解析未来全球LED照明市场发展趋势,led灯具设计

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解析未来全球LED照明市场发展趋势,led灯具设计

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目前,我国半导体LED作为节能、环保的主要技术,已被纳入国家中长期科技发展规划与“十一五”国家“863”高新技术产业化重大项目,并得到了大力支持。然而,我国目前LED产品开发应用领域依然存在许多不足。我国自主的LED芯片、外延片产量仍有限,产品以中、低档为主,与国外差距很大。产业化规模偏小,只能满足国内封装企业需求量的20%-30%,大部分高性能的LED和大功率LED产品均要依赖进口。此外,在LED的应用市场方面,也存在着由于产品种类、品种参差不齐问题而引起的制约,尤其是在通用照明领域,由于存在的技术不足,使其无法进行规模化普及应用。因此,推广对LED封装技术的发展力度,提升自身核心技术并实现规模量产是LED产业发展的最关键一步。

LED,一种全新概念的固态光源,以其无与伦比的节能、环保、长寿命、可控性高等技术优势,成为近年来全球最具发展前景的高新技术之一,正式拉开全面替代传统照明的序幕,半导体照明技术革新正在改变百年传统照明历史。随着LED技术在照明领域的应用,LED产品在全球掀起了一场节能环保的绿色风暴,被业界誉为“绿色照明”产品。

能源问题是我国一项重要问题,对国家发展具有重要意义,随着我国社会经济的不断发展,能源消耗问题越来越严重,所以如何降低能源消耗,是相关工作者面临的一项重要问题。是一项重要的能源消耗,为了节省能源,国家以及地区逐渐推广了节能型光源,LED具有良好的节能环保效果,所以逐渐取代白炽灯的使用,既满足了的要求,同时还实现节能环保的效果,因此应加强对LED技术的深入探讨,并对其发展趋势进行展望,进而促进LED产业的发展。

一、LED照明产业发展趋势与分析

在能源短缺的情况下,全球都在强调环保,节约能源是我们未来将要面临的重要问题。而照明领域在能源界起着关键的地位,因此led灯具设计产品的应用正吸引着世人的目光。作为一种新型的绿色光源产品,二十一世纪将进入以led为代表的新型照明光源时代。led灯具设计也逐步在我们的家居生活中得到越来越多人的关注,一个时尚而环保的生活方式正被大家追捧。那么大家知道led灯具设计原理是什么吗?led灯具设计关键因素又是哪些?下面小编就来为大家具体介绍一下。

我国LED的发展现状

1.大功率的高亮LED增势迅猛,逐渐成为主流产品

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20世纪90年代初期,我国LED产业开始发展,并随着时间的推移,我国LED产业已经取得了显著的成就,从生产到造再到封装,LED产业形成了完整的产业。近年来,国家对节能问题越来越关注,在节能方面,国家出台了相关的优惠政策,以此激励各企业节能环保,因此大大促进了我国LED产业的快速发展,生产企业主要集中在两个地区,一个是珠三角地区,另一个是长三角地区,2013年开始,LED生产企业逐渐扩大,向着西部地区发展。

2008年,全球LED市场规模达到80亿美元,所占整个LED产品的市场比例由2001年的40%增长到2005年的70%以上,其中高亮度LED在1995-2004年间的年均增长率达到46%。美国市场研究公司Communications
In-dustry
Researchers预测,全球LED的市场规模年均增长率超过30%,2009年市场规模将超过100亿美元。近年来,随着LED在照明、小尺寸面板背光源以及室内照明等新应用领域逐渐扩展,高亮度LED过去数年一直处于高速增长阶段,在LED中的比重将逐步加大,已成为LED主流产品。

一、LED灯具设计的原理

虽然我国LED生产在不断的发展,但是对于部分核心技术,仍然未掌握,主要表现在外延片和芯片造技术方面,而这一部分核心技术仍然在发达国家手里,封装以及生产工作在LED产业中占据重要比例,这主要是因为封装以及生产等工作,不需要掌握较难的高新技术,因此做起来比较容易,而且与发达国家相比,我国在劳动力方面,还占有较多的优势,因此在LED加工生产企业规模较大。

