LED照明：引爆第三次電光源技術革命
和白熾燈、氣體放電光源相比，LED照明的光效泡殼更高、壽命更長、體積更小，且光譜中沒有熱量和輻射，可實現豐富多彩的動態變化色彩，容易實現數字化智能控制，是迄今為止真正能實現綠色照明的新型電光源技術，可以稱為人類“第三次電光源技術革命”。
廣東省推廣應用LED照明產品工作會議在廣州召開，主要研究部署廣東省在公共照明領域全面推廣普及LED照明產品工作。省政府與各地級以上市政府簽署了廣東省推廣應用LED照明產品責任書。省委副書記、省長朱小丹出席會議並講話。
此次會議中，廣東省政府印發了《廣東省推廣使用LED照明產業實施方案》。會議強調，從方案實施之日起，全省道路、公共場所、政府機關、國有企事業單位等財政或國有資本投資建設的照明工程以及南沙、前海、橫琴等新規劃建設的新區一律使用LED照明產品。
根據方案，珠三角地區要力爭在2013年底前，東西北地區在2014年底前，普及LED公共照明，帶動全社會普及LED照明，實現全省同比口徑下照明 節能50%以上，拉動LED產業“十二五”期末實現年產值5000億元以上。2011年廣東省LED總產值約1500億元，意味著“十二五”期間廣東省的 LED產業產值將翻3倍以上，未來5年行業產值復合增速達到49%，保持快速增長。
此次為第一個地方政府出台的LED行業扶植政策，其扶持力度遠遠大於國家對節能照明產品的補貼政策。對此，市場人士指出，廣東省政府的決策對拉動中國 LED行業發展具有明顯的積極意義，同時政策對LED產業鏈構成實質性利好。第一，政府強力推動釋放大規模需求，目前國內LED公用照明規模最大的企業年 收入不到5億元，僅廣東一省政策推動就有望在未來12個月內創造出百億級別的終端需求，能夠有效推動LED照明應用企業釋放規模效應，做大做強；第二，終 端產品放量拉動上游芯片需求。在競爭性的招標過程中，不斷降低的招標價格反過來對零售價格形成降價壓力，零售價格的降低應會刺激出更大的產品需求，從而拉 動上游照明芯片的需求，並推動LED全行業景氣在未來18個月持續上升。
19世紀初，愛迪生發明了白熾燈，電能開始應用於照明領域。100多年來，經過幾代科技人員的努力，電光源經歷了從白熾燈到氣體放電燈兩次技術革命， 光效、壽命、顯色性等指標不斷提高，而售價則不斷下降。現在，第三次電光源技術革命——半導體固態照明(LED，Lightemittingdiode， 發光二極管)——已經來臨，剛剛拉開普及應用的序幕。
傳統電光源技術均存在明顯缺陷
若不考慮價格因素，傳統的電光源(白熾燈、氣體放電燈等)都存在一些明顯的技術缺陷難以徹底解決，而這就成為制約其進一步發展壯大的最大障礙。
白熾燈——效率低，壽命短，耗電量大
白熾燈一般有普通白熾燈和鹵鎢燈兩種類型。鹵鎢燈就是充有鹵素的鎢絲白熾燈，現在常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈，其發光效率和使用壽命優於普通白熾 燈。鹵鎢燈主要用於強光照明，例如公共建築、交通、拍攝電影和電視節目制作等場合的照明。其中，碘鎢燈還可作為干燥劑、烘箱的熱源，可用於體育場、游泳池 等室內照明。
白熾燈的發光原理是：電流通過燈絲(鎢絲，熔點3000多攝氏度)時產生熱真空成型量，螺旋狀燈絲聚集熱量，當溫度高於2000攝氏度時，燈絲處於白熾狀態而發出光來。燈絲溫度越高，發出的光越亮。白熾燈發光特點是：發出連續光譜，故顯色性高；燈絲高溫下變軟、升華，容易熔斷，故壽命短；絕大多數電能都轉化為熱能，故光電轉化效率極低，耗電量大。
氣體放電燈——含汞及稀土，顯色性差，光衰大
氣體放電燈是由氣體、金屬蒸氣或幾種氣體與金屬蒸氣的混合放電而發光的電光源，目前用得較多的是輝光放電和弧光放電。輝光放電一般用於霓虹燈和指示 燈，弧光放電可有很強的光輸出，主要用作照明光源。氣體放電燈按氣壓高低又可分為兩類，即低氣壓放電燈和高強度氣體放電(High—— intensitydischarge，HID)燈。低壓氣體放電燈主要包括熒光燈(低壓汞燈)、低壓鈉燈和無極燈，而HID燈包括高壓汞燈、高壓鈉燈、 金鹵燈(金屬鹵化物燈，HQI)等。
