是2000~2010年?投資5億美元。美國(guó)半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖如表1所示;
?、谌毡荆?ldquo;21世紀(jì)的照明計(jì)劃”,將耗費(fèi)60億日元推行半導(dǎo)體照明?目標(biāo)是在2006年用白光LED替代50%的傳統(tǒng)照明;
?、蹥W盟:“彩虹計(jì)劃”?已在2000年7月啟動(dòng)?通過(guò)歐共體的資助?推廣應(yīng)用白光LED照明;
?、苤袊?guó):2003年6月17日,由科技部牽頭成立了跨部門(mén)、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組”。從協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小
組成立之日到2005年年底之前,將是半導(dǎo)體照明工程項(xiàng)目的緊急啟動(dòng)期。從2006年的“十一五”開(kāi)始,國(guó)家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個(gè)重大項(xiàng)目進(jìn)行推動(dòng);
5、我國(guó)的半導(dǎo)體LED產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已相對(duì)完善,具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。同時(shí),我國(guó)又是照明燈具產(chǎn)業(yè)的大國(guó),只要政府和業(yè)界協(xié)調(diào)整合好,發(fā)展半導(dǎo)體LED照明產(chǎn)業(yè)是大有可為的;
LED的發(fā)展歷程
LED技術(shù)突破的歷程
?。?)1962年,GE、Monsanto、IBM的聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出發(fā)紅光的磷砷化鎵(GaAsP)半導(dǎo)體化合物,從此可見(jiàn)光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程;
?。?)1965年,全球第一款商用化發(fā)光二極管誕生,它是用鍺材料制成的可發(fā)出紅外光的LED,當(dāng)時(shí)的單價(jià)約為45美元。其后不久,Monsanto和惠普公司推出了用GaAsP材料制作的商用化紅色LED。這種LED的效率大約為0.1lm/W,比一般的60~100W白熾燈的(15lm/W)要低上100多倍;
?。?)1968年,LED的研發(fā)取得了突破性進(jìn)展,利用氮摻雜工藝使GaAsP器件的效率達(dá)到了1lm/W,并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃色光;
?。?)1971年,業(yè)界又推出了具有相同效率的GaP綠色芯片LED;
?。?)到20世紀(jì)70年代,由于LED器件在家庭與辦公設(shè)備中的大量應(yīng)用,LED的價(jià)格直線下跌。事實(shí)上,LED在那個(gè)時(shí)代主打的是數(shù)字與文字顯示技術(shù)領(lǐng)域;
(6)20世紀(jì)80年代早期的重大技術(shù)突破是開(kāi)發(fā)出了AlGaAsLED,它能以10lm/W的發(fā)光效率發(fā)出紅光。這一技術(shù)進(jìn)步使LED能夠應(yīng)用于室外信息發(fā)布以及汽車(chē)高位剎車(chē)燈(CHMSL)設(shè)備;
(7)1990年,業(yè)界又開(kāi)發(fā)出了能夠提供相當(dāng)于最好的紅色器件性能的AlInGaP技術(shù),這比當(dāng)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)的GaAsP器件性能要高出10倍;
?。?)今天,效率最高的LED是用透明襯底AlInGaP材料做的。在1991~2001年期間,材料技術(shù)、芯片尺寸和外形方面的進(jìn)一步發(fā)展使商用化LED的光通量提高了將近30倍;
(9)1994年,日本科學(xué)家中村修二在GaN基片上研制出了第一只藍(lán)色光二極管,由此引發(fā)了對(duì)GaN基LED研究和開(kāi)發(fā)的熱潮;
?。?0)20世紀(jì)90年代后期,研制出通過(guò)藍(lán)光激發(fā)YAG熒光粉產(chǎn)生白光的LED,但色澤不均勻,使用壽命短,價(jià)格高。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,白光LED的發(fā)展相當(dāng)迅速,其發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到30lm/W,實(shí)驗(yàn)室研究成果可以達(dá)到60lm/W,大大超過(guò)白熾燈,并向熒光燈逼近;
LED封裝形式的發(fā)展歷程
LED應(yīng)用的發(fā)展歷程
從其應(yīng)用發(fā)展來(lái)看,LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程依次可分為以下幾個(gè)階段:
①指示應(yīng)用階段;
?、谛盘?hào)、顯示應(yīng)用階段;
?、壅彰鲬?yīng)用階段。
LED在節(jié)能照明領(lǐng)域的應(yīng)用
LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用
(1)信號(hào)指示:所有電子設(shè)備的功能指示、交通信號(hào)燈等(如圖3所示);
(2)顯示應(yīng)用:指示牌、廣告牌、大屏幕顯示等(如圖4所示);
?。?)照明應(yīng)用;
①手電筒、頭燈、礦燈、潛水燈等;
