LED照明发展应对的问题探讨
中心议题：
- LED照明技术问题
- LED照明企业发展问题
- 制造出具有高显色性、高发光效能的白光LED
- 大功率LED发热问题
- LED的投光和二次配光设计问题
- LED灯具的紧凑型模块化电源设计
LED是LightEmittingDiode的缩写,又称发光二极管,是一种半导体固体发光器件。其发光原理是利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体材料的PN结中注入的少数载流子与多数载流子复合时引起光子发射而产生光,把电能直接转换为光能。传统的LED包括直插式LED、TOPLED、CHIPLED、SNAPLED等,新的LED主要指大功率LED、超薄的CHIPLED、陶瓷基板LED、侧发光LED等。
LED光源生产过程和成品几乎对环境无污染,而且具有耗能低、寿命长、抗震、环保,可重复启闭、多变幻等等优点,这些都成为发展和推广LED照明的重要理由。随着半导体照明(LED)技术及高效节能技术的不断创新与突破,我们已经迎来照明产业第三次革命。目前我国LED产业正进入自主创新、实现跨越式发展的重大历史机遇期。现针对LED照明发展面临的几个问题和大家一起探讨。
LED照明技术问题
半导体照明产业领域有三个主要环节：发光外延片的生产、芯片和封装。目前国内,LED照明在中低端应用领域有一定基础,但是关键环节如高质量外延片、芯片与世界一流水平仍有较大的差距,已经成为中国LED产业发展的主要制约环节。
目前制约LED在照明领域广泛使用的技术问题主要有：
1.如何能制造出具有高显色性、高发光效能的白光LED,是LED能够在一般照明中广泛使用的一个前提。对于白光LED而言,发光效能、显色性以及成本都决定着它在照明市场中的竞争力。当前制造白光LED的方法可以分为三种,光转换型：单芯片加荧光粉合成白光技术,是现在使用最广泛的方法,但存在能量损失和光效率不高现象；多色组合型：红、绿、蓝(RGB)多芯片组合白光技术,由于发光全部来自LED,不需要进行光谱转换,能量损失较小,效率最高,但供电系统和安装结构较复杂,颜色空间分布不均匀,成本较高；多量子阱型(MOCVA)：即在芯片发光层的生长过程中掺杂不同杂质生长出能产生互补色的多量子阱,通过不同量子阱发出的多种光子复合发射白光。
该方法技术要求很高,目前还难已达到产业化。几种技术相比而言,RGB型LED虽具有发光效能高、显色性好等优点,但是三种芯片性能的不同,使得它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移,影响照明稳定性。另外在LED的封装处理过程中要尽量减少光线在LED内部全反射,增加衬底基板反射率,从而使尽量多的光线能够透射出来,以达到提高LED的外部量子效率,增加LED的发光效能的目的。随着芯片和封装技术含量的不断提高,LED的光效已经从以往的30Lm/W提升到目前接近80Lm/W,而且还在不断提高,这为LED照明应用推广打下了有力基础。
2、大功率LED发热问题已经成为制约LED照明发展的瓶颈。LED光源的长寿命是基于其温度控制基础上的,PN结温度升高会造成器件性能变化和衰减,这也是为何单颗LED尚无法提供大亮度做主照明光源的原因之一。大功率型LED器件获得高通量最大障碍依旧是芯片的取光方式和高出光效率封装结构的设计。这些都需要研究单位和生产厂家靠规模生产来降低成本和技术创新来解决。针对LED光源在照明中的散热方法,有人建议采用仪表风扇及散热器进行散热,虽然简单易行,但该方法由于增加了散热附件,将给LED灯具IP防护等级的设计制作带来更高要求,而且由于风扇、散热器等的使用寿命不及LED光源使用寿命,必定增加不少维护量。
同时由于我们的照明灯具使用场所可能扬尘有时会很大,散热器件使用一段时间后会由于灰尘的干扰而大大影响散热效果。较实用的LED散热方法是将LED的铜基直接固定在一体化的灯具外壳上,通过灯壳直接充当大面积的散热器,把热量散发出来。当然芯片制造和器件封装是解决LED发热的根本。LED芯片的内部量子效率的高低直接影响其发光效能,非辐射复合率则决定着芯片产热的大小。可以说只有制造出具有良好质量的LED芯片,才可能有性能优越的LED光源。
3.LED的投光和二次配光设计问题。传统LED光源发光角小,点面积亮度高,光的散射具有极强的方向性,从而使光源形成光点,而光均匀度不好,束缚了其在照明灯具领域的应用。在普通照明时,为满足相应场合的照明要求,通常需要将数十个乃至上百个LED集成组合(矩阵),为此需要照明灯具经过二次光学设计以达到理想的光强分布和照明效果。LED灯具应尽可能利用LED的定向发射光的特性,使照明灯具中的各个LED分别直接把光线射向需要照明的区域,再利用灯具的反射器辅助配光,从而实现照明的科学综合配光。
另外我们还可以通过将传统的圆头外形LED光源改成平头外形的新型LED运用在照明中,由于平头LED发光角度远远大于普通圆头LED,光效将得到加强,光源在单位面积的均匀度也有很大提高。通过在超高亮白光LED使用上采取平头和圆头LED合理比例搭配,经十字形和矩形组合,我们可以充分发挥平头LED发光角度大、光均匀度好,圆头LED点面积亮度高的优点,发挥最大的光效。
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4.LED灯具的紧凑型模块化电源设计。LED供电区别于传统光源,使用的是低压直流电。高效、匹配的AC—DC转换电路是保证LED理论寿命的前提,电源及驱动电路的转换率是影响LED照明效率的一个重要因素,一个低效率的供电系统将使LED的节能水平大打折扣。我们要继续努力提高电光源技术与微电子技术的结合程度,使得LED照明控制方式的一致性、模块可靠性逐步提高。