熒光燈1938年開始出現，當時的產品主要是T12(燈管直徑38mm)、T10(32mm)，1978年T8(26mm)問世，1995年 T5(16mm)上市。熒光燈的發展與熒光粉密切相關。最初使用的是鹵粉，其發光效率低，且在紫外線照射下劣化嚴重。直到稀土三基色熒光粉發明之後，T5 才被生產出來，它的出現使得熒光燈的光效提升50%，壽命提升150%，有明顯的節能效果。1930年代，低壓鈉燈和高壓汞燈也開始出現，光效比白熾燈高 出2。5倍，但顯色性較差。
1960年代，高壓鈉燈和金鹵燈開始發展起來。1962年，美國首先解決了鈉在高溫、高壓時的抗腐蝕、半透明多晶氧化鋁管材料，又突破了封接工藝，制 成第一支高壓鈉燈，當時的光效是90lm/W，顯色指數Ra為25，壽命為5000h，發出的光是金黃色，節能效果很好，很快在道路、港口、車站、工廠、 橋梁、廣場等戶外照明場合應用。金屬鹵化物燈是在高壓汞燈基礎上添加各種金屬鹵化物制成的光源，具有發光效率高、顯色性能好、壽命長等特點，是一種接近日 光色的節能新光源，廣泛應用於體育場館、展覽中心、大型商場、工業廠房、街道廣場、車站、碼頭等場所的室內照明。
氣體放電燈的工作原理是：放電燈接入工作電路後產生穩定的自持放電，由陰極發射的電子被外電場加速，電能轉化為自由電子的動能；快速運動的電子與氣體 原子碰撞，氣體原子被激發，自由電子的動能又轉化為氣體原子的內能；受激氣體原子從激發態返回基態，將獲得的內能以光輻射的形式釋放出來。上述過程重復進 行，燈就持續發光。各種氣體放電燈都由泡殼、電極和放電氣體構成，基本結構大同小異。氣體放電燈不能單獨接到電路中去，必須與啟動器、鎮流器等輔助電器一 起接入電路才能啟動和穩定工作。放電燈的啟動通常要施加比電源電壓更高的電壓，有時高達幾千伏或幾萬伏以上。
氣體放電燈正逐漸取代白熾燈
白熾燈作為熱輻射電光源，相對於氣體放電燈而言有很多優勢：體積小、價格便宜、不需要啟動器和鎮流器等附件，啟動特性好(低溫啟動)、高顯色性、產品 自身不含汞等，其高顯色性和啟動特性，特別是低溫啟動特性，是氣體放電光源不可比擬的。但是，發光效率低、使用壽命短是白熾燈的致命缺陷，這是它逐步被氣 體放電燈替代的主要原因。
氣體放電燈雖然優點很多，但是也存在明顯缺陷：由於汞具有激發電位低，在室溫下飽和蒸氣壓低而在高溫下飽和蒸氣壓高等特點，所以一般放電燈中都充有金屬汞，容易造成汞污染，都要耗用較多稀土材料；啟動電壓高，必須配備鎮流器、啟動器等附件；大多顯色性差。
LED應用領域不斷拓展，技術進步快速
和白熾燈、氣體放電光源相比，LED照明的光效更高、壽命更長，抗震性能好，不含汞等重金屬，體積更小，光譜中沒有熱量和輻射，可實現豐富多彩的動態 變化色彩，容易實現數字化智能控制，是迄今為止真正能實現綠色照明的新型電光源技術，可以稱為人類“第三次電光源技術革命”。
在應用領域方面，LED已經從最早的儀器儀表指示光源、交通信號等單色光應用，發展到目前的全彩顯示屏、3C產品(手機、電腦、電視等消費類電子產 品)的背光源、各種景觀裝飾燈、汽車燈以及室內外照明等。在光效方面，從最初的每瓦不到1lm發展到目前的每瓦254lm白光LED(Cree最新實驗室 數據)，技術進步快速。
從紅黃光到白光照明，LED實現跨越式發展
LED是一種以半導體(二極管)為發光材料的發光元件，其發光原理是：微小的半導體芯片(LED芯片)被封裝在潔淨的環氧樹脂中，當載流子經過該芯片 時，帶負電的電子與帶正電的空穴產生復合消失同時放出光子。電子和空穴之間的能量(帶隙)越大，產生的光子的能量就越高。由於不同的材料具有不同的帶隙， 不同能量光子的波長不同，從而能夠發出不同顏色的光，涵蓋紫外到紅外的波長範圍。在可見光的頻譜範圍內，藍色光、紫色光攜帶的能量最多，波長最短，而桔色 光、紅色光攜帶的能量最少，波長最長。由於LED不需要燈絲，所以沒有發熱、易燒等缺點。
