LED照明第二幕（一）刷新基本構造，突破發光效率、成本和亮度壁壘

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-06-30

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LED照明在技術層面上也拉開了第二幕。這是因為有多項基本構成已完全不同，而非傳統技術改良版的技術在強勢崛起。這些革新性技術將開拓白熾燈泡和熒光燈以外的新照明用途。

以往的白色LED大多基于日亞化學工業1996年推出的技術。基本是結合使用在藍寶石基板上生成GaN晶體制作的藍色LED與黃色發光熒光材料YAG*來形成白光。

*YAG＝釔（Y）鋁（Al）石榴石（Garnet）。這里是指在由Y3Al5O12構成的石榴石構造材料中添加鈰離子（Ce3＋）的材料。日亞化學工業在LED熒光材料中采用了YAG與鎵（Ga）釓（Gd）石榴石（GGG）的化合物。

這種技術無疑是在與其他白色發光LED技術的競爭中脫穎而出的一項優秀技術。但由于技術成熟度高，性能進一步提高的余地較小。

日亞化學工業在2010年初試制成功以20mA的電流實現了249lm/W高發光效率LED時就表示“技術已經接近極限”，宣布追求發光效率的研究和學術發表將會告一段落。

另一方面，隨著LED在照明市場上的作用越來越大，對性能的要求也呈現高度化和多樣化，具體表現為（1）進一步提高發光效率；（2）大幅削減制造成本；（3）實現高亮度；（4）顯色指數的提高及LED特有的眩光降低等需求。而以往的白色LED技術已經無法充分滿足這些需求，ROSH認證，車間照明，因而出現市場增長停滯態勢（圖1）。

圖1：鎖定目標打破壁壘的行動加速

打破LED照明市場增長停滯局面的4個技術方向。發光效率、價格、亮度和顯色指數等一般呈此消彼長的關系，很難同時提高（a）。今后LED的發展趨勢將是，根據要求大幅改變技術，從而至少大幅提高其中一方面的性能。

竭盡努力確保性能

此前，LED筒燈，具備高發光效率和大光通量的LED照明產品為設法滿足（1）～（4）的需求，把精力集中在了為數不多的技術選項中。例如，發光效率接近200lm/W的直管型LED燈通過為各芯片加載小電流使之以低亮度發光，從而實現高效率，同時通過大量排列這種芯片來確保燈具整體所需光通量（圖2）。

圖2：效率的提高與亮度的提高此消彼長

LED燈的電流密度與發光效率的選擇示例。以幾mA/mm2的超低電流密度驅動發光效率近200lm/W的直管型LED燈， LED置換工程，通過大量排列LED芯片確保光通量。大光通量cob也基本采取相同的戰略。

采用這種設計的原因之一是，LED芯片的發光特性存在“光效下降（Droop）現象”。電流密度越小發光效率越高，電流密度增大，發光效率則會不斷降低。也可以說，裝修照明，發光效率與亮度是彼此矛盾的關系。

當然了，無論怎么削減電流密度，也無法超越LED芯片本來的發光效率極限。因此，LED燈具廠商紛紛設法獲得發光效率盡量高的LED芯片。他們采取的辦法不僅僅是與技術實力高的LED芯片廠商簽訂合作協議。

因為即使是同一家廠商以相同的條件制造的LED芯片，發光效率也有高有低，家用照明，性能并不穩定。為了從這些性能高低不均的產品中，LED燈管，得到發光效率比標準品高的芯片，車間照明，LED燈具廠商展開了競爭。例如，愛麗思歐雅瑪“選擇的是上等品，戶外照明，用金槍魚來比喻的話相當于肉質鮮美的‘腹部’部分”（愛麗思歐雅瑪執行董事、LED事業本部本部長石田敬）。不過，如果只使用高性能的芯片，則無法確保市場要求的數量。因此，該公司根據性能與數量來全盤考慮產品性能參數。

眩光和顯色指數低也是課題

以往的高效率直管型LED燈為各芯片加載小電流還有其他原因。即如果為芯片加載大電流，各芯片的亮度會變得非常高，裝修照明，眩光比較嚴重。會導致亮度不均，車間照明，LED筒燈，燈具十分晃眼。這樣就無法取代以面狀均勻發光的熒光燈。另外，現有白色LED還存在一個課題，照明產品，即如果優先確保發光效率，顯色指數會降低。

旨在取代汞燈等大光通量燈具的COB（Chip On Board）也與直管型LED燈一樣，采取大量排列LED芯片，以較低的電流密度驅動的戰略。這是為了兼顧大光通量和高發光效率，照明資質，并抑制眩光。不過，排列大量芯片的話，COB的面積必然會增大。這樣就難以用于汽車前燈和房間的吊燈等想在有限的面積內確保大光通量（即高亮度），而且想實現高發光效率的用途。

根據需要的性能選擇技術

上面介紹的這些方法很難滿足想在燈泡和熒光燈以外的用途廣泛使用LED的市場要求。因此，LED照明的用途開拓一直未取得進展。在這種情況下，通過引進基本構造不同于以往白色LED的技術，照明方案，來解決上述課題的行動日益加速（圖1）。上述（1）～（4）的需求可根據需要確保的性能來采取完全不同的技術。

關于（1）發光效率，美國科銳公司等的研發品實現了303lm/W、量產品實現了208lm/W的高數值（圖3）。該公司的LED是在碳化硅（SiC）基板上生長GaN晶體制造的。最初的構造就不同于日亞化學工業的白色LED技術。

圖3：在電流密度上沒有差別

（a）為科銳公司的研究開發和量產化成果。（b）為科銳與日亞化學工業的開發品的電流密度和發光效率的關系。（b）的電流密度值全部是《日經電子》推測的。

這種差別在量產階段體現得比研究開發階段更明顯。以電流密度來比較科銳和日亞化學工業的LED發光效率，除了303lm/W產品以外，日亞化學工業的優勢更明顯（圖3（b））。但科銳投放量產品的時間比日亞化學工業等其他競爭公司早1～2年。