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照亮一切 LED掀开照明时代新篇章
照明系统设计新闻中心 来源：技术在线 发布时间：2011-08-23 11:43:00 LED照亮一切：即将实现史上最高的效率和最低价格 白色LED不久或将实现200lm/W这一史上最高的效率和价格低于荧光灯、接近白炽灯泡的最低价位。任何设备、任何地点都可利用LED照明的时代即将到来。 受2011年3月11日东日本地震和海啸的影响，日本的关东地区和东北地区出现了严重的电力不足。为代替停运的核电站发电，对新发电设备的需求日益高涨，同时，控制电力消费也成了紧迫课题。 其中，作为具有速效性的举措而备受关注的是照明的“LED化”。照明占日本整体用电量的约2成。LED化是指通过采用能源效率较高的LED照明降低这一用电比例。 LED化的活跃动向还表现在数字上。例如，GfK Marketing Services Japan发布的资料显示，2011年3月中旬以后，日本国内的LED灯泡销量迅速增加。2011年4月的第二周，LED灯泡在所有灯泡中所占的比例按数量计算为27.1％，按金额计算为67.0％，均创下了历史最高记录。尤其是在出现电力不足的关东甲信越地区，本周的销量比上年增加了182.1％，大幅高于全国平均增长的120.4％。 各企业也在积极导入LED照明。例如，Seven-Eleven Japan计划从2011年5月开始，陆续将该公司主要位于东京电力管辖范围内的约5000家便利店店铺的店内照明器具和店面招牌更换为LED。 “销量达到上年的3～4倍” 照明的LED化并不是从现在才开始的。导入LED照明的不仅有日本，世界各地都在行动。这是因为，LED照明器具配备的白色LED的寿命为4万多小时，约为荧光灯的4倍，更换频率较低，而且还具有耗电量只有荧光灯的10～40％等优点。 尤其是在日本，为了应对2010年4月实施的《修正节能法》，导入LED照明的企业不断增加。LED厂商的照明用途白色LED的供货量大幅增加，“2010年的供货量达到了上年的3～4倍”（西铁城电子）。 推动实现LED化的，是白色LED价格的降低。此前，白色LED的价格一直比白炽灯泡和荧光灯等已有光源要高。单位光通量的单价（亮度的单价）在只有路灯等部分照明使用白色LED的2005年为10日元/lm左右。这远远高于白炽灯泡的0.1～0.2日元/lm和荧光灯的0.3～0.6日元/lm的价位。不过，白色LED的亮度单价在以年均30％以上的速度下降，进入2011年后，业界平均降到了约0.7日元/lm。面向大客户的价格为0.4～0.5日元/lm，已经逼近荧光灯（图1）。
实现与白炽灯泡相当的单价 白色LED的单价今后一段时间内还会继续降低。很多LED厂商认为，LED的价格将以年均30％或更高的速度下降。如果一直保持这一速度，那么到2015年将低于0.2日元/lm，降到与白炽灯泡相同的水平注1）。 注1）即使白色LED和白炽灯泡的亮度单价相同，照明器具的部材成本也不尽相同。因为，若想利用交流电源驱动白色LED，需要AC-DC转换电路和散热部件等。目前，白色LED芯片占LED灯泡制造成本的约40％。 不过，提高白色LED的发光效率也需要数年的时间（图2）。目前的发光效率方面，照明用途高端品种的产品目录值为130～140lm/W，在实际使用条件下为110～120lm/W，安装到照明器具上的综合效率为100lm/W左右注2）。估计目录值达到200lm/W的白色LED将于2012～2013年面世。在实际使用条件下达到200lm/W的产品，“在未来5年内可能实现产品化”（某海外LED厂商）。 注2）发光效率因白色LED的点灯状况而异。目录值的发光效率一般是指，输入功率为1W的产品在以脉冲状流过350mA电流时的数值。发光部的温度（接合温度）基本为室温（25℃）。实际用于照明器具时，接合温度上升至85～100℃，发光效率也会较目录值下降10～15％。另外，照明器具整体还存在电源电路和光学部件的损失等。因此，综合效率会比白色LED的目录值降低20～30％。
