1、大功率白光道路照明探討I概述的開發迄今已有近 30 年歷史，取得長足進展，白光的提出歷十余年磨練，發展 迅速。在能源短缺、污染嚴重的時代應運而生、倍受重視。為緩解能源緊張、上世紀 90 年代中葉， 日本政府率先、 繼則美國政府從財政上支持本國技術界和工業界推動固 態照明的開發。我國政府 （以科技部為首、包括能源部、經貿委、信息產業部等，以與 各地方政府 ）也大力支持和資助的研發， 并成立了國家半導體產業聯盟推進中國的固態 照明 （中國稱之為半導體照明 ）計劃，并預期 2010 年白光的光效可提高到 100 ，并可 用以大量替代光效約 90 的熒光燈廣泛用于普通照明領域， 1 2 。在這樣的形勢

2、下我國的大量企業、投資者、研究人員和技術人員紛紛介入，大規 模投資開拓的研發和生產，迄今估計總共已投入人民幣數十億元，在不到十年的時間 中取得了突出的成績，形成了規模龐大的產業鏈。全世界對特別是白光如此的重視有其內在原因，當前巨量的能源消耗和由此引起 的能源短缺、價格上漲、特別所造成環境已使得能源節約成為一項十分迫切的任務。 各國消耗的能源中很大一部分用于照明。我國以與發達國家照明用電約占發電總量的 1213% ，這是一項十分可觀的能源損耗。而目前全世界使用的光源仍以效率不高的 白熾燈類光源為主，從中挖潛是大有可為的。領域集中了眾多優秀人才，取得了輝煌成績，一些研究部門宣布他們研發的在某 些條

3、件下達到了 120 甚至 150 的光效。因而大部分企業也紛紛宣稱自己的產品的光效 已達到 70 、90 或更高，由于的光輻射是定向的，其光利用率比輻射輸出各向均勻的 普通光源僅靠燈具的定向反射采光的效率要高，因此認定是當前最佳功能照明光源， 并大力向各個照明領域推廣， 數年前已有人宣稱 2010 年將會大量取代緊湊型熒光燈、 大規模進入家庭照明、并斷言白光是當前最好的道路照明光源。毋庸置疑的是經過 20 多年的發展，在顯示領域已取得了完全成功、并已成為無 與論比、不可替代的顯示器件。在裝飾照明方面也充分顯示其特色、取得半壁江山， 2008 奧運會開幕式上的出色表現更震撼世界。但是不能不正視的

4、事實是在功能照明 方面白光仍然存在較大的局限性。中國已經是世界上最大的的生產基地和消費市場， 的應用領域廣闊，但由于目前的技術水平和實際性能的限制，將此種器件用于功能照 明并非用其所長的。所謂大功率，目前市場上能找到最大功率器件也不過 3W ，即使 是研發中的 10W 器件能大規模生產，但對于常規照明特別是道路照明中使用的數百 瓦的光源而言其單粒功率失之過小。采用白光設計一項照明工程其用量必定很大，無 論是設計難度或是成本都將是得不償失的。n的光效對的普遍的評價是高光效和長壽命，很多廠家宣稱其產品光效高達 90 或更高， 但這些數據只是某些實驗室在測試初始階段當仍處于冷態時測得的最高數據。所謂

5、5萬小時或 10 萬小時壽命只是早期對小功率單色的估算結果。從的發光機理可以估算其理論光效。如所周知是利用載流子復合而發光的，載流 子復合時其勢能全部轉化為光能，單就這一過程而言其內量子效率為100% 。但是載流子在介質中與晶格碰撞而損失的能量、復合時載流子所攜帶的動能、以與為克服外 電路電阻而消耗的電能均不可能轉化為光能。考慮到各種附加能耗、載流子復合的實 際內量子效率不會超過 90%載流子復合時產生的光子有 50%的幾率為外向輻射，這 50%的光子中一部分與 晶格碰撞并為晶格吸收轉化為熱能。部分光子傳輸時在不同介質交界面處會反射回原 介質并被吸收，此外作為輸出窗的外電極的金屬網膜或透明導電

