- LED照明技術問題
- LED照明企業發展問題
- 制造出具有高顯色性、高發光效能的白光LED
- 大功率LED發熱問題
- LED的投光和二次配光設計問題
- LED燈具的緊湊型模塊化電源設計
LED是LightEmittingDiode的縮寫,又稱發光二極管,是一種半導體固體發光器件。其發光原理是利用固體半導體芯片作為發光材料,當兩端加上正向電壓,半導體材料的PN結中注入的少數載流子與多數載流子復合時引起光子發射而產生光,把電能直接轉換為光能。傳統的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、側發光LED等。
LED光源生產過程和成品幾乎對環境無污染,而且具有耗能低、壽命長、抗震、環保,可重復啟閉、多變幻等等優點,這些都成為發展和推廣LED照明的重要理由。隨著半導體照明(LED)技術及高效節能技術的不斷創新與突破,我們已經迎來照明產業第三次革命。目前我國LED產業正進入自主創新、實現跨越式發展的重大歷史機遇期。現針對LED照明發展面臨的幾個問題和大家一起探討。
LED照明技術問題
半導體照明產業領域有三個主要環節：發光外延片的生產、芯片和封裝。目前國內,LED照明在中低端應用領域有一定基礎,但是關鍵環節如高質量外延片、芯片與世界一流水平仍有較大的差距,已經成為中國LED產業發展的主要制約環節。
目前制約LED在照明領域廣泛使用的技術問題主要有：
1.如何能制造出具有高顯色性、高發光效能的白光LED,是LED能夠在一般照明中廣泛使用的一個前提。對于白光LED而言,發光效能、顯色性以及成本都決定著它在照明市場中的競爭力。當前制造白光LED的方法可以分為三種,光轉換型：單芯片加熒光粉合成白光技術,是現在使用最廣泛的方法,但存在能量損失和光效率不高現象；多色組合型：紅、綠、藍(RGB)多芯片組合白光技術,由于發光全部來自LED,不需要進行光譜轉換,能量損失較小,效率最高,但供電系統和安裝結構較復雜,顏色空間分布不均勻,成本較高；多量子阱型(MOCVA)：即在芯片發光層的生長過程中摻雜不同雜質生長出能產生互補色的多量子阱,通過不同量子阱發出的多種光子復合發射白光。
該方法技術要求很高,目前還難已達到產業化。幾種技術相比而言,RGB型LED雖具有發光效能高、顯色性好等優點,但是三種芯片性能的不同,使得它們因驅動電流或溫度等因素的影響而發生色漂移,影響照明穩定性。另外在LED的封裝處理過程中要盡量減少光線在LED內部全反射,增加襯底基板反射率,從而使盡量多的光線能夠透射出來,以達到提高LED的外部量子效率,增加LED的發光效能的目的。隨著芯片和封裝技術含量的不斷提高,LED的光效已經從以往的30Lm/W提升到目前接近80Lm/W,而且還在不斷提高,這為LED照明應用推廣打下了有力基礎。
2、大功率LED發熱問題已經成為制約LED照明發展的瓶頸。LED光源的長壽命是基于其溫度控制基礎上的,PN結溫度升高會造成器件性能變化和衰減,這也是為何單顆LED尚無法提供大亮度做主照明光源的原因之一。大功率型LED器件獲得高通量最大障礙依舊是芯片的取光方式和高出光效率封裝結構的設計。這些都需要研究單位和生產廠家靠規模生產來降低成本和技術創新來解決。針對LED光源在照明中的散熱方法,有人建議采用儀表風扇及散熱器進行散熱,雖然簡單易行,但該方法由于增加了散熱附件,將給LED燈具IP防護等級的設計制作帶來更高要求,而且由于風扇、散熱器等的使用壽命不及LED光源使用壽命,必定增加不少維護量。
