学科发展研究(2012-2013)分述
照明科学与技术
2014年04月02日

  一、引言

  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,用于照明的光源主要有荧光灯、白炽灯、金卤灯、高压钠灯、卤钨灯及发光二极管(Light Emitting Diode,缩写LED)等。LED以外的其它光源均已有数十年的发展历史,并且技术相对成熟,因而目前占据了市场的大多数。但LED以其潜在的节能、易控制等优点受到了全世界的关注。以LED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《2012-2013照明科学与技术学科发展报告》(以下简称《报告》)的主要内容。

  由于LED具有体积小、光谱窄、开关时间短等显著优点,可以在体积、光谱空间自由组合满足许多传统光源无法实现的应用,这也造就了LED无限的应用可能及未来作为主流光源的可能性。本《报告》包括综合报告和专题报告两部分,综合报告阐述了照明学科的内涵、意义,并将LED与传统光源进行对比提出了以LED技术作为立脚点的原因,并综述了半导体照明学科的发展现状、国内外技术进展及发展趋势;专题报告将半导体照明学科按照LED的上中下游产业链,并结合应用、检测标准等,分为半导体照明材料与芯片的发展研究、半导体照明封装发展研究、半导体照明系统技术的发展研究、半导体照明视觉应用发展研究、半导体照明非视觉应用发展研究、半导体照明的计量与测试技术发展研究、半导体照明标准发展研究等七个部分来深入探讨近年来照明学科的发展状况。

  二、本学科近两年最新研究进展

  随着LED材料芯片、工艺的发展,其发光效率也逐年提升。2011年5月,Cree开发的新款LED在350mA(其芯片面积比通常大的多)注入电流下的光通量为231lm,发光效率高达231 lm/W。但是相对于氮化物蓝光LED与磷化物红光LED,绿光波段的发光效率低下,国际上称作“green gap”。MOCVD(Metal-organic Chemical Vapor Deposition ,金属有机化合物化学气相沉淀)是LED外延的最关键设备,目前我国生产型MOCVD设备完全依赖进口。在863计划等的大力支持下,国内多家单位在此领域进行研究,并已经在进行样机的生产试验,如中科院半导体所研制出了一次可以生长48片2英寸LED外延片的MOCVD生产型样机,生长的外延片各项指标均较好,目前正朝产业化发展。芯片的蓝宝石、SiC、Si三种衬底技术路线中,前两者为国外大公司垄断,而我国南昌大学的研究团队在Si衬底上,近年来获得较大的进展,目前已经在6英尺Si衬底上研制成功高效蓝光LED,1W的电功率输出610mW蓝光,封装成白光LED光效达到140lm/W。在封装技术方面,为更好散热,板上封装(Chip on Board COB)被广泛采用。主要是这样做利于与应用技术相结合,并缩短散热路径,降低热阻。为进一步改善封装结构而发展出的远程荧光粉技术具有热稳定性好、光源的表面亮度低而眩光较小等优点。在荧光粉技术上,国内四川新力光源股份有限公司和中国科学院长春应用化学研究所联合研发了寿命可控交流LED稀土发光材料,其发光余辉寿命与交流电频率匹配,这样当LED芯片不发光时发光粉仍然发光。采用这种技术制作的LED可以简化LED驱动电路。

  随着封装和应用系统技术的发展,发光效率不再是是制约其应用的主要因素,目前的发展方向是在尽可能降低成本的同时,提供比传统照明更好的光色品质和舒适度。此外,智能化和功能拓展也是半导体照明的重要发展方向。光学设计、散热技术、驱动及控制技术作为半导体照明系统技术的三个主要方面,在国家与地方项目的支持下进行了深入的研究。特别是在自由曲面光学设计技术方面,国内清华大学、复旦大学、浙江大学等都获得较大进展;其中清华大学建立了基于分离变量和光能守恒映射的三维自由光学曲面构建方法以及基于实际需求的反馈修正方法,实现了LED光线行为的高效均匀调控,在大功率LED灯具设计获得良好的效果。各种散热技术与散热材料也在研发之中,并受到很大重视;而在驱动技术方面,由于其与LED系统的总体寿命关系密切,因此逐步转为重视效率与可靠性等指标。

