浅谈城市LED路灯照明的应用趋势与对LED工艺发展的挑战

匡勇

摘要：近年来能源安全问题也日益成为国家生活乃至全社会关注的焦点，日益成为我国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶颈，节能减排是当前国内外共同探讨的焦点，据统计，我国照明耗电大体占全国总发电量的10%～12%，而且以低效照明为主，节能潜力巨大，随着我国经济的快速发展,能源、环保的问题日益突出，加快资源节约利用，半导体照明LED高效节能技术的创新与发展已成为我国的战略目标。

关键词：城市照明；节能；LED

Abstract: In recent years the energy security issues have increasingly become the national life and the focus of the whole society, become our strategic security hidden danger and restricts the sustainable economic and social development, energy saving and emission reduction is the current domestic and international common discussion, according to statistics, China''s lighting power consumption of roughly10% of the national total to 12%, and the in order to inefficient lighting, energy-saving potential is tremendous, as China''s rapid economic development, energy, environmental problems have become increasingly prominent, accelerate the utilization of resources, semiconductor lighting LED energy efficient technology innovation and development has become the strategic goal of our country.

key words：City LightingEnergy savingLED

中图分类号: TD625文献标识码：A文章编号：

1. 半导体照明LED的应用趋势

由于石油、煤炭等目前大量使用的传统化石能源枯竭，同时新的能源生产供应体系又未能建立，能源危机将席卷全球，人类不得不重新考虑节能减排的措施，目前的照明节能潜力很大，一般节能方案均能达到节约20～35%，按保守的数量采取20%的计算，全国节约的电能价值可观，可想而知在国民经济中该有多大的作用。

城市照明设施随着经济和交通的迅速发展，规模和数量越来越大，城市照明节能问题越来越受到各界人士及上级主管部门的高度重视，绿色照明已经是当今城市照明发展的必然趋势，半导体照明已被世界公认为一种健康节能环保的重要途径，正以更快的速度拓展其应用范围。LED发光效率已远高于白炽灯，超过日光灯和冷阴极荧光灯，LED正进入占全球电力消耗 15-20 ％的通用照明领域。LED也正逐步向专用照明（如汽车照明、大尺寸背光源）和通用照明（如户外照明、室内照明）两个领域纵深发展。

LED作为二十一世纪的崭新光源，效率高，期望达到200lm/W,其独特的技术优势其他光源无法比拟。色彩范围可以覆盖色度坐标的80%~90%，优于NTSC电视标准，显色性很高。利用三基色原理，可以得到几乎全部色彩，色彩艳丽，在夜景照明中极为醒目。与现代传统照明采用光源（白炽灯、气体放电灯）相比具有以下明显的特点：

（1）. 新技术，发光方式为电子跃迁辐射复合发光

（2）. 高效率，输入电能转换光能效率最

（3）. 长寿命，是普通灯具的十数倍乃至几十倍以上

（4）. 低能耗，与同照度镀内胆漆灯相比，耗电仅1/8～1/10

（5）. 一灯七色，色泽稳定，不受使用年限影响色差

（6）. 安全可靠，LED灯属冷光源类，不产生热量

（7）. 操作方式多样，既可与PC联机，又可与普通灯泡一样使用

2.国外LED的应用

LED照明效益对美国、日本等国家和中国台湾地区带来重大的影响，以美国能源局在加州奥克兰市进行的LED路灯示范 计划评估为例，该项目采两阶段评估过程进行，第一阶段研究小组先选择奥克兰市的停车场做了装置前与装置后的测量，目的在于评估LED照明在一般街道上实际部署时是否可能产生安全上的负面影响；确认装置后对当地民众无特殊负面影响后，第二阶段进行方式为在实际道路进行装置与评估，并通过当地居民调查满意度、接受程度以及经济成本的估算。美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代，每年节省350亿美元电费，每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%白炽灯换成LED,可减少1~2座核电厂发电量，每年节省10亿公升以上的原油消耗。日本东京都预定将约12000座水银路灯其中的80％ ，在未来逐步改成LED路灯 。目前德岛县正积极进行光电产业的促进 ，从2005年12月就开始了“LED谷构想” ，这次的LED路灯装设为该项方针其中的一个环节。台湾“经济部”正式公布了关于LED路灯标准草案，各县市LED标案和示范工程也将陆续起跑，引导台湾地区LED路灯发展道路。继日前台北县、台中市相继释出LED路灯工程，台北市这次也规划3个LED路灯示范工程。台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代，每年节省110亿度电。

3.未来道路照明对LED光源的要求

高光效—必须满足总光通量的要求；长寿命—要求能正常工作5年以上；有利于形成照度与亮度均匀分布的光场；耐候性—温度、湿度、紫外辐射。近几年来，随着人们对半导体发光材料研究的不断深入，LED制造工艺的不断进步和新材料（氮化物晶体和荧光粉）的开发和应用，各种颜色的超高亮度LED取得了突破性进展，其发光效率提高了近1000倍，色度方面已实现了可见光波段的所有颜色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出现，使LED应用领域跨越至高效率照明光源市场成为可能。目前LED应用的难点主要体现在生产工艺方面。

在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：芯片内部结构缺陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失；以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从芯片中出射到外部。通过在芯片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层（灌封胶），由于该胶层处于芯片和空气之间，从而有效减少了光子在界面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对芯片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和硅胶。硅胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高硅胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但硅胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，硅胶内部的热应力加大，导致硅胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。

荧光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性（热和化学）等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，荧光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速荧光粉的老化。原因在于荧光粉涂层是由环氧或硅胶与荧光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和荧光粉的热稳定性也存在问题。由于常用荧光粉尺寸在1um以上，折射率大于或等于1.85，而硅胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及荧光粉颗粒尺寸远大于光散射极限（30nm），因而在荧光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在硅胶中掺入纳米荧光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率（10％-20％），并能有效改善光色质量。

传统的荧光粉涂敷方式是将荧光粉与灌封胶混合，然后点涂在芯片上。由于无法对荧光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层（Conformal coating）技术可实现荧光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图3（b）。但研究表明，当荧光粉直接涂覆在芯片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国RenssELaer 研究所提出了一种光子散射萃取工艺（Scattered Photon Extraction method，SPE），通过在芯片表面布置一个聚焦透镜，并将含荧光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％）。

总体而言，为提高LED的出光效率和可靠性，封装胶层有逐渐被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趋势，通过将荧光粉内掺或外涂于玻璃表面，不仅提高了荧光粉的均匀度，而且提高了封装效率。此外，减少LED出光方向的光学界面数，也是提高出光效率的有效措施。

半导体照明（LED）具有寿命长、耗能少、体积小、响应快、抗震抗低温、污染小等突出的优点，已经在各行各业取得广泛的使用。随着半导体照明LED高效节能技术的不断创新与突破，其全面取代传统光源已为时不远，对节能减排有着深远的意义。LED作为第四代新光源，在城市景观灯建设领域中已得到了有效的应用，但要在路灯建设和维护中取代大功率的高压钠灯、高压汞灯、金卤灯等光源，还需进一步的研究和探讨，认真解决LED光源在照明应用中存在的技术问题，还需LED光源生产工艺的提高，生产符合路灯建设和维修所需的新产品。