LED照明产品技术与应用发展趋势

LED照明产品技术与应用发展趋势范冰丰工学博士/助理研究员([e-mail])中山大学先进技术研究院中山大学半导体照明系统研究中心内容提要1.LED器件性能发展趋势2.LED照明产品技术发展历程及趋势3.模块化与标准化的最新进展LED产业体系外延，芯片封装（器件）描述1：应用（照明产品）外延芯片描述2：封装，应用外延芯片，封装描述3：应用产业链三种划分方式材料外延芯片器件照明产品上游中游下游2010年商用LED光效普遍接近100lm/W白光LED技术不断进步白光LED照明器具性能快速提升年份光效（lm/W）背光源：2009年LED路灯：2008年室内照明：2011年市场开始成熟年份LED器件形式发展历程无论大功率还是小功率芯片的器件，最终都走上了集成化之路小功率芯片封装器件大功率芯片封装器件LED器件发展趋势——集成化可极大降低器件成本–大大降低了支架、封装材料、封装人工成本–使器件标准化成为可能，将极大规范LED产业发展便于保障器件一致性整个光源形式简化，使器件标准化成为可能主要大厂最新集成光源模组产品西铁城：4W模组Cree7W模块MP-L光输出700lmPhilips:LuxeonS18W光输出1300lm夏普25W，2300lm夏普3.6W，300lm2011年推出的新产品2010年推出的产品日亚4W模组，400lm集成光源新方向：高压LED集成模组工作原理：外桥式整流–更好的电气效率（电压更高，电源效率更好）–芯片电流更低，芯片的光效更高5.4W6颗芯片串联270V–DC@20mA发光效率：105lm/W色温：3000K显色指数:90晶电高压LED模组集成光源新方向：高压交流LED集成模组首尔半导体Acriche系列优势：在高压模组的优势基础上，无需任何附件电子器件，可靠性强无任何AC-DC能量损耗，电源效率100%4芯片集成，额定功率4W——8W驱动电压：AC55V、AC110V、AC220V三档；电流：20、40、80mA三档光效会略低于DCLED集成光源开发中需要克服的困难需要在可靠性设计上开展深入的工作要找到合适的方式，保证芯片参数的一致性需要通过合理的设计，保证集成光源个别芯片的老化或失效不影响器件正常工作，从而体现集成光源在故障失效的优势内容提要LED照明产业格局及器件发展趋势LED照明产品技术发展历程及趋势模块化与标准化的最新进展LED的应用领域而景观照明LED显示屏汽车组合灯小屏幕LCD背光大屏幕LCD背光交通信号灯户外道路照明室内照明目前三种主要应用领域LED色彩丰富色饱和度高更高的光能利用率色彩变换反应快更高光源光效光源小，超薄机身背光源（替换:冷阴极荧光灯）道路照明（替换；高压钠灯）高光效高光能利用率长寿命绿色照明室内照明（替换：白炽灯，荧光灯）高光效高光能利用率长寿命绿色安全内容提要LED照明产业格局及器件发展趋势LED照明产品技术发展历程及趋势–背光源照明–道路照明–户内照明模块化与标准化的最新进展LED背光源模组应用LEDVSCCFL低功耗；环保；更宽色域范围响应时间快；低压驱动；可实现区域控制光源器件小，可实现超薄高功耗；含汞；相对窄的色域范围响应时间慢：导致出现拖尾现象；需要加升压电路；难以实现区域控制LED背光源在10寸以上液晶显示的占有率Source:Q2’10QuarterlyLEDBacklightReportfromDisplaysearchLED背光源未来几年必将全面取代CCFL背光源！LED背光源技术发展阶段“体耦合”形式6’~10’背光显示边发射LED+空腔+导光板37’以下背光源直下式LED背光源：三色LED+导光管+导光板21’以下背光源侧入式LED背光源：40’以上大尺寸平板电视背光源目前主要的背光源形式按光源颜色分白光RGB按光源位置分侧入式更薄，结构简单少用直下式较厚，支持动态背光较厚，支持动态背光，高色彩表现力，高对比度主要的大尺寸背光源形式——侧入式反射膜LED网点导光板扩散膜1增亮膜（横向）扩散膜212增亮膜（纵向）导光板与网点：使光线充分混合，并改变原来的传播方向扩散膜1：雾度高，使向上出射的光扩散；增亮膜：使光线向前方会聚，提高屏前方亮度；扩散膜2：主要起保护增亮膜作用。