LED起源於1907年，H。J。Round發現SiC的微晶結構具有發光能力，這是第一顆發光的LED(當時是肖特基二極管，而不是目前的PN結二 極管)。1952——1953年期間，HeinrichWelker第一展示使用III——V族半導體作為發光材料，III——V族半導體材料GaAs相 繼被應用到波長870——980nm的紅外光LED上。1962年，Holonyak和Bevacqua在應用物理期刊發表了使用GaAsP為發光材料的 紅光LED，這是第一顆可見光LED，使用氣相磊晶法(VPE)在GaAs基板上長出GaAsP二極管PN結面，其優點是方法簡單、低成本，缺點是由於 GaAsP薄膜與GaAs晶格不匹配導致發光效率低下(約為0。1lm/w)。
由於Holonyak對Tray盤可見光LED和激光二極管(LD)做出了傑出貢獻，被譽為“可見光LED及LD之父”。
GaP材料的發展始於1960年代。GaP材料的LED可在日光下發出人眼能夠看到的紅光，其發光效率比GaAsP材料的LED要高。至1972 年，M。GeorgeCraford使用N摻雜，成功做出第一顆黃光波段的GaAsP/GaP材料系LED，不僅提高了光效，而且將發光波長進行了延伸。 隨著紅光LED的研究與發展，另一種應用材料AlGaAs引起了人們的關注，采用液相磊晶法，結果發現AlGaAs/GaAs系LED比GaAsP /GaAs光效更高。1985年後，日本研究者使用AlGaInP作為可見光激光材料，發光層為AlGa托盤InP/GaInP 雙異質結構，成功做出紅橙黃波段的LED，取代GaAsP成為成為紅光主要使用的材料。1990年代後，由於制程技術的突破，通過芯片接合技術將紅光 LED建立在透光GaP基板上、通過將LED芯片做成特定形狀提升光提取效率等方法大大增加了LED的發光效率。至此，紅光LED發展漸趨成熟穩定。
1986年，Amano等人利用MOCVD磊晶低溫AlN緩衝層，成功長出透明的、沒有表面裂紋的GaN薄膜，開啟了藍光LED的發展歷程。1992 年，日本日亞化學(Nichia)的中村修二博士使用熱退火技術成功活化磊晶在低溫緩衝層的GaN薄膜，並於1995年研制出高亮度GaN藍光與綠光 LED。次年，中村修二博士又提出利用InGaN藍光LED激發黃色熒光粉生產白光LED的方法。到2007年，藍光LED的實驗室光效已經超過 100lm/w。2012年4月，美國Cree宣布，已經成功研發出254lm/w的白光LED(250——260lm/w的光效意味著80%的電能轉化 為光能，僅20%轉化為熱能)，創歷史記錄，這將使其LED戶外路燈的批發價降至不到200美元。
在藍光LED芯片出現之前，由於無法通過RGB合成白光，LED的光效、亮度也不高，LED無法應用於照明領域。因此，1995年高亮度藍光與綠光LED研制成功，標志著LED正式進入照明領域，是LED照明發展最關鍵的裡程碑。
紅黃與藍綠LED色系存在很大差異
以LED燈具為例，其上游供應鏈分工關系如下：藍寶石晶棒廠以高純度氧化鋁制成藍寶石晶棒，藍寶石基板廠買來晶棒經過一系列制程生產出基板(直徑為2 寸或4寸的薄薄的小圓片)，外延/芯片廠購入藍寶石基板，放入MOCVD設備(爐子)中生長外延層，最後在基板表面長成厚度僅幾微米的半導體外延層，長有 外延層的基板一般就稱為外延片(或磊晶)。生產好的外延片再通過研磨拋光、蒸鍍、光刻等工藝制作電極並按一定的規定尺寸(比如10*10mil、 45*45mil)切割成大量的LED芯片(或稱為晶粒)。接著，封裝廠再將LED芯片封裝成各種形狀的燈珠，這些燈珠最終被燈具廠(應用廠商)拿來和電 源、外殼等零件組裝成LED燈具。
LED可以分為藍綠與紅黃兩大色系，不同色系在襯底、發光材料、發光特性等方面都存在明顯差異，這使其主要應用領域也各不相同。