6、膜也將使部分光子反 射并被吸收，這些過程都會降低的量子提取率，設這部分光子的量子提取率為80%載流子復合時產生的光子中有 50%的幾率為內向輻射，這部分光子在到達兼作反 射鏡的底層導電膜時將部分反射轉化為外向輸出光，然而此部分光子在向內或向外傳 輸過程中將與晶格碰撞并被部分吸收，而在經過不同介質交界面時也將部分反射或折 射回原介質最終被吸收。基底反射鏡的反射效率和上述過程的限制而使得內向輻射的 光子轉化為輸出光的量子提取率不會超過40% o根據以上分析可以估算出總的電光轉換效率約為54%，這是非常理想的情況下的估計結果。制造工藝中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均將造成其能量轉換效率的下 降。與可

7、見光轉換效率不足 5%的白熾燈相比，甚至與當前轉換效率最高的高壓鈉燈、 陶瓷金鹵燈相比（電光轉換效率約為30%）也是非常高的，這正是有十分誘人前景的原因所在如所周知， 將 1W 能量全部轉化為 555 波長的黃光時產生的光通量可達 683（683 即光功當量 ），若全部轉換為白光則約為 360 。如本文前面的估計，在十分理想情況下 發 555 黃光的最高可能達到約 300 的最高光效， 目前上述估計還遠未實現。 目前所報 導的的最高光效實際只達到這一理想值的一半，而實際上還不足其 1/4 ，這也正是人 們論為尚有巨大潛力可挖、對之寄以厚望的原因所在。提高發光效率的關鍵在于提高量子提取率，亦即盡

8、可能減少光子的內部吸收，這 就是向超薄型發展的原因。目前最高光效的超薄型（厚度數十納米 ） 、其下導電膜采用了高反光鏡膜、并將輸出窗內表面制成粗糙構造、以減少光子的內向反射，然而即使 如此目前報導的最高光效不過 150 。 3以上分析的是對單色光的進行的， 將單色光轉化為白光還須再經過一次量子轉換， 目前大都采用發射光譜的中心波長約 470 的藍光來激發輻射光譜中心波長為 560 的寬 帶黃光熒光粉，從而制成藍黃光混合的白光，但是這將使的光效近一步降低。其光子 效率可以估算如下：如果保留輻射中的約 20% 藍光輸出，用剩余的 80%的藍光激發黃光熒光粉，在 最佳情況下這 80%的藍光中約有 2

9、0% 以上的光子將為熒光粉吸收，其余 80% 下轉移 為以 560 為中心波長的寬帶黃光輻射， 這一過程平均產生 16.1% 的量子能量損失。 結 合前面的數據可以估計白光的總能效不會超過 40% ，換算為白光時白光的總光效最多 不過 150 。如果沒有其他突破，這是當前白光可能達到最高光效，這一光效與當前最 高光效的光源如燈中的高壓鈉燈或陶瓷金鹵燈相比還高一些。但是目前實際達到的光 效尚未與此一半。我們曾對此進行了實驗研究，我們利用某公司生產的 1W 高亮度藍光，其光譜的 中心輻射波長為 470 見 .3，去除外封裝后分別涂敷不同厚度的輻射的中心波長為560 的黃光熒光粉涂層，經處理后測量其

10、發射光譜。從二十余種不同厚度的樣品中選擇了 四種典型情況，其結果見 .4 a 與附表。最佳情況下 (.4 c) 的光通輸出為 38( 初始冷態約 50) ，顯色指數為 78。某著名跨國公司技術人員介紹他們的 1W 白光的初始光效達到了 70 ，正常運轉時 因結溫度上升，光效降為 50 。1c6421U 111111V111350 400450 500 550 GOO G50 700 750800Fig. 2L11(2CI AjKO 4004S0 WO !A0 GOO CSO TOD 0900MO 4004» !M» 550 600 KO 700750 MOa2.4丄3M 4

11、00 4M 500 MO 600 6S0 700750800350 WO 450 MO S5O 6<X> G50700750 WOAcdFigW相應圖直JFig.4Fig*Fig.4ceFig.4卩 d。熒光粉層厚（T很薄卩薄v中厚屮色溫（K>30000“1461375*3666- 相對光通童J0.120.251Q0.12 顯色指數®）"48u<2007年日本材料科學研究所納米陶瓷中心得到的結果是最高的3，他們采用中心波長為450的藍光和光子轉換效率高、在450藍光范圍有強吸收峰、溫度系數低的三種熒光粉進行了試驗，這三種熒光粉分別為：a: 2+、a：

