LED照亮低成本照明的前景

如今，基于LED技术的聚光灯可以实现前所未有的亮度，从而提供能效更高、成本更低的照明方式。为突显其紧迫性，国际能源署表示，照明用电已占全球发电量的19%左右，目前三分之二的灯具采用的是1970年以前开发的浪费能源的旧技术。

为此，美国国会禁止销售100W白炽灯泡的立法今年已经开始生效，有关其他较低功率的白炽灯泡的销售禁令将接踵而至。此外，许多欧洲和亚洲国家或地区也已经制定了同样的计划。尽管存在一些推迟某些这类立法的压力，但是多家LED照明团体和厂商都指出，不管美国国会发生什么情况，他们都打算遵守该法律。

Marvell公司绿色技术产品部门副总裁Kishore Manghnani指出，传统节能灯曾给消费者留下了非常不好的印象，他们不喜欢奇怪的螺旋状外形，滞后的预热时间，质量轻或它偶尔发出的嗡嗡声。为防止以后的替代产品或绿色照明产品也出现同样的问题， LED照明制造商必须向公众证明这些产品不仅物美价廉，而且更具有令人意想不到的新特性。在此，我们可参考一些推进公众参与LED照明改革可采取的举措。

现在的LED价格太高，无法马上产生显著的影响，但是LED正在各种户外和室内应用中取得更大的发展。随着更多的城市、州、政府和公司开始转而使用LED灯，以及消费者在室内照明和装饰照明中使用LED灯，这种现象越来越明显。

Transparency Market Research公司预计，全球LED市场预计将在2011年至2016年间以14.9%的复合年增长率(CAGR)增长，在2016年前达到182亿美元。该研究报告指出，住宅市场将占总照明市场40%的份额(最大的细分市场)。

市场研究公司Yole Développement所作的一份研究报告显示，如果考虑累积拥有成本，亮度为800流明且无维护成本的标准A19暖白光LED灯泡要比住宅应用中的其他光源要便宜得多。

center border=0>
图1：住宅应用中使用的800流明的标准A19暖白光LED灯泡的累积拥有成本可能大大低于白炽灯和微型荧光灯(特别是在考虑使用寿命时)。比较时未包含维护成本。(Yole Développement公司提供)。

专注于更好的生产和封装

据SEMI和Yole Développement的承包商Paula Doe表示，目前LED灯的价格约为40美元，这个价格仍然太高，无法与白炽灯和微型荧光灯相竞争。这使得LED厂商将重点从提升能效等级(正在接近实际限制)转到提高生产效率上，以获得更好的大众市场渗透率。这些厂商还致力于通过改进封装来尽可能地实现更高的效率。她指出，如果价格降到10美元左右，LED的长使用寿命和低能耗将使其成为消费者的一个极具吸引力的选择。

也就是说，LED灯泡价格正以每年20%左右的速度下降，大多数专家认为高亮度LED将维持这一趋势。这个趋势的推动力来自从50mm直径的蓝宝石晶圆向300mm硅晶圆(用来制造批量硅IC)这一更大晶圆尺寸发展。

LED的生产工艺(金属有机化学气相沉积/MOCVD)与硅IC的生产工艺截然不同。这种工艺可以通过LED基板表面的化学反应产生复合半导体薄膜，这种薄膜通常用在LED中。在有氧气的情况下，这种化学反应会在温度800°F以上，压力高达100kPa左右时发生。

当然，降低成本的一种方法是进一步实现生产工艺的自动化。不过，尝试实现自动化的LED厂商必须面临这样一个事实：几乎没有针对LED生产设备的载体和设备接口的相关标准。这样就很难实现任何一种材料加工的自动化，因为每个工厂都有可能使用略有不同的硬件来加工晶圆。

为克服这些难题，业界成立了SEMI北美HB LED标准委员会，该组织致力于为广泛使用的LED生产设备制定外形尺寸标准。观察家表示，这将促使业界更多地使用自动晶圆加工、自动化手套箱、工艺区间自动化和标准机械接口(SMIF)。由于LED晶圆没有用于IC的300mm晶圆尺寸大，因此并不需要同样庞大的材料加工设备。

LED专家和顾问已经证实，相当于60W白炽灯亮度的商用LED灯泡的每千流明成本约为50美元，比一两年前有显著的下降。他们设计了图2，该图显示几年内每千流明成本将降至2至3美元的范围，截至2020年将降到1美元。这种成本的降低很可能归因于经济的封装、不断提升的光学技术、更好的散热/机械器件、电子驱动元件和自动化程度更高的组装工艺(图2)。