?、谄?chē)用燈:高位剎車(chē)燈、剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車(chē)燈、側(cè)燈、霧燈、車(chē)內(nèi)照明燈、前燈等(如表2所示);
?、厶厥庹彰鳎?span id="rmtn5cs" class='hrefStyle'>太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能航標(biāo)燈、小夜燈、臺(tái)燈、射燈、室內(nèi)裝飾燈、洗墻燈、櫥窗燈、畫(huà)燈、景觀燈、護(hù)攔燈、地埋燈、地磚燈、水底燈等(如圖5、圖6所示);
④背光照明:普通電子設(shè)備功能顯示背光源、筆記本電腦背光源、大尺寸LCD顯示器背光源等;
?、萃队肮庠矗和队皟x用RGB光源;
?、奁胀ㄕ彰?。
LED在照明應(yīng)用中應(yīng)注意的問(wèn)題
3.2.1正確選用合適的LED
?。?)LED性能與可靠性的考慮;
?。?)實(shí)際使用環(huán)境與條件的考慮;
(3)成本的考慮。
3.2.2尊重LED的特點(diǎn),合理地使用LED
(1)LED額定工作條件的考慮;
?。?)LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和電源的選用;
?。?)LED散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與照明系統(tǒng)的熱量管理;
(4)照明系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計(jì);
?。?)照明系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì);
(6)LED的防靜電、抗輻射要求的考慮;
?。?)防止LED在實(shí)際應(yīng)用加工中的損傷;
?。?)LED的貯存和防護(hù)條件的考慮。
3.2.3與LED制造廠商保持良好的信息溝通和互動(dòng)配合,共同找出LED在照明領(lǐng)域的最佳應(yīng)用解決方案
?。?)應(yīng)用端盡可能地將設(shè)計(jì)要求與期望詳細(xì)地向制造廠商描述,以便LED制造廠商提供專(zhuān)業(yè)的意見(jiàn),正確地選用合適的LED;
(2)應(yīng)用端及時(shí)地將LED在使用過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題反饋給制造廠商,以便制造廠商進(jìn)一步改善LED的性能與品質(zhì),提出更好的解決方案;
?。?)LED制造廠商應(yīng)主動(dòng)配合用戶(hù)的要求,提出最佳應(yīng)用解決方案。同時(shí)用心指導(dǎo)用戶(hù)合理地使用LED,提高LED的應(yīng)用可靠性,使LED的性能得到最大限度的發(fā)揮。
節(jié)能照明的挑戰(zhàn)與展望
LED半導(dǎo)體照明面臨的挑戰(zhàn)
4.1.1、LED光源
(1)更高的發(fā)光效率——真正體現(xiàn)LED節(jié)能的優(yōu)點(diǎn);30lm/W——60lm/W——100lm/W——200lm/W
(2)更大的輸入功率——適應(yīng)普通照明的要求;1W——3W——5W——8W——10W
?。?)更低的熱阻——降低LED本身的發(fā)熱量;20℃/W——15℃/W——10℃/W——<5℃/W
?。?)更高的溫度承受能力——抵抗高溫對(duì)LED性能的影響;
?。?)更高的單燈光通量——更快進(jìn)入實(shí)際照明應(yīng)用;30lm——150lm——200lm——1000lm——1500lm
?。?)更高的顯色指數(shù)——接近傳統(tǒng)光源的顯色性:75——>80——95
?。?)更長(zhǎng)的壽命——真正體現(xiàn)LED的優(yōu)點(diǎn):5KHrs——20KHrs——50KHrs——100KHrs
?。?)更理想的光學(xué)結(jié)構(gòu)——配合照明應(yīng)用的光學(xué)設(shè)計(jì);
(9)更低的售價(jià)——LED要真正大規(guī)模進(jìn)入普通照明領(lǐng)域,售價(jià)必須降低80%以上。
4.1.2、照明應(yīng)用
(1)更合理的電源、驅(qū)動(dòng)和控制電路設(shè)計(jì)——保證LED的應(yīng)用可靠性,有利于LED優(yōu)點(diǎn)的體現(xiàn);
(2)更高的電源與驅(qū)動(dòng)電路效率——真正配合LED節(jié)能的優(yōu)點(diǎn);
?。?)更理想的二次光學(xué)設(shè)計(jì)——針對(duì)LED的出光特點(diǎn),更好地提高LED的應(yīng)用光效;
?。?)更好的照明系統(tǒng)散熱設(shè)計(jì)和熱量管理——減低LED由于過(guò)熱而造成的失效;
?。?)更高的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)——保證LED的長(zhǎng)壽命特點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)。
4.2、半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖展望
美國(guó):2002年20lm/W,2007年75lm/W,2012年150lm/W。預(yù)計(jì)到2025年,固態(tài)照明光源的使
用將使照明用電減少一半。從2000~2020年,累計(jì)的功效和節(jié)約潛力就可以達(dá)到減少2.58億噸炭污染物的排出;少建133座新的電站(每座1000MW);累計(jì)節(jié)約財(cái)政開(kāi)支1150億美元;形成一個(gè)新的每年產(chǎn)值超過(guò)500億美元的光源產(chǎn)業(yè),還會(huì)帶來(lái)高質(zhì)量的更多的工作機(jī)會(huì)。
內(nèi)容來(lái)自百科網(wǎng)