2.通用照明实现技术突破,照明升级工程产业机会巨大

恒流,降压为LED工作时所用的电流和电压。设计时应注意工作环境,灯具材料及散热方式选择,LED芯片的封装,还有散热器的设计,这几个方面综合考虑。

随着我国LED技术的不断发展,LED技术各方面都在逐渐的提升,应用范围也越来越广,产品竞争力也在逐渐的提升。同时LED产业在政府的支持下,使得LED产业的前景越来越广泛,给企业带来了更多的发展机遇,但是在发展过程中,仍然存在一些问题,需要相关工作者的注意,如忽略了LED对人体健康的影响;使用寿命较短等情况。这些问题产生的原因主要是对LED特性了解的不够透彻,所以想要更好的发展LED技术产业,还加强对LED光源的了解,包括发光机理以及工作方式等。

通用照明占照明领域的90%的市场份额。半导体照明作为继白炽灯、荧光灯、节能灯后,具有革命性意义的第四代新型高效固体光源,具有寿命长、节能、绿色环保等显著优点。但目前LED的应用领域主要在特种照明,目前美国、日、韩、欧洲、中国及台湾在LED科技攻关方面都已启动专项国家规划,如果用于通用照明的技术一旦成熟,将面临一个对500亿美元照明市场份额的重新瓜分,因此照明升级工程产业机会巨大。

二、LED灯具的设计理念

LED主要技术问题

3.中国LED照明产业应该向封装高档产品和光源产品升级方向努力

LED灯具的设计理念有两种:一种是2008年由飞利浦公司提出的以环境的需求来设计灯具,叫情景照明,另一种是2009年由凯西欧公司提出的以人的需求来设计灯具,叫情调照明。

与原有传统方式相比,LED的发光形式以及选择方式,都与其存在较大的差异,但是随着我国LED技术的不断发展,在选择方式,一些灯系统与原有的方式越来越近。但是在使用LED系统过程中,还需要注意加强对LED系统的了解,因为与原有传统方式的存在许多的不同,而且这样还可以更好的使用LED,LED技术问题主要表现在LED半导体材料、电源驱动技术、LED结温的散热以及灯具配光技术四个方面,因此下面就针对这四个方面进行详细的探讨。

在LED领域,主要有三个环节,即发光半导体外延片的生长、芯片和封装。目前国内三个环节都有,在中低端的应用领域还有一定基础。但是在关键环节,尤其是外延片的生长环节,与世界一流水平还有较大的差距。

三、LED灯具设计的关键因素

LED光源的光学特性

3.1必要性

1.散热为LED灯具设计关键

一般情况下,采用450mm左右蓝光激发YAG荧光粉作为LED光源材料,对于LED光源,影响其关键材料主要有两项,一项为荧光粉的配比,另一方面为荧光粉的颗粒大小,同时这两种关键材料,还对LED的光谱特性以及成平色温和光效具有重要影响。对于色温,受驱动电流相关、白光LED的光谱特性等影响,其中任何一项改变,色温也会发生相应的变化,与此同时对于光谱特性曲线,也会发生相应的变化。通常在选择YAG荧光粉时,还需要充分考虑色温不同,进而合理的确定,这样才能生产出不同色温的LED产品。

目前我国的产业优势主要在封装,从封装产值区域分布来看,我国在2008年封装产值约25亿美元,已经超越日本、台湾成为全球最大的封装地区,并具备市场与技术核心竞争能力。但是国家和政府对此的重视却不多,如果台湾和日本等国家地区从经济危机中缓解或走出,随时可能会形成日本独大、台湾地区与美国齐进、欧韩中“平分秋色”的分布格局,我们将再一次失去主导权和先机。因此我们应在已有的产业优势上升级,向封装的高档产品努力,同时在通用照明技术方向上多下功夫,突破LED产业的技术专利壁垒,培育新兴市场的竞争优势。