二、LED照明企业发展问题
目前我国已经形成上海、大连、南昌、厦门和深圳五个LED产业化基地。通过2003年“国家半导体照明工程”的启动和“863”计划的实施,中国高亮度LED产业进入加速发展阶段,并初步形成了外延片生产、芯片制造、器件封装集成应用的产业链完整、产品齐全的LED生产厂商。我国已经成为世界上最大的半导体照明电器生产国和出口大国之一。但肯定成绩的同时,我们应该看到在国际市场上我们的产业规模和市场份额还不高,高新产品的研发能力还有待进一步提高,培养具有自主产权的LED照明产品和企业成为当务之急。
随着全球经济一体化趋势的日渐明显,源于2008年美国的金融危机已经对中国经济的发展影响性日益明显。金融危机在给世界经济带来巨大灾害的同时,也给中国这样的在全球产业链的“微笑曲线”中处于底端位置的发展中国家,提供了一个发展机会。能源危机、全球环境恶化,全球金融危机的蔓延对于我国LED照明事业发展充满挑战和机遇！
1、LED照明企业要以技术革新为核心,通过企业战略决策、系统控制、市场营销、组织管理以及企业文化的相互整合,促进获得长期竞争优势的能力。我们要注重自主品牌培育,在技术应用上不断创新,从LED材料、设备和封装上实现真正的突破,从而成为拥有强大的设计、生产能力企业。如2004年某企业收购美国AXT公司的光电事业部获得了MOCVD设备和专利技术,他们不断开拓创新,已经形成了芯片研发、封装、应用生产的产业链。
生产的LED被德国世界杯赛场选用,并拥有中国自主知识产权的“幔态LED”更是在北京奥运场馆“水立方”中成功应用并在研发、制造、安装中创造了多项世界第一,成为民族光电产业的代表和骄傲。其核心竞争力是建立在市场竞争优势基础上的使企业长期可持续发展的能力,具有独特性和不可模仿性,这也是LED企业的生命线。
2.LED照明企业经营好人才才是最终的赢家。注重管理和专业技术人才的培养和任用是改造和升华LED产业,使之走向效益良性循环的关键措施。在市场全球化趋势下,一些非关键技术产品可以买到,但基础和能力是买不到的,它需要精心构造和持续积累。如某一企业从海外引进多名从事GaN材料、LED器件和MOCVD设备方面的研发人才,大胆提拔采用一批精通管理、善于利用信息资源的高素质管理人员,结合自身在半导体芯片制造业的丰富经验,瞄准中高端LED应用市场,不懈地追求有自主知识产权、有市场竞争力的新产品的开发,在LED芯片制造业里取得了成功。
3、LED照明企业成长除了人力资源外,如何获得资本资源也十分重要。企业仅凭一己之力,通过银行抵押贷款,以及借贷在现在的经济背景下很难闯出更加广阔的天地,需要进一步改良融资渠道。又如国内最早从事LED外延片和芯片的制造的某企业,通过借壳上市,获得了持续经营的资产和盈利能力,这也是企业做大做强的必然选择。特别是当前金融海啸背景下,更具有现实意义。
4、LED照明企业通过强强合作,以强带弱,实现发展共赢。目前国内LED生产厂家越来越多,中档位的产品占近50%的市场,40%左右的高档位市场仍为外商企业所占据。LED的市场前景非常可观,这给国内配套材料的生产厂家提供了发展的机遇,如芯片、环氧树脂封装料、模条(模粒)、支架等等。企业之间、上下游产业链之间也要学会互救,防止引发难以收拾的“多米诺骨牌”现象,其实救了别人,也就是救了自己、救了大家。
利用企业间已存的信赖关系,使上下游企业组成利益共同体抱团御寒非常有效。如多家国际著名的风险投资基金共同投资,专门从事硅衬底氮化镓基LED外延材料与芯片生产的高科技企业强强联手占领了半导体发光材料的高端市场,并迅速将这种优势扩大到了下游产业。创业投资与创业团队的合作模式使得“硅衬底发光二极管材料与器件”成果已进入产业化实施阶段。
5、美国此次由“次贷”所引发的金融危机,对位于国际产业链底端的中国制造业而言,还提供了一个千载难逢的机会：大批的拥有技术和研发能力的国外企业、拥有市场渠道和品牌的优秀企业深受危机之害,由于现金流断裂而落入泥泽,成为待救的对象。如果中国企业能抓住此刻的机会,出海并购,将会以较低的代价,以较小的阻力完成并购,从而完成自身向产业链高端的前进。特别是今年1月14日,美国商务部宣布给美国对华高科技出口松绑,将以往对华高科技出口的逐个审查,调整为向中国民用企业发放执照。
这给我们很多有实力的LED照明企业走出国门,驶向海外的愿望得以实现提供了机会。从而我们可以获得想要的技术和管理要素,取得战略性资产,让我们民族的LED照明在世界上获得技术、品牌的渠道,体现我们LED照明企业真正的竞争力所在,彻底打破目前我国LED照明局限于“生产制造”的瓶颈。
LED以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域,而全球特别是我国对照明节能的重视更为LED照明事业发展又提供了前所未有的机遇。半导体照明产业不仅解决了人类照明需要和能源供给之间的矛盾,同时半导体照明由于没有污染,还解决了照明的环境污染问题。因此发展半导体照明关系到每个国家和全人类的长期可持续发展。只要我们能看清自己的缺点,勇于发挥自己的优势,解决自身问题,看清发展方向,我们的LED照明事业必定“化蛹为蝶”,绚烂无比!
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