LED被归类为固态照明，这意味着它们所使用的是半导体技术。LED灯需要LED驱动芯片来为LED提供稳定的电源供应，改善效率和调节性能。LED驱动器在帮助制造商开发产品性能方面发挥了重要作用，这将加速LED照明的大规模普及。

使用正确的LED驱动器，可使这类照明系统符合现有的设施和装置。LED灯可与多种类型的调光器兼容，并且提供的调光性能不逊于白炽灯。除可靠和高效的特点之外，这种驱动器还可以将各种功能封装到一块芯片上，实现高度集成，这样就可以大幅降低制造LED所需的器件数量，使得价格降低，从而推动LED的广泛应用。并且所需的电路板尺寸很小，可适用于灯泡内狭小的空间。

欧司朗光电半导体公司(OSRAM Opto Semiconductors)最近发布了用于照明应用的3×3mm2 Olson Square LED。这款LED将LED芯片装在一个反射性封装中，通过将来自LED芯片侧面和背面的光重新定向至前面，从而提高了系统效率(图3)。系统内部(比如从扩散器)反射回LED的光可以这种方式循环利用。

图3：欧司朗公司的3×3mm2 Olson Square LED灯将LED芯片装在一个反射性封装中，提高了系统效率。这款LED可将来自LED芯片侧面和背面的光重新定向至前面。

该器件提供不同的型号和色温，可使用不同的电流供电。其热阻为3.8至4.0K/W，适用于户外、办公室和改装照明应用。例如，在色温300K时，它可以在120°的宽视角下提供暖白光和高色彩稳定性以及80的显色指数(CRI)。 [!--empirenews.page--]

目前，中国北京市的街灯项目正在使用Olson Square LED。具体地讲，该项目使用了HBTechnology Cast Group开发的灯具，这些灯具整合了OSRAM的1W Olson LED。北京方面希望这些替代250W和400W钠灯的120W和180W LED灯能够节省50%的能耗。Olson LED 80°的光束角、3×3mm2的尺寸和显色性简化了它们在目前的灯具系统中的安装。

事实上，中国是在其“十城万盏”计划中带头使用LED照明应用的一个国家。中国还在街道、隧道、地铁和轻轨设施和公园中率先使用高能效的固态照明灯。该计划由中国科技部提供资金。

消费者的便利性

去年九月在美国马萨诸塞州波士顿举行的LED设计研讨会(Designing with LEDs Workshop)上，专家小组强调了开发不仅智能化，而且简单易用，价格便宜的可直接上市的LED的重要性。

“消费类市场实际上就在于理性和方便，”Lighting Science Group(LSG)公司工程副总裁Eric Holland表示，“当我们谈到普通消费者以及要采取哪些措施来促进LED的普及时，首要的是，它必须像更换灯泡一样简单，并且需要提供消费者无需更换开关的备选方案。”

LSG公司向家得宝家居(Home Depot)连锁店供应相当于40W白炽灯亮度的LED，该LED是EcoSmart照明产品系列的一部分，价格为9.97美元。截至今年夏季，LSG公司有望以不到15美元的价格推出相当于60W白炽灯亮度的LED产品，其效率与飞利浦获得L Prize大奖的LED灯的效率相同。

去年，L Prize大奖(正式说法为美国能源部(DoE)的千万美元“点亮明天照明大奖”)被授予北美飞利浦照明公司(Philips Lighting)。飞利浦公司由于满足美国能源部的一系列要求而获得此奖：输出至少900流明(相当于60W白炽灯的亮度)、功耗在10W以下(远低于白炽灯)、使用寿命为25,000小时(约为白炽灯使用寿命的25倍)。

飞利浦照明公司率先呼吁扩大LED灯的使用规模，这个倡议已经在全球获得了共鸣。飞利浦公司认为，LED灯的发展已经到了一个转折点，经过这个转折点后，它现在可以用在几乎所有应用的普通高质量照明产品中。

在去年在南非德班举行的联合国气候变化会议上，飞利浦公司提倡全球转换到使用LED照明产品。飞利浦照明公司能源和气候变化高级总监Harry Verhaar要求全球的政府和公司迅速转换到使用高能效的LED照明产品。

“LED照明产品可以大幅节省能耗和维护成本，同时可以增强人们在街道和公共区域、建筑内和家里的安全感、保障和舒适度，”Verhaar表示。他在此次大会的全球气候峰会上作出了此番评论，这场峰会是一场集中了来自公共部门和私营部门众多代表的高端活动。

新兴LED灯

消费者等待的是LED灯的价格降到个位数。比如，正规零售的相当于40W白炽灯亮度的LED灯的价格约为20美元，瓦数越高价格越高。不过仍然有一些应用，LED的优势能够抵消其昂贵价格这一不利因素。

