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
文章来源:恒光电器
发布时间:2014-06-30
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LED照明在技术层面上也拉开了第二幕。这是因为有多项基本构成已完全不同，而非传统技术改良版的技术在强势崛起。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大多基于日亚化学工业1996年推出的技术。基本是结合使用在蓝宝石基板上生成GaN晶体制作的蓝色LED与黄色发光荧光材料YAG*来形成白光。
*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。
这种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。但由于技术成熟度高，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，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）进一步提高发光效率；（2）大幅削减制造成本；（3）实现高亮度；（4）显色指数的提高及LED特有的眩光降低等需求。而以往的白色LED技术已经无法充分满足这些需求，ROSH认证，车间照明，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
打破LED照明市场增长停滞局面的4个技术方向。发光效率、价格、亮度和显色指数等一般呈此消彼长的关系，很难同时提高（a）。今后LED的发展趋势将是，根据要求大幅改变技术，从而至少大幅提高其中一方面的性能。
竭尽努力确保性能
此前，LED筒灯，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， LED置换工程，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，装修照明，发光效率与亮度是彼此矛盾的关系。
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，家用照明，性能并不稳定。为了从这些性能高低不均的产品中，LED灯管，得到发光效率比标准品高的芯片，车间照明，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，户外照明，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。
眩光和显色指数低也是课题
以往的高效率直管型LED灯为各芯片加载小电流还有其他原因。即如果为芯片加载大电流，各芯片的亮度会变得非常高，装修照明，眩光比较严重。会导致亮度不均，车间照明，LED筒灯，灯具十分晃眼。这样就无法取代以面状均匀发光的荧光灯。另外，现有白色LED还存在一个课题，照明产品，即如果优先确保发光效率，显色指数会降低。
旨在取代汞灯等大光通量灯具的COB（Chip On Board）也与直管型LED灯一样，采取大量排列LED芯片，以较低的电流密度驱动的战略。这是为了兼顾大光通量和高发光效率，照明资质，并抑制眩光。不过，排列大量芯片的话，COB的面积必然会增大。这样就难以用于汽车前灯和房间的吊灯等想在有限的面积内确保大光通量（即高亮度），而且想实现高发光效率的用途。
根据需要的性能选择技术
上面介绍的这些方法很难满足想在灯泡和荧光灯以外的用途广泛使用LED的市场要求。因此，LED照明的用途开拓一直未取得进展。在这种情况下，通过引进基本构造不同于以往白色LED的技术，照明方案，来解决上述课题的行动日益加速（图1）。上述（1）～（4）的需求可根据需要确保的性能来采取完全不同的技术。
关于（1）发光效率，美国科锐公司等的研发品实现了303lm/W、量产品实现了208lm/W的高数值（图3）。该公司的LED是在碳化硅（SiC）基板上生长GaN晶体制造的。最初的构造就不同于日亚化学工业的白色LED技术。
图3：在电流密度上没有差别
（a）为科锐公司的研究开发和量产化成果。（b）为科锐与日亚化学工业的开发品的电流密度和发光效率的关系。（b）的电流密度值全部是《日经电子》推测的。
这种差别在量产阶段体现得比研究开发阶段更明显。以电流密度来比较科锐和日亚化学工业的LED发光效率，除了303lm/W产品以外，日亚化学工业的优势更明显（图3（b））。但科锐投放量产品的时间比日亚化学工业等其他竞争公司早1～2年。
