摘要：介绍了美国能源部于2002年开始实施的固体照明（SSL）技术的“下一代照明计划”。同时对美国SSL技术的研发、生产和使用现状以及召开学术会议的情况做了叙述。

关键词：固体照明；发光二极管；综述

1 引言

固体照明（SSL）技术的飞速发展已成为全球性的新技术热点之一，引起世界发达国家的密切关注。这是由于LED在节能和寿命方面的巨大潜能，促使该技术走入照明界。在最近的几年里，这项技术有着令人瞩目的发展 [1]。LED又称为固体发光，国内称之为半导体照明。笔者最近到美国作短期访问，对美国SSL研究和应用的情况进行了了解和分析，现做一简单介绍。

2 美国能源部的SSL计划[2-6]

1962年，美国通用电气公司的Holonyak博士发明了世界上第一支发光二极管（LED）。尽管当时这种发光二极管只能发红光，但他坚信，发光二极管肯定是一种很有前途的新光源，如果能获得红光，也必将有可能获得其他颜色的光，白炽灯最终将会被它所取代。并预言，未来照明及显示领域将是发光二极管的天下。在随后的几十年里，美国、日本等工业化国家相继开始研究和应用这项技术。到了1993年，日本日亚公司发明了高亮度蓝光LED 后，SSL技术有了飞速的发展，使得LED替代白炽灯成为可能。SSL技术被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固体冷光源和最具发展前景的高技术领域之一。

虽然美国是半导体技术的强国，并首先发明了 LED，但在后来的LED技术研发过程中，特别是白光源研制技术反被日本、德国赶超。因此，2001 年7月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上，美国的两位参议员向参议院递交了一项议案，呼吁由美国能源部启动一项名为“Next-Gener tion Lighting Initiative”(NGLI)的计划，即“下一代照明计划”。这项计划提案的目标是要联合产业界、学术界和国家重点实验室的力量，加速半导体照明技术的发展和应用。实施该计划的目的是为了使美国在未来400亿美元的照明光源市场竞争中，保持在全世界的领先地位。计划制订者之一的美国光电子协会负责人伯杰说：“在很多技术领域，我们已丧失了世界领先地位，但在照明光源工业我们能确保走在别国前面。”

随后，美国能源部、光电子产业发展协会和国家电子制造厂商协会共同制定了美国2020年前的通用照明用半导体SSL技术发展规划，并在2002年对该计划执行过程中所遇到的技术难题和发展目标进行了综合性的详细论证、修改和提升，确定了其具体的发展性能参数、发展进度、投资成本和工作成本等。NGLI发展规划在时间上从2002年起共分为三个阶段，前两个阶段都为5年，而第三个阶段长达8年。发光效率的指标定位分别是2002年20lm/W，2002～2007年75 lm/W，2007～2012年150 lm/W和2012～2020年200 lm/W。目前，美国能源部已正式启动了固体照明技术研发工程，并为工程相关项目资助了经费。根据有关法案规定，还将从2006财政年度到2008财政年度为“下一代照明计划”筹集资金5000万美元，具体的金额将由拨款委员会向美国能源部提供。图1是美国SSL计划图。

按计划时间表执行，从2002年到2020年，将累计节约电能760GW，减少2.58亿吨炭的排出污染物，少建133座新的电站(每座1000MW)，将累计节约财政开支1150亿美元，形成一个新的年产值超过500亿美元的光源产业，还会带来数以百万计的工作机会。

美国的SSL计划确定了两个研究方向，即无机 LED和有机LED（OLED），具体从六个领域来开展研究和实施（图2）。目前，经过专家组深入广泛的讨论研究，对需要实质性研发的重要课题进行了分类，共有30余项，这些课题包括长期基础研究和短期工程发展的内容和全过程。

为了保证NGLI计划分阶段顺利进行，美国能源部还制定了一个SSL计划操作组织构架（图3），主要分为两大部分：①核心技术研究，由学术界、国家重点实验室和科研院所完成；②产品开发与生产由企业完成。美国能源部定期召开工作组会议，对项目进行管理和检查以及对SSL研发计划进行修改和调整。2003年11月和2005年2月，举行了两届工作组会议。在2005年召开的第二届工作组会上，美国能源部与美国下一代照明行业联盟（NGLIA）共同签署了一份协议备忘录，其内容是关于集中精力利用NGLIA的专门技术形成一个固态照明制造商的机构，以提高美国能源部SSL研究和发展计划的制造业和商业化。