白色LED的低价格化和高效率化趋势推动了不断高涨的LED需求。目前，拉动LED市场的是用于液晶电视的背照灯光源。虽然用于背照灯和用于照明的白色LED的形状及输入功率不同，但收纳在封装内的蓝色LED芯片的生产工艺大致相同。提高背照灯用白色LED生产效率的手段，基本可以直接用于照明领域。 这一趋势今后将持续2～3年，之后，用于照明器具的白色LED将取代背照灯光源推动市场增长，预计市场会继续进一步扩大（图3）。
利用传感器和IT技术实现智能照明 将配备白色LED的产品及相关服务作为一项业务经营的企业不断增加。新涉足企业涉及各行各业，包括建筑商、IT商社及企业、办公家具厂商等。这些企业通过将采用白色LED的照明产品与传感器和通信技术等联动，来实现点灯、灭灯以及调光控制等。 白色LED“能以毫秒和微秒进行控制。与IT技术的整合性较高”（LED照明推进协会）。另外，亮度随着输入电流而产生的变化也比较大。该特点通过与传感器联动和细微调光等发挥作用。 通过与IT技术联动，还可进一步实现照明的高功能化。通过LAN控制照明的举措在IT类企业和研究机构也开始盛行起来。利用IPv6网络向LED照明器具和光源白色LED分别分配IP地址、细微控制照明的研究开发也在不断推进。通过以低价格购买核心部件——白色LED，采用上述特点的系统降低了实用化的门槛。 另外，对于光源的消费者来说，可以更加便利地购买道采用面光源的薄型照明有机EL面板也是一个好消息。各公司纷纷计划2011年上市这种面板（表1）。预计2014年效率超过荧光灯、仅次于白色LED的有机EL照明可实现实用化，届时有机EL照明和白色LED可各显神通。 日亚计划2012年年产500亿个 对于白色LED用户而言，“玫瑰色”时代即将到来，但另一方面，LED厂商则处于一种微妙的立场。因为，这既是扩大业务的机会，同时也将使各厂商面临比以往更严峻的竞争。 各LED厂商已经纷纷开始采取对策增强产能。LED厂商的生存之争已然拉开帷幕。
不过，也有很多观点指出，LED厂商增强设备的速度过快。因为，从需求整体来看，LED厂商拥有的MOCVD装置数量，“即使是在目前也出现了剩余”（丰田合成）。“韩国三星LED当初新下单150台MOCVD装置，但最近半年来好像取消了很大一部分”（DisplaySearch），供给过剩风险已经成为现实。 同时提高性能 在可能会陷入过度竞争的情况下，LED厂商为了抓住市场扩大这一商机，将加快高效增加产量和改进业务体制的速度（图6）。
注3）在用于电池驱动产品的光源中，按需开发的白色LED更好用。例如，丰田合成与大型产品厂商共同研究，通过将正向电压降至3V以下等，已经在业务上取得成功。 扩大业务范围是指广泛涉足LED照明的供应链，以确保利益。发挥充分了解白色LED使用经验的LED厂商的优点，开发可直接安装在LED照明器具上使用的光源模块或者LED照明器具（图7）。
西铁城电子上市的模块特点是，不使用AC-DC转换电路，可直接利用交流电力点亮白色LED（图8）。对照明器具厂商而言，好处是可省去设计电源电路等。
LED照亮一切：实现200lmW以上的发光效率和高易用性 为实现200lm/W以上的发光效率，白色LED正不断进行改进。不过，白色LED所必需具备的特性已经不仅仅是发光效率了。在白色LED普及的过程中，温度稳定性及显色指数等能够拉开差异的因素越来越多。 发光效率正以年均15％的速度稳步提高，很快就会达到200lm/W……白色LED发光效率的提高会持续到何时，又会达到何种程度呢？ 实际上，研发水平上的发光效率已经几近极限（图1）。有观点认为，组合使用能够获得最高发光效率的蓝色LED和黄色荧光材料等的白色LED，其极限是260lm/W左右。而目前在研发水平上已经超过200lm/W，增长空间所剩无几。“毫无疑问，通过技术创新来提高效率的速度将越来越缓慢”（欧司朗日本）。很多相关人士认为，2020年之前，白色LED的发光效率将达到顶点。不过，数年后，白色LED产品的发光效率仍是证明LED厂商实力所不可或缺的指标。因为，现有产品的发光效率与极限值相比，还有近两倍的差距。
图1：即将达到极限
在这种情况下，LED厂商在开发可实现200lm/W以上发光效率的技术的同时，还将加速开发白色LED的其他特点。下面来看一下白色LED开发方面的最新动向。 内部量子效率等尚有提高的空间 关于提高发光效率，认为蓝色LED芯片和荧光材料尚有改进余地的LED厂商有很多（图2（a））。
