１、ＬＥＤ半導(dǎo)體照明的機(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)展的中國表現(xiàn)得尤為突出，節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展所急需解決的問題。作為能源消耗大戶的照明領(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。
（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：
①高效低耗，節(jié)能環(huán)保；
②低壓驅(qū)動，響應(yīng)速度快安全性高；
③固體化封裝，耐振動，體積小，便于裝配組合；
④可見光區(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，無頻閃，用于照明有利于保護(hù)人眼視力；
⑥使用壽命長。
（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。目前ＬＥＤ的應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在信號指示、智能顯示、汽車燈具、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)的最佳時機(jī)。２００３年我國人均ＧＤＰ首次突破１０００美元大關(guān)，經(jīng)濟(jì)實力得到了進(jìn)一步的增強，市場上已經(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）各國政府予以高度重視，相繼推出半導(dǎo)體照明計劃，已形成世界性的半導(dǎo)體照明技術(shù)合圍突破的態(tài)勢。
①美國：“下一代照明計劃”時間是２０００～２０１０年投資５億美元。美國半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖如表１所示；
②日本：“２１世紀(jì)的照明計劃”，將耗費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；
③歐盟：“彩虹計劃”已在２０００年７月啟動通過歐共體的資助推廣應(yīng)用白光ＬＥＤ照明；
④中國：２００３年６月１７日，由科技部牽頭成立了跨部門、跨地區(qū)、跨行業(yè)的“國家半導(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)體照明工程項目的緊急啟動期。從２００６年的“十一五”開始，國家將把半導(dǎo)體照明工程作為一個重大項目進(jìn)行推動；
（５）我國的半導(dǎo)體ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)鏈經(jīng)過多年的發(fā)展已相對完善，具備了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。同時，我國又是照明燈具產(chǎn)業(yè)的大國，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；
２ ＬＥＤ的發(fā)展歷程（如圖１所示）
２．１ ＬＥＤ技術(shù)突破的歷程
（１）１９６２年，ＧＥ、Ｍｏｎｓａｎｔｏ、ＩＢＭ的聯(lián)合實驗室開發(fā)出發(fā)紅光的磷砷化鎵（ＧａＡｓＰ）半導(dǎo)體化合物，從此可見光發(fā)光二極管步入商業(yè)化發(fā)展進(jìn)程；
（２）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)時的單價約為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；
（３）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；
（４）１９７１年，業(yè)界又推出了具有相同效率的ＧａＰ綠色芯片ＬＥＤ；
（５）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的價格直線下跌。事實上，ＬＥＤ在那個時代主打的是數(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)突破是開發(fā)出了ＡｌＧａＡｓ ＬＥＤ，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)布以及汽車高位剎車燈（ＣＨＭＳＬ）設(shè)備；
（７）１９９０年，業(yè)界又開發(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)時標(biāo)準(zhǔn)的ＧａＡｓＰ器件性能要高出１０倍；
（８）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ＧａＮ基ＬＥＤ研究和開發(fā)的熱潮；
（１０）２０世紀(jì)９０年代后期，研制出通過藍(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，價格高。近年來隨著技術(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，實驗室研究成果可以達(dá)到６０ｌｍ／Ｗ，大大超過白熾燈，并向熒光燈逼近；
２．２ ＬＥＤ封裝形式的發(fā)展歷程（如圖２所示）
２．３ ＬＥＤ應(yīng)用的發(fā)展歷程
從其應(yīng)用發(fā)展來看，ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程依次可分為以下幾個階段：
①指示應(yīng)用階段；
②信號、顯示應(yīng)用階段；
③照明應(yīng)用階段。
３ ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用
（１）信號指示：所有電子設(shè)備的功能指示、交通信號燈等（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）；