从美国能源部SSL研发计划的最新修改资料中了解到，美国对SSL计划实施时间表又作了修改，完成时间从2020年延长到2025年。这说明SSL计划目前还有不少的技术问题难以解决，包括亮度不够大以及制造发光材料的成本较高等，致使这种新型光源的应用推广还需要较长的时间。

3 SSL产业

美国在LED照明的产业技术开发上一直处于领先地位，以下是几家著名的LED生产企业。

（1）Lumileds公司 位于硅谷San Jose的Lumileds，是由Philips lighting和Agilem(原HP)于1998年合资兴办的公司,旨在开发和生产照明用的 LED产品,以抢占未来巨大的市场。到目前，它所生产的1W，3W和5W的Luxeon LED是世界上最亮的白光LED产品，它的白光效率已达到30 lm/W,5W器件的光通量达到120 lm。产品用于LCD背光光源、交通信号灯、景观照明等。

（2）Gree公司总部在 Durham NC，主要从事SiC，GaN和Si衬底的开发，是美国宽禁带材料和器件的领导者，也是生产GaN材料的最大公司之一。最突出的还是他们对蓝光LED方面的贡献， Cree是这方面的先锋，因为他们自上世纪80年代中期就已开始起步。Cree正在按计划向75mmSiC圆片的生产转化，并宣布他们新的7090系列XLamp LED产品适于批量生产。Cree称他们制出了第一只高功率封装的LED产品。这种7090系列XLamp产品采用大功率表面安装封装法，设计为典型工作电流350mA时输出1W功率，管腿的范围为7mm× 9mm。他们还公布了在建筑照明和普通照明应用中常规光源的固态照明（SSL）替代经典的白炽灯泡的战略。

（3）Color Kinetics（CK）公司组建于1997年，总部位于马萨诸塞州的波士顿市，他在智能固态照明系统及技术设计、市场开发方面处于行业领先地位，并获得了相关技术的许可权。公司的获奖系列产品利用LED的实用及美观性能，在高性能灯具及OEM许可应用中，突破了传统光源的局限。其产品及技术优势使其在数码智能方面获得了一项称为Chromacore(R)的专利，这项专利可用来产生并控制数以百万计的LED灯光颜色及动态效果，应用于舞台照明和景观照明。

CK公司自诞生以来，智能特性一直是CK阵营的主要手段，合作伙伴的战略能够提供给新加入者卓越的范例。当CK公司将数字智能技术用于基于高亮度二极管的数百万颜色的产生与控制时，CK公司显然是该领域的驱动者。他们的智能文件夹包括32项已授专利和120多项正在申请的专利。CK公司采取公开、积极的方式与那些认识到智能固体照明的价值及其普遍深入的应用前景的制造商形成委托加工与许可的关系，以促进刚刚起步的固体照明工业的发展。目前CK公司在英国、中国都设有办事处，在日本还成立了一家合资公司。

4 主要研究机构

（1）Sandia National Laboratories（桑迪亚国家实验室）隶属美国能源部，拥有两个主要的场所，较大的实验室和管理中心位于新墨西哥州阿尔伯克（雇员超过6700人）；另一部分较小，位于加利福尼亚州。该实验室主要从事核技术、军事研究，现有部分转为民用和信息技术研究。

2001年3月开始，桑迪亚国家实验室与惠普公司的研究人员一道，提出将能源部、主要照明光源公司和其他科研机构的研发资源整合在一起，起草美国固体照明技术发展蓝图（2002－2020），旨在为下一代照明规划提供技术论证，随后在此基础上制定了(NGLI)计划。计划出台后，获得美国一些研究机构的支持。从图3可见，桑迪亚国家实验室在SSL计划中起着非常重要的作用，重大决策都由它参与制定或审查。