关键点：导光板的网点设计主要的大尺寸背光源形式——直下式反射板扩散板增亮膜（横向）增亮膜（纵向）扩散膜反射板：把向后传播的光反射向前；扩散板：使光源发出的光扩散，支撑上面膜片增亮膜（横向）：使横向的光向前方汇聚；扩散膜：主要起保护增亮膜作用；关键点：扩散板与光源的距离各大公司主要采用的技术路线白光RGB侧入式三星、sony少用直下式夏普、海信、东芝价格高而少采用不采用直下式RGB方案原因：价格高RGB三种LED衰减不一致造成光色一致性偏差大屏幕背光源的发展趋势侧入式：多侧入光双侧入光单侧入光超薄设计Vs.区域控制–目前LED电视商用导光板厚度已减至3mm–超薄设计无法实现区域控制Whatisnext?侧入式+直下式=侧入直下式！价格实惠超薄外观高色域节能环保实现动态区域控制未来背光形态趋势——模块化拼装只有将背光板切分小型模块，才能同时实现超薄设计和动态区域控制的“侧入背光”功能需克服挑战：各模块连接的黑缝的消除内容提要LED照明产业格局及器件发展趋势LED照明产品技术发展历程及趋势–背光源照明–道路照明–户内照明模块化与标准化的最新进展道路照明灯具形态发展轨迹单颗小功率LED集成单颗大功率LED单颗大功率LED+聚光型透镜靠灯体结构倾斜+聚光型透镜配光单颗大功率LED+矩形配光透镜/反射杯基于单管LED的模块化模组基于集成封装的模块化路灯灯具形态配光类型无配光聚光圆形配光依靠灯体结构配光透镜矩形配光亮度均匀配光光源形态小功率LED单管大功率LED集成封装大功率LEDLED道路照明：从小功率LED到大功率LEDLED道路照明：从无配光到蝙蝠翼配光LED道路照明：从照度均匀到亮度均匀最大光强角度从60度左右增加到67度以上，从而达到了道路的亮度均匀性和纵向均匀性要求LED道路照明：从一体式灯具到模块化灯具模块化灯具核心优势：–制造成本优势–维护优势–易标准化–可靠性优势一体式灯具模块化灯具模块化——LED路灯的必然趋势：成本优势模块化大大减小了模具成本（不同瓦数的灯具不需另外开模具）物料成本更低（同样散热面积的多个模组总物料质量小于一体式整灯）小型模组加工方便，加工成本更低有助于大幅降低备料风险综合成本=灯具制造成本+维护成本+可靠性风险成本模具成本物料材料成本物料加工成本光源成本电子器件成本模块化——LED路灯的必然趋势：维护优势一体式灯具换光源步骤需整灯取下，换一完全相同的灯具可能灯具完全报废，或光源全部返厂置换模块化灯具换光源步骤卸下模块：单一模块,轻便易拆装模组甚至可以现场置换只更换一个模块，不用全部更换综合成本=制造成本+维护成本+可靠性风险成本换灯施工成本维护灯具成本模块化：可靠性优势与易标准化可靠性优势每个模组可以热学结构和电器结构均可独立，降低了整灯失效的几率单一模块的生产工艺更易控制，良品率更高易标准化一体式灯具形态多样，极难标准化模组式灯具易标准化，从而容易产品推广和产业扩大三种类型的模块化形式LED阵列模组+光学透镜/反射杯+灯罩LED阵列模组+光学面罩（去除平板灯罩）集成光源+玻璃大透镜优点：制造工艺成熟，性能可靠缺点：结构相对复杂，灯具效率受到影响优点：结构简单，省去面罩灯具效率更高缺点：裸露的透镜易积灰优点：结构简单，成本最低缺点：配光设计困难，光效和可靠性有待提高模组化配光设计克服了配光的困难，可完全满足道路照明亮度均匀性要求+=020406080配光数据2大功率模组光源设计的透镜内容提要LED照明产业格局及器件发展趋势LED照明产品技术发展历程及趋势–背光源照明–道路照明–室内照明总结室内照明的应用领