12、 2+和25 N8： 2+。這些熒光粉的特點是發光效率的熱衰減較小，在150 C時仍保持初始值的85% o這三種熒光粉的發射光譜示如.5 o1 - a-siakm:Yb2 - ii-sialart Eu"'3 - Sr Si N ;Eu?+7 Ch 8-4M 500 550 600 650 700 750 COOJSO 販 55060G'f-50 m 門0波 K；(nin)$ 7 昭 5U1.3 2 1 & 000 & OOO aooooooa 亠 EE5E 一0 Q25Q 0T50 0109QQ5OQOCiL<niTilFig上0側以藍光和1號

13、熒光粉制成的白光的發射光譜示如.6，其光效為55，色溫4500K這是本人所知道白光的最高光效報導 （據測試國內1W白光的光通量大多在40以下）。 采用2號和3號混合熒光粉試制的白光的發射光譜示如 .7,其顯色指數提高到82，色 溫4200K，但光效確降低到20 o如前所述，的發光是由 n型半導體中的負載流子（電子）在外電勢作用下克服阻擋 層電勢進入p型半導體并為空穴俘獲產生復合發光的。通常半導體的溫度系數較大， 隨溫度上升其電阻率下降，阻擋層電勢也將降底，與此同時其輻射的中心波長將向長 波方向漂移（紅移）而使熒光粉的發光效率下降。目前白光運轉時最多 20%的能量以光子形式輻射，其余80%的能量

14、均轉化為熱能使芯片和熒光粉涂層加熱。對于小功率，80%的輸入功率的加熱作用不會使芯片溫 度上升太多，對的光效、壽命和運轉狀態影響不大。但是0.5W或更大功率的白光，其功耗的80%以上集中發生在非常小的結區，必將使芯片和熒光粉涂層大幅升溫，這不僅影響光效，而且會造成快速光衰并使壽命縮短。5萬或10小時的長壽命判斷是在發展初期對小功率單色估算的，對于大功率，特 別是白光，由于芯片和熒光粉長期在高溫下烘烤，必將使壽命大幅下降。這就是設計 不良的照明工程在運轉 34 個月后急劇的光衰使設計者不得不常常更換光源的原因。川和道路照明由于對白光的巨大投資和過分的宣傳，至使這一領域的部分人員對白光寄以過高 期

15、望，急于將白光推向常規功能照明，很多這一領域的人員并將之直接推廣到道路照 明方面，數年來全國完成的道路照明和光伏道路照明樣板工程不下數十處（作者考察過多條采用作光源的道路照明工程 ）已經取得了足夠多的經驗和教訓有待總結。 本人認為 這一試驗應當暫時放緩，待條件成熟后再重新啟動。目前我國和發達國家的道路照明的主要光源仍然是高壓鈉燈、少數用金屬鹵化物 燈，前者光效為 100120 ，但顯色指數僅為 20 或更低，后者的光效 80100 ，顯色 指數 80 左右，考慮到電器配件的能耗，采用此類光源實際的系統光效在 7590 之間。 由于道路照明所用燈具的光反射率不高，通常均在 60% 以下。采用此類

16、燈具時有約 40% 光直射地面， 其余 60% 的光則需經燈具反射后射向地面。 粗略估算去除各種損耗 后常規道路照明的總光利用率不超過 76% ，由此估計最終的光效約為 6070 。此外由 于燈具設計的不合理以與高壓鈉燈特殊的細長柱狀發光體而造成光分布不均勻，為使 道路中線和二燈之間的暗區達到照明標準，設計時不得不采用更大功率、更高光通量 的光源以滿足暗區的照度要求，從而更造成了電能的浪費。基于上述情況道路照明設計者認為利用的定向輻射性能進行道路照明設計、可以 大幅減少能量的浪費，他們認為白光比高壓鈉燈更節能。他們設計了若干利用大功率 （1W 、 3W） 白光的道路照明方案，并做成樣板工程。但

17、是這些樣板工程大都并未經過 仔細測試和認證。其中一種照明設計方案是將 120只1W白光矩陣式分布在200 X250的矩形平面電路板上，板后為接線，然后整體安裝在常規路燈燈具中。這種設計是極不科學的，該方案選用的單只發光量不超過40，估以 40 論之，考慮到配套電器損耗(10%) 以與 90% 的光利用率，其實際系統光利用率不足 32 ， 120 只 的總有效光通量 約 4300 。假如的光發射角為 120 °，按這一設計 4300 的光將以 120 °的發射角射向下 方。可以想象這樣的設計將使地面光分布極不均勻，街心與燈桿之間完全黑暗。加以 這些設施中并未考慮對基片采取有效