LEDnovation公司发布了据称效率最高的相当于60W白炽灯亮度的全向A19 LED灯LEDH-A19-60-1-27D-IO (图4)。该产品是EnhanceLite全向灯系列产品中的第一款产品，它在2700K的色温下具有810流明的输出，可实现适用于台灯、壁灯、挂件、顶灯和其他灯具等应用的节能灯。

图4：相当于60W白炽灯亮度的全向A19 LED 灯LEDH-A19-60-1-27D-IO由LEDnovation公司开发，是EnhanceLite系列的首款产品。该产品在2700K色温下可提供810流明的输出。

科锐公司(Cree)推出了据称已针对高架户外电视屏幕优化的首款高亮度20°倾斜视角LED灯。Screen Master C45MT和C45 LED是该公司高亮度P2椭圆形LED系列中亮度最高的两款LED。前者可在20°视角下提供最亮的峰值强度，后者可在0°视角下提供最亮的峰值强度。

科锐公司的XLamp MT-G LED针对35W至50W卤素MR-16改装灯和其他强光灯、轨道灯、显示灯和筒灯应用进行了优化。这些多裸片LED的目标应用是高输出(3000K的暖白色温，在85°C ，1.1A条件下可提供560流明的光通量，在85°C，4A条件下可提供1525流明的光通量)、小尺寸(9×9mm2的封装尺寸)的照明应用。MT-G LED采用该公司的EasyWhite技术，可在小型高效率封装中提供一致的色彩，在85°C下进行包装和测试认证则可简化照明设计计算。

去年秋天，科锐公司发布了带设计和评估服务的TEMPO(热、电气、机械、光度、光学)工具，该工具可以加快LED产品开发过程(图5)。TEMPO工具的新增功能包括新的热仿真和高级光度测试。

图5：为了加快LED的产品开发，科锐公司的TEMPO工具为LED设计人员提供了设计和评估服务。最新增加的功能包括新的热仿真和高级光度测试。

位于台湾的晶元光电公司(Epistar Lab)发布了据称光效最高(216lm/W)的暖白光高压LED芯片组。该公司可在5mA的工作电流、87的CRI和2700K的色彩校正温度下实现这一光效。

LSG公司的低成本“World Bulb”也不甘示弱，据该公司称，该产品的总拥有成本比微型荧光灯(CFL)低35%。相当于60W白炽灯亮度的全向A19灯已在今年的国际消费电子展(CES)上被选为2012年国际最佳创新设计和工程奖得主。

独特的LED照明应用

LED的户外应用并不难推进，因为它们已经广泛地用于停车场、街道、大桥、隧道、体育场馆、通道、建筑立面和其他公共设施中。此外，它们还涉足室内办公室、餐厅、商场和交通站点等其他领域。

飞利浦公司以更大的规模为瑞士苏黎世市中心的Hardbrücke桥提供了大量LED灯(图6)。据报道，这座全长2.3公里的大桥是瑞士最大的LED安装工程，桥下使用1750个LEDline2灯点亮，这些灯一年的使用时间为1654小时，需耗费25kW的功率，即每年耗电41,000度。

图6：LED灯点亮了瑞士苏黎世的Hardbrücke桥。这座全长2.3公里的大桥的桥底采用1750个飞利浦LEDline2灯点亮。[!--empirenews.page--]

去年，美国路易斯安那州新奥尔良的梅赛德斯-奔驰超级圆顶体育馆的官员开启了用顶尖Martin Professional LED灯光秀点亮这座路易斯安那州的地标的先河(图7)。总体上，此次展示使用了大约288个Martin Professional Exterior 410灯具。

center border=0>
图7：使用LED灯的顶尖Martin Professional灯光秀点亮了美国路易斯安那州新奥尔良的梅赛德斯-奔驰超级圆顶体育馆。约有288个Martin Professional Exterior 410灯具在整个体育馆的所有96个套在建筑外部的凹形铝板上营造出五彩斑澜的光影效果。

这些LED灯在整个体育馆的所有96个套在建筑外部的凹形铝板上营造出五彩斑澜的光影效果。这些微型高亮度灯具使用预混色LED和RGBW混色功能，作为Exterior 400系列户外LED染色灯的一部分，其功能还包括色彩校准功能，可实现更均匀的色彩投影。

由于LED具有多色能力，因此LED可以产生一些有趣的照明环境。比如，位于德国的弗劳恩霍夫工业工程研究所的研究人员与灯具厂商LeiDs GmbH联手研制出可以在头顶呈现蓝天白云的天花板贴面板。

每50×50cm2的天花板贴面板包含288个装在板上的RGB和白光LED。白色扩散膜附着在LED下面30cm处，可确保每一个LED都不作为一个独立的点光源。此项目的主要着眼点在于模仿阴天的自然照明环境。