图2：实现200lm/W以上发光效率的重点 今后，要想将发光效率提高到200lm/W以上，必须改善蓝色LED芯片内的内部量子效率和荧光材料的波长转换效率。（图（b）由本站根据飞利浦流明的资料制作） 输入到白色LED的电力转换为光后输出到外部的过程如下：①向蓝色LED芯片输入电力，发出蓝光；②通过荧光材料将部分蓝光的波长转换为长波长的可见光；③蓝光和进行过波长转换的光混合后成为白色光输出到封装外部。要想提高发光效率，就必须减少各个环节中的能量损失。 每个环节需要以下技术：①降低电阻损失、在发光层改善电子产生光子的内部量子效率、提高将光子输出到蓝色LED芯片外的光提取效率；②改善波长转换效率；③提高向封装外输出白光的光提取效率，等等。迄今为止各厂商已经提出多种改进措施，并取得了显著成果。 例如，电阻损失的指标——白色LED的正向电压较原来大幅降低。照明用途常用的1W产品，其正向电压以前接近4V，而现在已经降至2.9～3V左右（图3）。从蓝色光的能量（2.75eV）来看，以前输入功率的20～30％多会因电阻丧失，而现在只损失5％左右。光提取效率也大幅提高，其中最高的产品为70％左右，在研发水平达到了90％。
图3：正向电压基本在下限值 日亚化学工业面向照明用途供货的输入功率为1W的白色LED，其正向电压近年来大幅降低。2011年的新产品为3V，已经相当接近正向电压的下限值（2.75V）。下限值与正向电压的差会产生无助于发光的能量损失。 结晶品质和发光层构造存在改进余地 内部量子效率和波长转换效率将会如何改善呢？内部量子效率方面，需要改进发光层材料——GaN系半导体外延结晶的结晶品质和发光层构造；波长转换效率方面，需要改进荧光材料材料并开发新材料。这些举措均从白色LED面世时起就一直在进行。 除此之外，还具有将GaN系结晶的结晶面由目前的极性面变为非极性面，从而大幅提高内部量子效率的方法。该方法此前一直处于研发阶段，不过最近已开始向实用阶段迈进。例如，韩国首尔半导体（Seoul Semiconductor）计划2011年底开始样品供货，三菱化学计划最早在2012年实现实用化。首尔半导体表示，通过提高内部量子效率，有望将发光效率较现有产品提高40～70％。 LED照亮一切：掌握好与发光效率的平衡 掌握好与发光效率的平衡 除了提高发光效率外，LED厂商加速开发的项目大致还有五项。即：白色LED的“成本竞争力”、高温下性能不会降低的“温度稳定性”、可用于照明的高“显色指数”、白色LED产品间的色调“均匀性”、单位封装可输出的“光通量的大小”（图1）。所有这些项目与发光效率均属于此消彼长关系，要想与发光效率取得平衡，需要仔细处理。
在亮度单价比照明用途还要低20～30％、正进行激烈价格竞争的大尺寸液晶面板背照灯用途中，不同LED厂商间在芯片尺寸上已经出现明显差异（图3）。与韩国厂商的产品相比，日亚化学工业的芯片尺寸只有韩国厂商的1/3～1/2左右。芯片的小型化今后也许还会波及到竞争不断激化的照明用途。
如果缩小了芯片尺寸，为获得相同亮度就需要提高输入给蓝色LED芯片的电流密度。不过，此时存在电流密度越高，LED芯片的发光效率越低的“衰退（droop）现象”，因此能量损失会变大。要想缩小芯片尺寸，就需要设法减弱这种衰退现象。 减轻衰退现象不仅对想要降低制造成本的LED厂商有利，对于白色LED的用户也有好处。原因是，可在抑制能源效率降低的同时，削减部件成本。提高输入白色LED的电流可增加单位亮度，由此能减少产品配备的白色LED个数（图4）。 图4：提高在高电流密度下的特性
在照明用白色LED中，目前已经有产品采用了减轻衰退现象的技术。例如，德国欧司朗光电半导体（OSRAM Opto Semiconductors）的“UX：3”技术通过抑制衰退现象，将输入350mA电流时的光输出较原来提高了约10％。输入电流越大该差值越明显。 飞利浦流明在最新白色LED使用的蓝色LED芯片中，使输入1A电流时（芯片尺寸为1mm见方）的外部量子效率（内部量子效率和光提取效率的乘积）达到了59％，与峰值相比抑制了约8个百分点的降低。如果不抑制衰退现象，通常会降低20个百分点左右。 利用均匀流过的电流抑制衰退现象 使电流密度在蓝色LED芯片面内均匀流过、改进发光层使用的量子阱构造以及提高结晶品质等均为抑制衰退现象发挥了作用。 例如，欧司朗的UX：3技术将蓝色LED芯片表面设置的n型接触电极转移到芯片内部，使芯片面内的电流密度均匀化（图5）。电流密度局部较高的情况消失，由此减轻了电流密度越高表现越明显的“俄歇复合”现象。俄歇复合是指，不会产生发光现象的电子与空穴的复合。抑制该现象有助于提高内部量子效率。
