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照明学科全貌探析:LED与照明未来

发布时间:2014.07.24    来源:未知    查看次数:

照明学科全貌探析:LED与照明未来

——首席科学家刘木清独家解读《照明科学与技术学科发展报告2012~2013》

作者手札:2014中国科协学术建设发布会公布了30卷系列学科发展报告及1卷学科发展报告综合卷,展示了当前各学科及其研究领域的发展状况与成果。《照明科学与技术学科发展报告2012~2013》作为照明学科的研究成果汇报,是中国照明学会组织成立的专家编写组近百名专家学者的心血结晶。作为此次组织编写的主要负责人,我谨借此机会向中国照明学会及参与编写的同仁们致谢——编写工作的顺利完成,得益于学会的高度重视,得益于大家严谨的科学态度和甘于奉献的敬业精神。

此次受邀于中国照明网对《报告》进行解读,共分3个部分进行:导论、LED技术综述、7个专题报告解析,旨在探析照明学科全貌,与大家分享学科当下的研究成果,并为促进行业发展尽一份绵薄之力。

一、照明的词义

人类的生活离不开光,光照射物体,使人类通过眼睛的感光细胞以感知世界,这就是照明的概念。照明的物质基础是光源,人类每天近一半的时间生活在太阳光下,这是自然光源,但茫茫的深夜,人类需要人造光源进行照明。人造光源经历了从燃烧木头、油脂、煤气而产生光的漫长阶段,到1879年爱迪生发明白炽灯,人造光源从此进入电光源时代,实现了质的飞跃。

现有的电光源包括以白炽灯、卤钨灯为代表的热辐射光源以及与荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯等为代表的气体放电光源。以LEDOLED为代表的固态照明是近年来照明学科快速发展的技术,这也是本报告的主要内容。

照明的对应英文词为illumination,其词根为lum,光的意思。但illumination常指视觉照明,即前文所说的光照射物体,通过人眼的感光细胞感知世界。这里的光指380nm780nm的范围,因为在此范围外人眼是无法感知的。

广义的照明概念与英文的lighting对应,在这里人眼不是唯一的光感受对象。如,太阳的照射既使人眼感知世界,也照射万物使其生长。近年来LED等人造光源也被用于植物生产的补光、将光照用于医学治疗等,在这些应用中,光的目的都不是illumination的概念,但仍然是lighting的概念。

照明学科除照明本身的科学与技术问题外,也包括照明的物质基础即光源。

二、本学科报告主要关注LED照明技术的理由

作为照明物质基础的光源,主要有荧光灯、白炽灯、金卤灯、高压钠灯、卤钨灯及LED等。在原理上可大类分为热辐射光源、低气压放电光源、高强度放电光源及固态照明光源四类。

第一类,热辐射光源。其光效及寿命都大大低于其他光源,但这类光源由于其光谱为普朗克光谱,具有在可见光范围内的全部连续光谱成分,因而光色柔和,因此仍然在一些场合有一定的应用。在发光效率上,尽管近年来有研究采用红外反射膜的方法实现光谱中红外成分的一定程度的再利用,效率虽然也有一定程度的提高,但总体来讲仍然不高,且进一步提高的空间有限。因此,作为一个整体的光源类,在注重节能减排的时代背景下,热辐射光源在全世界范围内正被逐步淘汰。

第二类,低气压放电光源。主要是低气压荧光灯类光源,包括节能灯、管型荧光灯及冷阴极荧光灯等。这类光源与白炽灯相比优势明显,包括光效与寿命。但是光效与寿命都比LED差,且这类光源的机理决定了他们的发光效率很难超过LED,而寿命也受荧光粉等材料的限制不可能有很大的提高。另一方面,汞是这类光源必不可少的用材,而汞是污染环境的。因此,近年来这类光源在研究与产业化方面的工作主要集中于如下三个方面:(1)低汞荧光灯,即减少单位功率所需的汞含量,并获得一定的进展,但彻底摆脱汞材料在理论是不可能的;(2)通过改善工艺,提高光源的寿命,这方面的工作有一定的进展,有国外报道荧光灯寿命最长的有3万小时以上;(3)影响荧光灯类光源光效的理论瓶颈是253.7nm的紫外线光子二次激发可见光光子有55%左右的stokes损失,因此,所谓的“双光子”技术一直是一个梦寐以求的技术线路,即希望一个紫外线光子打出二个可见光光子。但是,该技术路线理论与实际都没有大的进展。因此,目前在与LED的竞争中,冷阴极荧光灯已经接近被淘汰,而节能灯、日光灯,也包括作为荧光灯的一个变种的无极荧光灯等都受到LED的强有力挑战。