一般常称LED为冷光源,这是因为LED的发光原理是电子经过复合直接发出光子,而不需要热的过程。但是由于焦耳热的存在,LED在发光的同时也有热量伴随。而与传统光源不同的是,钨丝灯等传统光源将热量集中在灯丝,但LED的光源的热量却集中在发光二极管的PN结面上,两者相较起来,钨丝灯的散热面积仍远大于PN结界面的面积,甚至PN结面可以视为1个点,LED发光产生的热能全部集中在单一点上。在工程设计方面,“面”形式产生的热可用散热片或是自体增加热对流空间即可处理,但“点”状的热源在散热处理就更为复杂与困难,处理不妥很容易造成PN结面因高热、高电流出现击穿损坏,而组件长期处于高热,也会让产品的可用寿命受到影响。

散热问题

目前国家对于整个LED产业链的重点工作放在上游外延、芯片及下游灯具应用这两部分。上游投资陆续资金已经很大,但是收效甚微,反而与国际上游龙头的差距越来越大。下游产品又因为产品质量问题,参差不齐,难以保证稳定的长寿命使用效果。这样会造成使用者对我国LED产品产生怀疑并多持保守和负面的态度。这样各方面的意见反馈到政府领导,然后国家才重视整顿LED市场,最后的结果又是一次“叫停”,导致需要国家花费大量的人力和资源,引进国外龙头企业的先进封装技术来指导国内的下游产品,这样我们将又一次失去与对整个LED行业的话语权,国内的市场渠道也会以OEM等形式被占领。

另一方面,LED
晶粒为提升亮度表现,必须在单位LED上施加更多电源功率,同时灯具设计也会采较多数量的LED同时运行,这将使灯具内产生大量的热。当单颗LED晶粒随亮度提升,功耗也由0.1W提升到1、3、甚至5W,经LED光源模型实测分析结果,封装模组也会因增加发光效能而出现热阻抗攀升的问题。

LED被称为“冷光源”,这主要是因为LED具有较广的发过效率,热能几乎可以忽略。但是需要注意的是,LED在发光过程中,仍然会产生热量,而产生热量的原因是电流通过LED的PN结时,所产生的热量聚集在PN结上,不向外辐射,通常我们将此种现象称之为“结温”。对于LED的PN结较小,而LED也由于很多颗LED组成,在LED工作时,电流密度往往较大,这样就导致LED芯片发热较为集中,若出现了热量堆积,这样使得结温上升,进而会减少光输出,缩短器件的使用寿命,所以为了解决这一问题,就要严格控最高结温,一般情况下,应将其控在80℃以下。

到现在为止,因为四大龙头企业(CREE、PHILPS、OSRAM、日亚化工)各有不同的技术路线和专利垄断保护,以及其封装技术的不成熟等原因,所以目前整个行业内尚未有一个关于LED光源的标准。如果我们先进的LED光源企业和单位,尤其是具有核心技术先进性的大功率LED光源企业和单位,在政府的支持和推动下,组织科研人员,对此进行全新的技术标准的设计与制定,坚持科学实践和创新发展的基本原则,将会在全球LED行业至少是中上游这一块取得实质性的突破。如果能在国际上参与和指导最后国际标准的制定,将会是中国科学技术力量继航天科学技术之后又一次的科学创举,从而直接使我国在LED行业的国际影响力得到根本认识的改观,达到一个新的高度。

LED不同于白炽灯、荧光灯等传统照明光源,过高的温度会缩短甚至终止其使用寿命;原本单颗LED组件具20,000—40,000小时寿命,可能因功率与散热处理不佳降至仅2,000小时。而且LED是温度敏感器件,当温度上升时,其发光效率急剧下降。所以系统结构设计及散热技术开发是LED灯具设计急需面对的课题。