同時由于我們的照明燈具使用場所可能揚塵有時會很大,散熱器件使用一段時間后會由于灰塵的干擾而大大影響散熱效果。較實用的LED散熱方法是將LED的銅基直接固定在一體化的燈具外殼上,通過燈殼直接充當大面積的散熱器,把熱量散發出來。當然芯片制造和器件封裝是解決LED發熱的根本。LED芯片的內部量子效率的高低直接影響其發光效能,非輻射復合率則決定著芯片產熱的大小。可以說只有制造出具有良好質量的LED芯片,才可能有性能優越的LED光源。
3.LED的投光和二次配光設計問題。傳統LED光源發光角小,點面積亮度高,光的散射具有極強的方向性,從而使光源形成光點,而光均勻度不好,束縛了其在照明燈具領域的應用。在普通照明時,為滿足相應場合的照明要求,通常需要將數十個乃至上百個LED集成組合(矩陣),為此需要照明燈具經過二次光學設計以達到理想的光強分布和照明效果。LED燈具應盡可能利用LED的定向發射光的特性,使照明燈具中的各個LED分別直接把光線射向需要照明的區域,再利用燈具的反射器輔助配光,從而實現照明的科學綜合配光。
另外我們還可以通過將傳統的圓頭外形LED光源改成平頭外形的新型LED運用在照明中,由于平頭LED發光角度遠遠大于普通圓頭LED,光效將得到加強,光源在單位面積的均勻度也有很大提高。通過在超高亮白光LED使用上采取平頭和圓頭LED合理比例搭配,經十字形和矩形組合,我們可以充分發揮平頭LED發光角度大、光均勻度好,圓頭LED點面積亮度高的優點,發揮最大的光效。
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4.LED燈具的緊湊型模塊化電源設計。LED供電區別于傳統光源,使用的是低壓直流電。高效、匹配的AC—DC轉換電路是保證LED理論壽命的前提,電源及驅動電路的轉換率是影響LED照明效率的一個重要因素,一個低效率的供電系統將使LED的節能水平大打折扣。我們要繼續努力提高電光源技術與微電子技術的結合程度,使得LED照明控制方式的一致性、模塊可靠性逐步提高。
二、LED照明企業發展問題
目前我國已經形成上海、大連、南昌、廈門和深圳五個LED產業化基地。通過2003年“國家半導體照明工程”的啟動和“863”計劃的實施,中國高亮度LED產業進入加速發展階段,并初步形成了外延片生產、芯片制造、器件封裝集成應用的產業鏈完整、產品齊全的LED生產廠商。我國已經成為世界上最大的半導體照明電器生產國和出口大國之一。但肯定成績的同時,我們應該看到在國際市場上我們的產業規模和市場份額還不高,高新產品的研發能力還有待進一步提高,培養具有自主產權的LED照明產品和企業成為當務之急。
隨著全球經濟一體化趨勢的日漸明顯,源于2008年美國的金融危機已經對中國經濟的發展影響性日益明顯。金融危機在給世界經濟帶來巨大災害的同時,也給中國這樣的在全球產業鏈的“微笑曲線”中處于底端位置的發展中國家,提供了一個發展機會。能源危機、全球環境惡化,全球金融危機的蔓延對于我國LED照明事業發展充滿挑戰和機遇！
1、LED照明企業要以技術革新為核心,通過企業戰略決策、系統控制、市場營銷、組織管理以及企業文化的相互整合,促進獲得長期競爭優勢的能力。我們要注重自主品牌培育,在技術應用上不斷創新,從LED材料、設備和封裝上實現真正的突破,從而成為擁有強大的設計、生產能力企業。如2004年某企業收購美國AXT公司的光電事業部獲得了MOCVD設備和專利技術,他們不斷開拓創新,已經形成了芯片研發、封裝、應用生產的產業鏈。