第三类,高强度放电灯(HID)HID实际上是很多种光源的统称。陶瓷金卤灯是其中的优秀代表,具有较高的光效与很好的显色性。与LED相比,在大功率灯具上,具有较大的价格优势,这主要是因为LED价格几乎与功率成正比,而HID光源价格对功率是很不敏感的。但是,这类光源与LED相比,光效低,且发展空间有限,同时寿命与光谱灵活性是没法与LED相比的。因此,目前的研究主要集中于提高光效、提高寿命、通过改变灯泡内部的发光材料以获得不同光谱及改变激发源以获得更佳的灯泡性能,但总体进展缓慢。

第四类,固态照明光源,包括LEDOLED。固态照明光源,包括LEDOLED。其基本原理都是通过电注入,把电子和空穴从相反的方向注入到特定发光区域,即发光层,并在发光层复合发光。其中OLED主要用于显示领域,在照明领域也有很大的应用空间。但由于它是面光源,将不适合做定向照明的光源,这点与LED恰恰成为可以互补的两种光源。总体上,相对于LED来说,OLED技术发展相对滞后,因此,本学科发展报告基本不涉及。

LED有很多优点,如寿命长、高光效、环保、低电压等等。但是这些不构成对传统光源的本质优势,比如效率高,其实到现在也高得不多,寿命长也就跟无极荧光灯等差不多。LED的最主要优势是如下三个方面:

(1)体积小

LED发光原理决定了LED可以做得很小,目前0.5mm*0.5mm是很容易做到的。由于体积小,因此,在立体空间这个概念LED有望满足任何要求。几乎可以这样说,在立体空间里,LED是一个基本的元素,用这个元素可以拼凑出任何形状的发光体。也就是说,LED在立体形状上几乎是无限可能的。LED体积小的另一个优势是,由于LED体积小,发光点更小,这在光学设计上几乎可以理解为点光源,而点光源的二次光学设计是很方便的,因此,也就决定了LED几乎可以满足任何的配光要求。

(2)光谱窄

LED发光原理上说,LED本质上是发射单色光谱的,但由于光谱展宽而有一定的宽度,一般为20 nm30nm。且目前已经具备了各种波段的单色LED。由于LED的这种单色性,因此,在光谱这个空间,采用多个LED几乎可以组装出任何需要的光谱形状,且这种组合是没有效率损失的。也就是说,LED在光谱这个一维空间,具备了作为一个基本元素的概念,以无限的可能实现各种需求。交通信号灯、RGB方式的背光源是典型的应用。

(3)LED开关时间短

LED的开关时间都是ns的数量级,几乎可以认为是0。因此,这相当于在时间这个空间,LED具备了作为照明的基本元素的功能,也就是说,在时间刻度上,LED是任意的。

小体积、窄光谱、开关时间短这三点,造就了LED在尺度空间、光谱空间、时间空间这三个空间,LED就像“原子”一样,可以去构成各种各样的灯具。就是LED在这三个空间的无限灵活性,造成了LED无限的应用可能,这是传统光源没有的。但是,这种可能性要变为现实的应用需要具备多个条件:如光效足够高及价格合理等。实际上,近来LED的发展已经足够证明LED的这种潜力。这也是本学科发展报告主要关注LED照明技术的主要原因。

三、本次学科发展报告的主要架构

作为一本较全面的照明学科发展报告,我们力求比较客观、准确地反映当前照明技术的发展状况。全文的综合报告部分试图对目前LED照明技术有一个比较全局性的阐述,包括当前LED照明技术的发展现状,国内外比较以及发展趋势。同时报告另分7个专题,对相关方向进行专题阐述。这7个专题包括:

(1)半导体照明材料与芯片的发展研究;

(2)半导体照明封装发展研究;

(3)半导体照明系统技术的发展研究;

(4)半导体照明视觉应用发展研究;

(5)半导体照明非视觉应用发展研究;

(6)半导体照明的计量与测试技术发展研究;

(7)半导体照明标准发展研究。

7个专题基本上按照LED的产业链进行安排。其中第一个专题阐述与LED相关的材料与芯片的内容,属于LED的上游产业链;第二个专题阐述LED器件的封装,属于LED的产业链的中游,之后的几个专题都属于产业链的下端;第三专题阐述LED形成应用系统及其关键的几个技术,包括光学、散热、电学驱动与控制技术;第四、五专题阐述LED器件的应用,分别是第四专题的LED用于视觉应用,包括LED用于显示与各种视觉照明应用及第五专题的LED用于非视觉领域包括农业、医疗、通信等领域的应用。特别一提的是,本次特别将LED的应用分为两个专题进行阐述,因为编写组认为LED的非视觉应用将为LED的前景开辟广阔的空间,是很有潜力的方法。第六、七专题分别阐述LED相关的测试技术与标准,主要是因应LED与传统光源的差别带来的测试与评价技术的发展。

 

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