（３）照明應(yīng)用；
①手電筒、頭燈、礦燈、潛水燈等；
②汽車用燈：高位剎車燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、側(cè)燈、霧燈、車內(nèi)照明燈、前燈等（如表２所示）；
③特殊照明：太陽能庭院燈、太陽能路燈、太陽能航標(biāo)燈、小夜燈、臺燈、射燈、室內(nèi)裝飾燈、洗墻燈、櫥窗燈、畫燈、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；
⑤投影光源：投影儀用ＲＧＢ光源；
⑥普通照明。
３．２ ＬＥＤ在照明應(yīng)用中應(yīng)注意的問題
3.2.1 正確選用合適的LED
（１）ＬＥＤ性能與可靠性的考慮；
（２）實際使用環(huán)境與條件的考慮；
（３）成本的考慮。
3.2.2 尊重LED的特點，合理地使用LED
（１）ＬＥＤ額定工作條件的考慮；
（２）ＬＥＤ驅(qū)動電路的設(shè)計和電源的選用；
（３）ＬＥＤ散熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與照明系統(tǒng)的熱量管理；
（４）照明系統(tǒng)的二次光學(xué)設(shè)計；
（５）照明系統(tǒng)的可靠性設(shè)計；
（６）ＬＥＤ的防靜電、抗輻射要求的考慮；
（７）防止ＬＥＤ在實際應(yīng)用加工中的損傷；
（８）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配合，共同找出LED在照明領(lǐng)域的最佳應(yīng)用解決方案
（１）應(yīng)用端盡可能地將設(shè)計要求與期望詳細(xì)地向制造廠商描述，以便ＬＥＤ制造廠商提供專業(yè)的意見，正確地選用合適的ＬＥＤ；
（２）應(yīng)用端及時地將ＬＥＤ在使用過程中發(fā)生的問題反饋給制造廠商，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；
（３）ＬＥＤ制造廠商應(yīng)主動配合用戶的要求，提出最佳應(yīng)用解決方案。同時用心指導(dǎo)用戶合理地使用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。
４、挑戰(zhàn)與展望
４．１ 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； 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
（３）更低的熱阻——降低ＬＥＤ本身的發(fā)熱量；２０℃／Ｗ——１５℃／Ｗ——１０℃／Ｗ——＜５℃／Ｗ
（４）更高的溫度承受能力——抵抗高溫對ＬＥＤ性能的影響；
（５）更高的單燈光通量——更快進(jìn)入實際照明應(yīng)用；３０ｌｍ——１５０ｌｍ——２００ｌｍ——１０００ｌｍ——１５００ｌｍ
（６）更高的顯色指數(shù)——接近傳統(tǒng)光源的顯色性：７５——＞８０——９５
（７）更長的壽命——真正體現(xiàn)ＬＥＤ的優(yōu)點：５ＫＨｒｓ——２０ＫＨｒｓ——５０ＫＨｒｓ——１００ＫＨｒｓ
（８）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；
（９）更低的售價——ＬＥＤ要真正大規(guī)模進(jìn)入普通照明領(lǐng)域，售價必須比目前降低８０％以上。
4.1.2、照明應(yīng)用
（１）更合理的電源、驅(qū)動和控制電路設(shè)計——保證ＬＥＤ的應(yīng)用可靠性，有利于ＬＥＤ優(yōu)點的體現(xiàn)；
（２）更高的電源與驅(qū)動電路效率——真正配合ＬＥＤ節(jié)能的優(yōu)點；
（３）更理想的二次光學(xué)設(shè)計——針對ＬＥＤ的出光特點，更好地提高ＬＥＤ的應(yīng)用光效；
（４）更好的照明系統(tǒng)散熱設(shè)計和熱量管理——減低ＬＥＤ由于過熱而造成的失效；
（５）更高的系統(tǒng)可靠性設(shè)計——保證ＬＥＤ的長壽命特點得以實現(xiàn)。
４.２、半導(dǎo)體照明發(fā)展藍(lán)圖展望
（１）美國：２００２年２０ｌｍ／Ｗ，２００７年７５ｌｍ／Ｗ，２０１２年１５０ｌｍ／Ｗ。預(yù)計到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）；累計節(jié)約財政開支１１５０億美元；形成一個新的每年產(chǎn)值超過５００億美元的光源產(chǎn)業(yè)，還會帶來高質(zhì)量的更多的工作機(jī)會；
（２）日本：已經(jīng)完成了“二十一世紀(jì)照明”發(fā)展計劃的第一期目標(biāo)，正在組織實施第二期計劃。計劃到２０１０年，ＬＥＤ的發(fā)光效率達(dá)到１２０ｌｍ／Ｗ；
（３）韓國：“固態(tài)照明計劃”經(jīng)政府審議批準(zhǔn)，２００４～２００８年國家投入１億美元，企業(yè)提供３０％的配套資金，近期開始實施，預(yù)計到２００８年達(dá)到８０ｌｍ／Ｗ；
（４）臺灣：推動“次世紀(jì)照明光源開發(fā)計劃”，投資約６～１０億新臺幣，２００５年目標(biāo)是４０ｌｍ／Ｗ的ＬＥＤ投入生產(chǎn)，而實驗室目標(biāo)為１００ｌｍ／Ｗ；
（５）中國：２００４年２０ｌｍ／Ｗ，２００５年３０ｌｍ／Ｗ，２００８年６０ｌｍ／Ｗ，２０１０年１００ｌｍ／Ｗ，２０２０年２００ｌｍ／Ｗ。
在中國，ＬＥＤ目前僅處于照明應(yīng)用的初級階段。要使ＬＥＤ真正進(jìn)入照明領(lǐng)域，ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)界和照明產(chǎn)業(yè)界要做的工作很多，要走的路還很長。面對挑戰(zhàn)，我們要對困難有清醒和足夠的認(rèn)識，同時也要堅信：只要我們不懈地努力，一定能在不遠(yuǎn)的將來，在中國實現(xiàn)人類歷史上又一偉大創(chuàng)舉——用半導(dǎo)體ＬＥＤ固態(tài)光源全面替代傳統(tǒng)照明光源。 |