电源驱动

二、大功率LED光源的核心技术与优势

2.LED灯具的二次配光设计至关重要

对于单颗LED电源的正向电压,在一般应用条件下,应在30-3.6V左右,例如单颗小功率LED的典型电压值为3.3V,对于LED的电流值,应在20mA,对于LED两端的正向电压,若超过了3.6V,虽然电压增量很小,但是仍然会导致电流增长,这样导致LED的PN结温宿的快速上升,进而对LED产生不利影响。对此就应采用合理的驱动方式,通过实践发现,稳压电源供电方式会造成LED的光衰加速,因此可以选择恒流驱动方式,这种方式,可以稳定电流,不会引起热效应,但是这种方式,在一定程度上,会增加成本。

LED一般上来说是由外延片-芯片-光源-灯具的四个环节组成,在LED产业中下游应用上关键点是怎么解决热阻和结温等关键问题的前提条件下,保持芯片稳定的有效光输出。

光源在空间各个方向的光强分布即为配光,为了使LED芯片发出的光能够更好地输出,得到最大程度的利用,并且在照明区域内满足设计要求,需要对LED进行光学系统的设计。其中,在封装过程中的设计被称为一次光学设计,在使用LED发光器件时,整个系统的出光效果和光强、色温的分布设计被称为二次光学设计,也叫二次配光。

灯具配光

一直以来,LED光源的一般照明应用中存在着光源的高导热金属材质问题、应用的热平衡问题、长效荧光粉问题和配光问题等四个核心技术瓶颈:

LED灯具的二次配光设计,对最终的照明器件和工程的性能起着至关重要的作用。第一,部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要二次配光提高光能利用率;第二,封装之后,像面照度分布均匀性达不到设计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值,这都需要对LED灯具进行二次配光设计。

随着LED产业的不断发展,对于LED结构,研发人员对其进行了相应的改进,主要是采用二次配光的方式,实现光束角的扩大,以满足人们的要求。目前在办公中,使用光源,主要采用的LED支架荧光灯,这种方式可以降低成本,但是这种方式不能应用在对光源要求较高的场合,这主要是因为此种方式达不到良好的均匀度。因此为了解决这一问题,对这种方式进行了测试和分析,通过测试和分析发现,若空间较低,则难以实现均匀度的提升,应利用二次配光技术进行解决,同时对于LED支架荧光灯,应改变其发光结构。

▲郭文俊

3.LED灯具系统的可靠性是基础

随着我国社会的不断发展,节能环保越来越受到人们的重视,所以对于LED技术,具有一定的发展前景,近年来,我国LED产业已经取得了一定的进步,但是与发达国家相比,仍然存在许多的不足之处,所以这还需要加强对LED特性的了解,应对其缺陷进行规避,并加大对LED光源的优势的发挥,采取合理的技术措施,解决LED光源中存在的问题,达到节能环保的目的,促进对LED产业健康稳定的发展,因此笔者认为这还需要对LED技术展现状及趋势展望的不断探讨,以此促进我国社会的可持续、稳定的发展。

核心技术1:高导热金属材质

LED光源,有人称它为长寿灯,作为固体发光器件,其理论寿命应在10万小时以上,使用寿命远比传统光源要长,因此在一些不易更换、维护的场合使用,维护成本可大大降低。但是目前在许多实际应用中却无法看到这个优点,反而给使用者看到的是光衰严重,且寿命短,有的用不到1万小时就坏了。

目前上游龙企业,比如CREE已经可以做到的芯片光效可以达到130-150lm/W。但是LED结温高低直接影响到LED出光效率、器件寿命、可靠性、发射波长等。保持LED结温在允许的范围内,是大功率LED芯片制备、器件封装和器件应用等每个环节都必须重点研究的关键因素,尤其是LED器件封装和器件应用设计必须着重解决的核心问题。

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现在主流的应用技术材质是用铝基板来封装,但是铝基板封装的芯片散热和光转换效率都存在技术核心瓶颈,不能有效地控制结温和稳定地维持高功率的光输出,并且应用会因为芯片光效越高,所需的铝基板面积就越大,会加大成本和应用体积,极为不便。所以如何走出此误区另辟新路是新的技术核心特点。

