【LED照明第二幕】(一)刷新基本构造,突破发光效率、成本和亮度壁垒
摘要: 白色LED由日亚化学工业开发出基本构造,并实现了广泛普及。但如今市场对LED照明的需求越来越多样化,仅凭以往的技术框架已经无法满足市场需求。现在,不仅仅是改良,基本构造各异的技术逐渐出现。这些技术具有取代以往技术的可能性。
白色LED由日亚化学工业开发出基本构造,并实现了广泛普及。但如今市场对LED照明的需求越来越多样化,仅凭以往的技术框架已经无法满足市场需求。现在,不仅仅是改良,基本构造各异的技术逐渐出现。这些技术具有取代以往技术的可能性。
LED照明在技术上迎来了第二个发展阶段。这是因为基本构造大大改变的多项技术正在强势崛起,而不仅仅是以往白色LED技术的改良。这些革新性技术将开拓白炽灯泡和荧光灯以外的新照明用途。
以往的白色LED大多指以日亚化学工业1996年推出的技术为基础开发的LED。这类产品一般组合使用在蓝宝石基板上生长GaN晶体制作的蓝色LED与黄色发光荧光材料YAG*,从而形成白光。
*YAG=钇(Y)铝(Al)石榴石(Garnet)。这里是指在由Y3Al5O12构成的石榴石构造材料中添加铈离子(Ce3+)的材料。日亚化学工业在LED荧光材料中采用了YAG与镓(Ga)钆(Gd)石榴石(GGG)的化合物。
日亚化学的技术无疑是在与其他白色发光LED技术的竞争中脱颖而出的一项优秀技术。不过,由于技术成熟度比较高,性能进一步提高的余地较小。
日亚化学工业在2010年初试制成功以20mA的电流实现了249lm/W高发光效率LED时就表示“技术已经接近极限”,宣布追求发光效率的研究和学术发表将会告一段落。
另一方面,伴随着LED在照明市场上的作用越来越大,对性能的要求也呈现高度化和多样化,具体表现为(1)提高发光效率、(2)大幅削减制造成本、(3)实现高亮度、(4)提高显色指数、降低LED特有的眩光,等等需求。而以往的白色LED技术已经无法充分应对这些需求,因而出现市场增长停滞态势(图1)。
图1:锁定目标打破壁垒的行动加速 |
最大限度努力确保性能
此前,具备高发光效率和大光通量的LED照明产品为设法满足(1)~(4)的需求,把精力集中在了为数不多的技术选项中。例如,发光效率接近200lm/W的直管型LED灯通过为各芯片加载小电流使之以低亮度发光,从而实现高效率,同时通过大量排列这种芯片来确保灯具整体所需光通量(图2)。
图2:效率的提高与亮度的提高此消彼长 LED灯的电流密度与发光效率的选择示例。以几mA/mm2的超低电流密度驱动发光效率近200lm/W的直管型LED灯,通过大量排列LED芯片确保光通量。大光通量COB也基本采取相同的战略。 |
采用这种设计的原因之一是,LED芯片的发光特性存在“光效下降(Droop)现象”。电流密度越小发光效率越高,电流密度增大,发光效率则会不断降低。也可以说,发光效率与亮度属于此消彼长的关系。
当然了,无论怎么削减电流密度,也无法超越LED芯片本来的发光效率极限。因此,LED灯具厂商纷纷设法获得发光效率尽量高的LED芯片。他们采取的办法不仅仅是与技术实力高的LED芯片厂商签订合作协议。
因为即使是同一家厂商以相同的条件制造的LED芯片,发光效率也有高有低,性能并不稳定。为了从这些性能高低不均的产品中,得到发光效率比标准品高的芯片,LED灯具厂商展开了竞争。例如,爱丽思欧雅玛“选择的是上等品,用金枪鱼来比喻的话相当于肉质鲜美的‘腹部’部分”(爱丽思欧雅玛执行董事、LED事业本部本部长石田敬)。不过,如果只使用高性能的芯片,则无法确保市场要求的数量。因此,该公司根据性能与数量来全盘考虑产品性能参数。
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