域商业办公照明商场照明写字楼照明工矿企业照明车间照明仓储照明普通照明家居照明家居照明用于室内照明的主要灯具形态球泡灯射灯代替25W、40W、60W白炽灯泡代替MR16等卤素灯，代替节能灯、金卤灯筒灯面光源代替原节能灯的吸顶灯日光灯管代替T8及T5荧光灯室内灯具的需求光度需求–光效（高灯具效率）–配光–眩光–亮度均匀性（日光灯、面光源）色度需求–色温–显色指数–光斑质量可靠性需求–性能衰减–故障失效成本需求光度需求——配光球泡灯：光辐射角度尽量大，各角度光强尽量均匀射灯：光线汇聚筒灯日光灯及面光源：近似琅勃发光体光度需求——灯具光效灯具光效是由光源光效和灯具效率（光能利用率）两者决定的LED的光效迅速上升，已成为最节能的光源一般传统光源的灯具光输出比（灯具出射光通量与光源光通量的比值）为70％，而LED灯具可达到90％LED光效优势——高光能利用率传统光源发光形式LED发光形式LED形成截光/半截光光源时，大部分光线不需要经过反射壁反射直接出射灯具效率VS眩光、均匀度要求眩光产生的原因：LED高亮度眩光解决方法：利用混光机制，将LED点光源扩展为面光源出射LED：点光源，需设法将光充分扩散出射LED：亮度集中，眩光大将点光源转化为面光源出射将光源充分扩展，降低光出射度代价：降低LED灯具的灯具效率提高亮度均匀度眩光控制无混光设计防眩光设计亮度均匀设计提高亮度均匀度减少眩光对灯具效率的影响LED灯具荧光灯光源光效95lm/W80lm/W无特殊要求的灯具光效75lm/W50lm/W亮度均匀度要求64.6lm/W50lm/W眩光要求+亮度均匀度要求52lm/W40lm/W电源效率0.88，灯具效率0.9驱动效率0.88，灯具效率0.7用磨砂罩换透明罩光源本身满足亮度均匀性要求使用散射板扩展光源加格栅放眩光提高亮度均匀度，减少眩光使LED灯具节能优势大大降低解决方案：热隔离荧光粉涂敷技术基于COB的热隔离荧光粉涂敷工艺技术由佛研院承担的863课题中开发的高光效模组柔性面发光，出射度0.1lm/mm2光效100lm/W均匀度0.88863成果——高光效日光灯管一体化光源——灯具设计，灯具效率100%超高性能散热结构设计，结温温升小于25度使用国产芯片，灯具效率达80lm/W以上色度需求——色温为产生舒适的照明照度与光源色温的关系高压钠灯色温2000K左右，人感觉舒适LED灯色温5000K左右，人感觉压抑闷热晚上的室内照明照度一般300lux以上，色温对应在2700——4000K之间为宜色度需求——显色指数室内照明需要色彩不失真的照明环境普通“蓝+黄”LED的照明效果高显色光源的照明效果普通LED光谱缺陷缺少红色光谱导致显色性低51实现高显色性LED光源途径：补充红色光谱多色芯片发光模组多种荧光粉混合发光52143.51.25通过补偿红色波段部分，可使显色性高于Ra92，最高Ra98功率：5W色温：4200K光通量：390Lm显色性：Ra=92功率：6.2W色温：4200K光通量：560Lm显色性：Ra=94功率：3.1W色温：4200K光通量：250Lm显色性：Ra=95中大开发的高显色LED光源模组成品相近色温下的不同光源的光谱比较，可以看出高显色LED模组非常接近日光光谱。极大的改善了普通LED的先天缺点—断续光谱、且缺失红色部分光谱。光源模组成品光谱色度需求：光斑质量易出现问题的：黄圈直接涂敷方式：造成原因：荧光粉沉积在底部，侧面附近荧光粉密度高，蓝光透射少；芯片表面的喷涂/旋涂方式：易出现问题：篮圈造成原因：大量侧发光的蓝光没有经过荧光粉激发常见的两种封装形式出现的光斑问题蓝圈和黄圈是LED走向室内照明应用必须消除的障碍！光斑质量的改善——一次封装可提高芯片法线方向的荧光粉厚度，从而减少黄斑普通封装热隔离远场荧光粉封装光斑质量的改善——二次光学调整将侧面黄光分配到中间，中间偏蓝的光线分配到边缘，从而达到调和色分