生產的LED被德國世界杯賽場選用,并擁有中國自主知識產權的“幔態LED”更是在北京奧運場館“水立方”中成功應用并在研發、制造、安裝中創造了多項世界第一,成為民族光電產業的代表和驕傲。其核心競爭力是建立在市場競爭優勢基礎上的使企業長期可持續發展的能力,具有獨特性和不可模仿性,這也是LED企業的生命線。
2.LED照明企業經營好人才才是最終的贏家。注重管理和專業技術人才的培養和任用是改造和升華LED產業,使之走向效益良性循環的關鍵措施。在市場全球化趨勢下,一些非關鍵技術產品可以買到,但基礎和能力是買不到的,它需要精心構造和持續積累。如某一企業從海外引進多名從事GaN材料、LED器件和MOCVD設備方面的研發人才,大膽提拔采用一批精通管理、善于利用信息資源的高素質管理人員,結合自身在半導體芯片制造業的豐富經驗,瞄準中高端LED應用市場,不懈地追求有自主知識產權、有市場競爭力的新產品的開發,在LED芯片制造業里取得了成功。
3、LED照明企業成長除了人力資源外,如何獲得資本資源也十分重要。企業僅憑一己之力,通過銀行抵押貸款,以及借貸在現在的經濟背景下很難闖出更加廣闊的天地,需要進一步改良融資渠道。又如國內最早從事LED外延片和芯片的制造的某企業,通過借殼上市,獲得了持續經營的資產和盈利能力,這也是企業做大做強的必然選擇。特別是當前金融海嘯背景下,更具有現實意義。
4、LED照明企業通過強強合作,以強帶弱,實現發展共贏。目前國內LED生產廠家越來越多,中檔位的產品占近50%的市場,40%左右的高檔位市場仍為外商企業所占據。LED的市場前景非常可觀,這給國內配套材料的生產廠家提供了發展的機遇,如芯片、環氧樹脂封裝料、模條(模粒)、支架等等。企業之間、上下游產業鏈之間也要學會互救,防止引發難以收拾的“多米諾骨牌”現象,其實救了別人,也就是救了自己、救了大家。
利用企業間已存的信賴關系,使上下游企業組成利益共同體抱團御寒非常有效。如多家國際著名的風險投資基金共同投資,專門從事硅襯底氮化鎵基LED外延材料與芯片生產的高科技企業強強聯手占領了半導體發光材料的高端市場,并迅速將這種優勢擴大到了下游產業。創業投資與創業團隊的合作模式使得“硅襯底發光二極管材料與器件”成果已進入產業化實施階段。
5、美國此次由“次貸”所引發的金融危機,對位于國際產業鏈底端的中國制造業而言,還提供了一個千載難逢的機會：大批的擁有技術和研發能力的國外企業、擁有市場渠道和品牌的優秀企業深受危機之害,由于現金流斷裂而落入泥澤,成為待救的對象。如果中國企業能抓住此刻的機會,出海并購,將會以較低的代價,以較小的阻力完成并購,從而完成自身向產業鏈高端的前進。特別是今年1月14日,美國商務部宣布給美國對華高科技出口松綁,將以往對華高科技出口的逐個審查,調整為向中國民用企業發放執照。
這給我們很多有實力的LED照明企業走出國門,駛向海外的愿望得以實現提供了機會。從而我們可以獲得想要的技術和管理要素,取得戰略性資產,讓我們民族的LED照明在世界上獲得技術、品牌的渠道,體現我們LED照明企業真正的競爭力所在,徹底打破目前我國LED照明局限于“生產制造”的瓶頸。
LED以其巨大的節能潛力以及良好的照明性能為我們打開了一個全新的技術領域,而全球特別是我國對照明節能的重視更為LED照明事業發展又提供了前所未有的機遇。半導體照明產業不僅解決了人類照明需要和能源供給之間的矛盾,同時半導體照明由于沒有污染,還解決了照明的環境污染問題。因此發展半導體照明關系到每個國家和全人類的長期可持續發展。只要我們能看清自己的缺點,勇于發揮自己的優勢,解決自身問題,看清發展方向,我們的LED照明事業必定“化蛹為蝶”,絢爛無比!