?LED的光效由內量子效率(即LED芯片內部產生光子的效率)和外量子效率(即LED的出光效率或取光效率)共同決定。外延生長技術發展以提高內量 子效率為主，而芯片和封裝工藝以提高外量子效率為主。紅黃光led內量子效率較高而外量子效率低，技術難點在於外量子效率的提升。藍綠光剛好相反，內量子 效率較低而外量子效率高，所以技術難點在於外延生長工藝。紅黃光LED的特點是光的波長長而光效較低，適合於做指示標志、汽車尾燈等，不適合直接用來做照 明燈具。而藍綠光波長短而光效高，適合於做照明、背光等應用。
?用來生產4元系紅、黃光LED外延片的MOCVD設備不能用來生產，而生產藍光LED外延片的MOCVD也不能用來生產紅黃光。紅、黃光LED一般 使用GaAs材料做基板(襯底)，而藍光LED一般使用藍寶石或碳化硅(SiC)材料做基板，其他外延材料、生產工藝等方面也存在一定差異。
藍光LED芯片主導通用照明市場
理論上講，LED要應用於照明，必須能夠合成出和自然日光相同或者類似的白光。在藍光芯片出現之前，LED無法應用於照明，一是因為紅黃光光效低，二 是無法獲得藍、綠光。日本的中村修二博士在發明藍光芯片後不久，就發明了藍光芯片配合黃色熒光粉合成白光的技術。後來，日本的化學研發出了紅色的和綠色的 熒光粉，配合藍光芯片可以生產出顯色性更好的白光。這兩種方案是目前主流的led白光方案。還有一種方案，就是用紫外led芯片配合紅、綠、藍熒光粉合成 白光。因為藍光、紫外光攜帶的能量最大，能夠激發熒光粉形成白光，而紅黃光就很難做到這一點。紅光芯片進入照明領域的唯一途徑就是用藍光、綠光、紅光芯片 合成白光，理論上合成日光的質量應該最好，但紅光芯片與藍綠光的波長、光效、光衰等性能指標存在較大差異，驅動電路可能非常復雜，對兩類芯片的穩定性、一 致性等要求較高，封裝的難度可能也很大，所以這種方案可能只會在高端照明市場存在一定需求。目前，大多數白光方案都是通過在藍光芯片表面塗抹熒光粉而形 成。因此，現在和未來，可能都是藍光LED芯片主導通用照明市場。
按亮度來劃分，LED可以分為普通亮度LED和高亮度LED。普通亮度LED主要由內襯GaP、 GaAsP及AlGaAs等材料制成，主要包括紅、橙、黃光產品。高亮度LED主要由AlGaInP及GaN等材料制成，主要包括紅、橙、黃、綠、藍和白 光產品。不同亮度LED有不同的應用領域。近年來，高亮度LED逐漸成為LED行業發展的主流，而高亮度白光LED則主導LED背光以及照明市場。
不同照明環境對於白光LED性能需求不同
戶外照明對白光LED的主要訴求在於高亮度、大功率以及穩定性(在嚴苛的戶外環境中)，其中芯片以及封裝工藝對其都有很大影響。相對而言，顯色性高低以及色溫大小不太重要。Cree、Ph包裝盒ilips等國外大廠目前之所以能夠壟斷LED路燈市場，就是因為他們能夠生產出大功率、高亮度、高光效的LED芯片。
然而，室內照明除了要求高亮度之外，顯色性以及色溫指標也非常重要。色溫是衡量光源光色的一個指標，色溫低意味著光色偏暖(紅色)，色溫高意味著光色偏冷(藍色)。
由於色溫不同，現在的LED燈就有冷白光與暖白光之分。顯色性是指光源顯現被照射物體顏色的指標，由顯色指數Ra來表示，顯色性越高，表示光源越接近於自然光(自然光的顯色性為100)，所看到物體的顏色就越接近物體的自然原色，也就是越逼真。
顯色性如果比較低，那麼物體的顏色可能就會發生很大偏差或扭曲。理論研究證明，不同色溫和顯色性的光線對人會產生不同的生理及心理影響。由於人們大多 數時間都是呆在室內的(家庭、娛樂餐飲場所、購物中心、辦公室等)，因此，這種影響就顯得非常重要。因此，對不同的功能場所要求選擇不同色溫與顯色性的光 源，以滿足特定的需求。例如，在臥室或客廳就要求采用低色溫的光源，這樣會使人有休閑、溫馨的感覺。室內照明的顯色性一般都規定要高於80。
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