18、降溫措施， 如此多的集中在如此小的空間， 80 多 瓦的功耗持續積累將使芯片溫度過高，阻擋層壓降下降，所發藍光向長波方向漂移， 這必然造成其光效的嚴重下降。考察了北京郊區某光伏照明樣板路(光源總功率為105W) 燈下照度只有 3.5 ，據云此前二個半月、該工程剛完工時燈下照度為 7 。而 燈下直徑 15 米以外的地方則根本沒有任何照明效果。在江蘇、浙江、山東、廣東不 乏此類工程樣板，例如廣東順德某處和深圳某處的道路照明示范街不僅燈光昏暗，而 且每隔 35 個月必需更換光源。道路照明試驗必須在專家指導下、經過嚴格認證和設計后才能施行。 廣東某些專門從事道路照明工程的企業從中接取了教訓，他們采取的

19、措施是使 1W 工作在 0.50.6W 狀態，或是將 3W 設計為 1W 使用，這樣雖然成本很高、光 效很低，照明效果不佳，但基本解決了光衰和壽命問題。某跨國公司鑒于中國的白光很熱、 專門為中國研發出了一種用于道路照明的白光， 他們將 1W 前端的封裝材料設計為特定的凸透鏡結構， 據稱采用此種不需二次、 三次 光學設計就可得到均勻的道路照明， 使用方便。該公司宣稱此種的冷態光效為 70 ，正 常使用時則為 50 。浙江某公司設計了用于道路照明的集成式白光，他們將多個藍光芯片組裝在同一 基板上，用一只專門設計的較大凸透鏡作輸出窗、在輸出窗內壁涂敷熒光粉，使所有 芯片共同激發同一熒光粉涂層。 這種

20、組合式的發光特征被改造得與常規球形光源相近， 使用較為方便，但這種結構的基板散熱問題仍然存在。需要注意的是將多個集中在一起進行道路照明設計時、除足夠的光通量和合理的 光學設計以保證合理的光分布外、更為重要的是散熱問題。如前所述，目前的能耗中 約 80% 以上轉化為熱量，而半導體器件是不耐高溫的， 如果不能將所產生的熱量即時 導走則必將引起嚴重后果。用進行的道路照明條件目前尚未成熟，這既有待于光效的提高和功率的加大，更 有待于有效的散熱方案和措施的解決，當然更合理的光學設計也是非常重要的。W美國能源部對商用產品有效性的評估（）在光效和壽命指標方面，目前存在較大的意見分歧，其中一個重要原因是沒有統

21、 一的標準和測試方法，例如照明行業向來以穩定運轉時的光通量輸出和光效作為其產 品參數指標，而業者則普遍以初始（冷態）的最大光通和光效為標準，在顯色指數的測量方法和標準上亦存在不少差異，壽命標準和測量方法也是不同的，相關數據相差甚 遠，評價也大相徑庭。這一問題不僅我國， 在國外也是同樣嚴重的， 美國能源部早已發現， 他們從 2006 年 12 月到 2008 年 9 月共進行了 7 輪市場產品調查，僅在 2008 年就連續分別在 1 月、5 月和 9 月進行了三次抽查， 并于 9 月份公布了 “商用產品有效性的評估和報告” （& ），他們公布的數據和結論是負面的，在所檢測的 24 類產品

22、中只有二類 （下射筒燈）數據與產品說明書吻合，除少數光效達62 外，平均只有 32 ，低的不足 10，遠遠不能達到能源之星的標準。對于宣傳上的混亂和數據的夸大作了十分嚴厲而否定的 結論，其中包括光效、色溫、顏色質量、光分布以與照明系統的功率因數。特別是光 效，他們發現宣傳上往往夸大 23 倍以上，而一般用戶對此并不了解。美國能源部的 一個結論是必須建立統一的標準來規范產品質量和指標，在我國上述問題更為突出而重要V結論是一種優良的有前途的光源，其特定的發光機理賦予它一系列特征和特點。由于 它的發光體小、介質密度大、發光非常集中、亮度很高。即使功率很小、光通量不大 的也能給人眼以清晰、明亮、無誤的光信號，用于指示、顯示時具有無與論比的優越 性，所以在顯示領域其應用已極為廣泛，無所不在。小功率單色還在裝飾照明和藝術 照明方面顯示了