（2）Lighting Research Center（LRC）在纽约州Rensselaer工学院，是专门从事照明研究的科研机构。该学院还是唯一招收全日制照明工程学硕士的高等学院。Narendran博士领导的SSL研究小组积极参与美国固体照明计划研究，并推行了一系列的研究方案来促进这项技术的发展，帮助实现普通白光照明。LRC的跨学科小组负责研究各种照明系统之间的相互影响和配合、人们对照明环境的感觉和反应以及如何用发光二极管取代白炽灯和其他低效光源等问题。有关研究人员、制造商、设备商和政府都将参与这个协作计划，共同促进发光二极管技术的广泛应用。近年来LRC在SSL研究方面取得许多成果，发表不少学术研究论文。

（3）其他研究单位。还有不少大学参与了 SSL计划的研究。乔治亚理工学院的Ferguson 教授是位半导体材料的专家，对SSL技术的宣传推广做了大量的工作，多次主持在美国召开的SSL技术国际会议，Ferguson 教授也是我国半导体照明工程界的老朋友，是2004年上海、2005年厦门两届中国SSL技术国际论坛主席之一。另外，亚利桑那大学、南卡洛林纳大学、加州大学桑塔巴巴拉分校等在SSL技术方面也都做了不少研究。

5 在美国召开的LED，SSL会议

在美国，每年都要召开多次SSL和LED的会议，主要有以下几类：①LED研究、生产及应用专题会议每年1月召开，由美国著名的SPIE专门出版会议论文集。②SSL国际会议每年召开一次，并由SPIE专门出版会议论文集。③LED，OLED专题年会每年10月前后召开，由美国缅因州波特兰的市场研究/会议组织，参会人员有制造商、元器件及设备供应商和终端用户。每年的议题都不一样，主要议题从传统的发光技术到高亮度的发光二极管 (HB-LED)技术。④其他专题会议近两年随着SSL技术研究的深入，市场不断升温，涌现出许多热点问题，美国各界也频繁召开相关专题会议。

6 应用

目前，SSL技术替代传统照明还要有一段时间，美国也是如此，从有关资料报道情况看，其SSL技术应用主要还是在特殊照明方面。

（1）大型全彩色显示屏几乎都采用LED实现，如纽约的时代广场、拉斯维加斯景观亮化，非常壮观。（2）2004年底完成的纽约布鲁克林区大西洋大街的沿街建筑亮化工程，采用SYLVANIA的先进照明设备，对大西洋大街两旁的建筑门牌及精品商店橱窗装饰亮化。整个设计保持历史风格，简单而又创造性的视觉，使旅游者感受到该社区的历史文化遗产。工程采用LED灯，减少了80%的能源费用，并在10年内不需维修。（3）LED光源具有亮度高、光响应速度快、抗震耐冲击、省电、寿命长、在浓雾和日光下可视性高等优点。目前美国许多城市正在用高亮度的LED列阵替换交通信号的白炽灯泡，取得良好的效果。随着LED灯性能的提高及价格的下降，将有更多的交通信号灯采用LED光源。（4）2004年初，纽约市为更换街区路灯在全世界范围征集设计方案，最后以美国建筑师Thomas Phifer 为首的方案从来自23个国家的200多个方案中脱颖而出，他们是以LED照明技术方案中标。该方案LED灯的外形像一条眼镜蛇，其头部可以用来为LED灯散热。灯具内装有4组（每组 16只）高亮度白光LED，并配有光塑造薄膜分散器技术的光学透镜以达到必需的光照度分布。采用 LED光源的街灯，不但轻巧、高效、节能和使用寿命长，而且显色性能比高压钠灯要好。此外， LED灯不含水银，不会产生任何有害的紫外光。预计不久，纽约市民将会看到基于这个设计方案的首条LED光源的街灯。

7 结语

美国根据全球SSL技术发展的现况，制定了符合本国实情而又领先世界先进水平的“下一代照明计划”，经过政府、学术科研机构和产业界的努力，取得了一定的成果。

为使中国半导体照明产业最终发展成为具有国际竞争力的新兴产业，有必要了解美国固体照明技术研发及应用成功之处，这对我国正在进行的国家半导体照明工程大有益处。