  LED应用技术包括视觉应用与非视觉应用。在视觉应用领域,LED应用与显示、信号等领域已经具备明显优势,成为市场的主流;而在包括室内、室外等普通照明的应用上都进展较快。复旦大学电光源研究所团队依托上海长江隧道开展LED用于隧道照明的技术研究,提出了一套用于LED隧道灯具性能及其用于隧道照明效果的分析与评估方法。随后,在青岛胶州湾隧道和杭州钱江通道隧道中研究了LED隧道灯的控制技术及节电效果。而在道路照明、室内照明等方面,通过国家科技部、发改委等方面的支持,已经逐步完善了技术研究并获得了一定的市场应用。在非视觉应用领域,半导体照明技术也已在植物生长、家禽养殖、医疗、可见光通信等非视觉应用领域取得了突破。例如,中国农业科学院通过研究探明了植物组培、育苗与叶菜栽培LED光环境优化参数,开发出以红蓝(R/B)为主要成分、光环境智能可调的柔性灯带、灯管、灯板等LED植物光源。而南京农业大学半导体植物照明应用团队从植物生理学和设施高效优质栽培角度研究LED光对植物生长发育的影响,被试植物涉及蔬菜、花卉、中药材及大田作物,在优化植物其他生长环境要素条件下,初步探明了菠菜、小青菜、生菜、番茄、樱桃番茄等蔬菜设施栽培生长健壮及提高品质的光控标准。而复旦大学电光源研究所的研究团队已经在云南等地进行LED用于铁皮石斛的补光大面积试验。针对我国优质鸡种的生态养殖需求,国内浙江大学研究团队等设计了肉鸡养殖白天自然光与夜晚LED光源相结合的节能补光新模式,得到适应于白天高光强自然光的夜用LED光谱,优化了LED光源在夜间的补光照度与时长,形成具有显著节能效果的光环境多因子综合调控工艺。实验室小型试验及现场中试结果表明该工艺显著提高了肉鸡对饲料营养的利用率,促进肉鸡健康生长,提高疫病抵抗力,降低死亡率,经济效益显著提高。在利用半导体照明灯的通信功能方面,半导体所等已研制出了无线总线型的半导体照明智能家居系统,而复旦大学已经成功开发LIFI,即通过一瓦的LED灯可以实现两台电脑的无线上网,网速达150M。

  此外,随着LED技术的不断突破及产业的深入发展,LED照明相关标准的制定、标准体系的建立也进入快速发展阶段。我国在国家相关机构的组织协调下,相续出台了一系列国家、行业和联盟标准。截至2012年底,国标委已发布至少27个适用于LED的照明产品标准,包括LED光源、LED控制装置、LED连接件与LED灯具等标准。工信部、国家半导体照明工程研发及产业联盟以及各省市企业也都制定了LED相关的一系列地方和行业标准,LED照明产品的模组化和通用接口标准化是未来半导体照明标准发展的一个重点,并受到越来越多人的关注。另一方面,行业也越来越注重专利战略,但中国的专利主要集中于LED的中下游,一批专利已经取得了实际的效果。如国家电光源质量监督检验中心(上海)等的发明专利《LED正向电压降和结温曲线的测量装置》中发明的检测方法是采用温度上升时的测量方法,该项专利已被用于美国Labsphere公司的新一代“LED光、色、电及热特性的检测”系统中,该系统不仅具有LED在各不同的结温条件下LED光、色、电参数的检测功能,而且还将具有LED正向电压降与结温的关系曲线标定和LED模块的封装热阻的测量功能。

  三、本学科国内外研究进展比较

  在LED上游产业中,我们与国外发达国家的技术与研究有一定的差距。在外延与芯片的主要技术中,我国与国际上仍有一定距离,尤其在核心专利技术方面受制于国外。国外发达国家的MOCVD研制和应用历史悠久,技术发展相对成熟,制造商主要集中在欧洲、美国和日本。其中,德国AIXTRON、美国VEECO这两家公司占据了国际市场的90%以上,而国内目前生产用MOCVD全部依靠进口。目前,在半导体照明技术上游技术层面,美国Cree公司等是世界领先,2013年2月该公司已经在350mA的注入电流下实现了276 lm/W的实验室芯片效率,其量产瓦级芯片的效率也宣称达到200 lm/W的水平。国内方面,在“国家半导体照明工程”的推动下,经过“十五”、“十一五”十年的发展,半导体照明关键技术成果显著。目前,国内蓝宝石衬底上GaN基LED取得突破性进展。功率型白光LED封装后超过150 lm/W;产业化功率型芯片封装后光效达130 lm/W。国内2英寸硅衬底量产芯片色温为5000K时,350mA下普遍光效超过130 lm/W,6英寸硅衬底芯片研发取得进展,性能和2寸片相当。硅衬底的产业化功率型芯片封装后的蓝光输出光功率达590mW(电流密度35A/cm2)。

  在封装技术方面,国内外仍然有一定的差距。这主要体现在重要的关键专利技术主要掌握在国际大公司手中,高性能关键封装材料还没有完全国产化。在半导体照明应用与系统集成方面,国内外差距不大,但我国的原创性核心专利较少,还有待提高。发达国家在LED测试研究与标准制定等方面投入了大量人力、物力,纷纷建立起自己的LED标准体系。我国在国家相关机构的组织协调下开展了大量的研究工作,也相续出台了一系列国家、行业和联盟标准。但是,在国内标准的制定中存在内容重复矛盾、相同产品重复制定标准等问题。同时,在已制定的标准中,缺乏固态照明产品色度指标和LED产品可靠性的基础标准。经过近几年的发展,我国半导体照明综合标准化技术体系基本完善,虽然行业标准和国家标准的制定工作目前处于起步和发展阶段,但与产业发展的基本需求还是相适应的。