还有观点指出，今后要想进一步提高电流密度，需要减少蓝色LED芯片GaN系半导体结晶的结晶缺陷。“虽然此前一直认为结晶缺陷数基本不会影响GaN系LED的发光，但那是在电流密度较低时的情况。在高电流密度下就会产生严重影响”（飞利浦流明日本）。通过将用于结晶成长的基板由目前的蓝宝石替换为GaN可以减少结晶缺陷。不过，GaN基板的价格目前高达蓝宝石基板的10倍以上，要想普及还需要时间。 LED照亮一切：使每个封装实现1万lm的光通量 白光LED在100℃下工作时发光效率只降低3％左右。要求白色LED具有“温度稳定性”是为了使发光效率在实际使用环境下不发生大幅变化。 白色LED目录值的发光效率大多是在25℃的环境温度下，施加脉冲状电流测量所得。此时，蓝色LED芯片发光部的温度（接合温度）约为25℃。不过，实际用于产品中时，接合温度会上升至85～100℃。在普通白色LED中，温度上升后的发光效率与25℃时相比会降低10～15％。 在部分最新产品中，已经有抑制了发光效率变化的品种。例如，飞利浦流明的照明用途白色LED在接合温度为100℃时，其发光效率只比25℃时降低3％左右。为提高散热性，将LED芯片在陶瓷基板上进行倒装芯片封装，另外，为减轻温度对内部量子效率的影响，还采用了量子阱构造等。 夏普2011年3月开始供货的照明用白色LED，其发光效率随温度发生的变化也比较小（图1）。尽管输入功率高达25W，降低接合温度比较困难，但在白色LED表面温度（外壳温度）为70℃时，其发光效率和光通量与25℃时相比只下降了5～6个百分点。该公司表示，与其他公司的同等产品相比，将降幅控制在约一半。通过采用性能随温度变化较小的荧光材料等，实现了较高的温度稳定性。
“显色指数”是将白色LED作为普通照明器具光源广泛应用基础之上的重要指标。目的是为了与原光源不产生不协调感。此前，白色LED的显色指数大多以平均显色指数（Ra）为基准。不过，随着用于照明用途的情况增加，仅Ra已经不能满足使用，还要求具有较高的特殊显色指数，例如彩度较高的红色和绿色等。 显色指数通过改进荧光材料来提高。不过，提高显色指数也会出现发光效率降低的问题。例如，假设Ra为70的普通白色LED的发光效率为100％，则Ra80时会降低10％，Ra90时会降低20％。“以前在Ra为90以上时，发光效率会降低30％”（日亚化学工业）。因此与以前相比，现在已经改善了很多，不过今后还有很大的改进余地。 改进的重点是，“减少可视范围以外的发光”（飞利浦流明日本）（图2）。一般情况下，白色LED为提高Ra和红色显色指数（R9）会添加红色荧光材料，红色荧光材料的发光光谱可到达700nm以上的近红外领域。由于肉眼看不见可视范围以外的光，因此这部分的能源全部浪费了。所以该公司采用了可减少这部分光的红色荧光材料。
图2：减少可视范围以外的发光
图3：实现高显色指数特性
麦克亚当椭圆在2级以内 降低白色LED产品间色度不均的方法有很多种（图4）。其中，科锐选择的是在蓝色LED芯片上铺设荧光材料层使之成为白色LED芯片后，将多个白色LED芯片收纳在封装内的方法（图4（b））。封装整体的发光光谱与全白色LED芯片的发光光谱重合。为了使白色LED芯片发光光谱的平均值接近，组合使用了封装内的LED芯片。科锐利用该方法，实现了2级以内的产品供货。
图4：可降低色调不均的各种方法
计划使每个封装实现1万lm的光通量 光通量超过1000lm的白色LED已经有几款产品面世（图5）。例如，西铁城电子将销售能够输入41.9W的大电力、光通量达到4390lm的产品。通过配备200个蓝色LED芯片，获得了高光通量。蓝色LED芯片采用小型品，通过将芯片侧面发出的光有效输出到封装外，提高了发光效率。该公司还计划采用最多可配备400个芯片的设计，以使一个封装获得1万lm的光通量。
图5：迎来了一个封装的光通量超过1000lm的时代
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