4.室内LED灯具的显色性、眩光问题

核心技术2:热平衡技术

有业内专家评估:等到30%左右老百姓家里使用LED灯管以及灯杯,才是LED真正鼎盛期。也就是说LED在室内照明的广泛应用才是LED行业真正的春天。不言而喻,室内照明设计的好坏直接影响人们的日常生活和工作。除了LED灯具的成本高难以被大众接受的问题之外,人体在LED光源下工作生活的健康和舒适是室内LED灯具的核心问题。这其中主要包括LED灯具的显色性、眩光等问题。

LED器件采用专利热平衡散热结构关键技术,在保持低成本和被动散热方式的前提下,利用高导热介质,通过崭新的器件/灯具整体结构,成功降低热阻,有效降低PN结结温,使PN结工作在允许工作温度内,保持最大量光子输出。其特点如下:

人眼对色差的敏感性大大高于对光强弱的敏感性,因此,对照明而言,光源的显色性往往比发光效率更重要。目前白光LED普遍使用发蓝光的LED叠加由蓝光激发的发黄光的钇铝石榴石荧光粉合成白光。由于其发光光谱中仅含蓝、黄两个波谱,所以存在色温偏高、显色指数偏低的问题,不符合普通照明要求。所以,加入适量发红光的荧光粉并能保持较高发光效率是LED白光照明中的一个重要课题。另外,LED灯具照明的眩光太强,远距离看只有一部分照进眼睛里,太刺眼。这也是一个亟待解决的技术问题。

超低热阻材料,快速散热整体结构技术;

除此之外,对于LED灯具,电源、光源以及驱动电路都是非常重要的组成部分,并且也是非常关键的技术。但笔者更倾向与将它们独立出去,不计为LED灯具的关键技术。

高导热、抗UV封装技术;

小编结语:关于LED灯具设计的原理与关键因素就介绍到这里了,希望对大家有所帮助。想了解更多相关知识,可以关注齐家网资讯。

应用低环境应力结构技术;

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整体热阻<20K/W,结温<80度;

LED光源照明模组工作温度控制在65℃以下。

核心技术3:高效荧光粉的应用

目前市场上所常用的白光LED发光荧光粉应用技术是将GaN芯片和钇铝石榴石封装在一起做成,该技术是日本日亚化工在上世纪90年代末发明,并形成专利技术垄断。GaN芯片发蓝光(λp=465nm,Wd=30nm),高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉,受此蓝光激发后发出黄色光发射,峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收,另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合,可以得到得白光。理论上对于In-GaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。但是这种传统的白光LED工艺基础上采用的还是蓝光LED,所以当色温偏高时,色彩会向蓝色偏移,而产生色飘,形成一定的光污染。必须采用在降低光效、降低整体热阻的情况下,方可实现相对的稳定,但是衰减情况还是不容乐观。

目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉,其最好的发光效率约为35流明/瓦,YAG多为日本日亚公司的进口,价格在2000元/公斤;第二种是日本住友电工亦开发出以ZnSe为材料的白光LED,不过发光效率较差。

核心技术4:LED一次配光学的应用

目前全球LED行业内的主流做法是在封装LED芯片形成光源或光源模组以后,在做成灯具的时候再进行配光,这样采用的是原有传统光源的做法,因为传统光源是360°发光。如果要把光导到应用端,目前飞利浦的传统灯具做到最好的一款,光损失也达到40%。而我们国内众多的LED下游厂家应用的灯具光学参数其实都是芯片或者光源的光学参数,而不是整体灯具的的光学指标参数。

现在最先进的科学方法是在芯片封装上就做配光,一次把芯片的光导出来,维持最大的光输出,这样光损率只有5%-10%。随着技术的不断改进,光损率将会越来越低,光源的光效会越来越高。同样配有这样的光源灯具无需再做配光,相对的灯具效率将会大大提高,使之更为广泛地使用到功能性照明之中,形成相当规模的市场渠道。

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