  四、本学科发展趋势和展望

  目前LED半导体照明技术尚未处于成熟阶段,LED技术一直在快速发展。在器件层面,LED的技术进步主要围绕光效的上升与价格的下降。作为外延的关键设备MOCVD短期内将不会有大的变化,主要向增大反应室体积以增大产能发展,温度控制将更加精密,使得外延薄膜材料成分控制更准确。未来蓝宝石图形衬底的发展将向图案尺寸更小的方向发展。绿光LED的技术路线有待创新,或许半极性/非极性LED是一个技术方向。然而,半极性/非极性LED往往需要GaN同质衬底,这在成本上是个极大挑战,且大规模量产GaN单晶衬底困难,因而技术路线有待进一步研究。另外,研究工作和产业发展将还需致力于更合适的衬底技术,如克服ZnO和LiAlO2高温分解的弱点等,使GaN材料与衬底晶格失配更小,极性可以随意调节。如果上述可以达成,GaN基LED将极大扩展应用范围,不再主要局限于蓝绿光波段,将发展到绿光、黄光、红光甚至红外,覆盖整个可见光波段,那时很多现在困扰业界的问题将迎刃而解,比如RGB三色量子阱组合的白光LED芯片技术将大力发展,颜色更加丰富。伴随衬底技术的发展,LED芯片制造技术也将得到重要改进。现今最常见的正装芯片技术是基于蓝宝石衬底不导电而制备的,伴随着其它衬底的应用,垂直芯片结构技术将极大降低成本,芯片制造工艺大为简化,使整个LED上端制造技术的成本极大降低,促进整个产业发展。在具体技术层面,绿光LED光效的大幅提升及解决LED的Droop效应将成为未来最重要的突破。

  而应用层面的发展主要是伴随着LED器件的进步而不断拓展出新的应用。半导体照明灯具的照明效果和品质包括显色性、色品一致性、人眼舒适度等有待进一步提高。同时,LED灯具系统的功能性发展也是重要的发展方向,比如将LED灯具系统与监控、人体健康等结合。此外,用于功能性照明的大功率灯具结构主要的发展方向将以采用类似于高压钠灯的“灯泡+镇流器+灯壳”的模组化形式出现;LED在植物、家禽养殖、医疗、光通信上的应用领域也将逐渐扩大。“智慧照明”是半导体照明应用发展的趋势,以传感器技术、自动控制技术为核心的智能照明系统将具有很大的应用前景。LED的特性决定了可以实现“智能照明”的优势,因为LED易于控制及调光;电子电路可增加内置传感器、根据环境光来调正亮度来省电、无线接口无须改变开关或线缆等多种新功能。在照明节能控制的同时,能较好地保证照明效果的均匀性、延长灯具的使用寿命和节约能源。在节能减排的大背景下,“智能照明”越来越受到消费者的青睐。

  随着LED衬底、外延,工艺制程等核心元器件成本的下降,如何系统化降低LED照明产品的生产成本和日后维护显得非常重要。如果缺乏统一的通用接口标准,导致市场上不同厂商之间的产品不能互换,互不兼容,将严重阻碍LED照明产业的发展。因此,LED照明产品的模组化和通用接口标准化是未来半导体照明标准发展的一个重点,并受到越来越多的关注。因此,未来我国半导体照明应用还需要继续开发能够满足人们视觉需要,且具有较高稳定性的半导体照明产品;建立完善的半导体照明产品及应用标准体系,规范和引导产业健康发展;基于光环境对于人的工效、主观舒适性以及生理指标影响,并结合半导体照明产品特征,实现照明设计的创新发展。

  在检测市场方面,需要依靠标准化机构、检测机构、研究机构和生产企业的共同努力,逐步建立系统、完善的半导体照明标准体系,建立规范的照明LED评价与测试中心为产品的测试、评价以及产业发展提供服务和支撑,引导和规范我国半导体照明产业的发展,加速照明LED的技术进步及其推广应用。

  

  Lighting Science and Technology 

   Lighting is very important to human’s life. In the last ten years, Solid-State-Lighting technology has made great improvement, and LED has been widely used in many application areas. This report mainly introduces the recent status, domestic and international situations and development trends of the Solid-State-Lighting technology, in seven parts: materials and chips, packaging, lighting systems, lighting applications, non-lighting applications, metrology and standards. The report is divided into two parts: general report for summary and special reports for details.

  The luminous efficacy is no longer a limitation to the applications of LEDs, since the technology of materials and chips, packaging and application systems has made great improvement. Nowadays, Solid-State-Lighting industry is trying to reduce the cost, while offering more comfortable and higher quality of lighting. Intelligent and multi-functional lighting are also important. Solid-State-Lighting technology has also been used in agriculture, poultry breeding, medical applications and communications. Besides, in terms of metrology and standards, fundamental research on lighting standards is in urgent needs. Standardization of LED modules and universal interfaces has received more and more attentions.