基于LED光源特性的半導體照明應用創新與發展

郝洛西 楊 秀

(同濟大學建筑與城市規劃學院，上海 200092)

全球LED產業在近十年來，隨著技術瓶頸的不斷突破，半導體新興企業與傳統照明行業開始步入同一軌道，共同謀求在普通照明領域的發展。世界五大芯片供應商之一的美國CREE公司從當年美國North Carolina的研發三角區異軍突起，發展成為當今引領世界半導體行業的先鋒企業之一，其成長經歷本身就昭示著行業變化的特點。而傳統照明行業如Philips，通過并購整合，在企業本身就實現了從半導體芯片、封裝、模塊到成品燈具的全覆蓋。其及時準確的戰略布局，助力公司成功轉型，在半導體照明全面發展的今天，依靠有價值的創新，依然保持照明行業的領袖形象。中國在半導體照明應用方面，借助奧運會、世博會、亞運會和各地進行的大規模城市照明工程，成為全球LED照明產品應用最大的市場。

在關注低碳經濟、節能減排的今天，世界各國政府通過持續不斷的相關政策，對半導體照明的快速發展起到了規范和推動作用。美國國家環境保護局 (EPA)在2011年2月頒布了能源之星燈具1.0規范;但在2011年5月，EPA又決定將該規范的生效日期從2011年10月1日推遲到2012年4月1日。推遲實施日期的目的主要是考慮制造商、實驗室和認證機構有足夠的時間來正確地應用新規范中的技術要求。多年來美國能源部 (DOE)為了加快提升半導體照明技術的發展，聯合工業界、大學和國家實驗室開展了從政策、產品、測試及應用的多項研究計劃，就高效節能、全光譜、白光的普通照明，制定了《美國固態照明研究與發展工業路線圖》。通過DOE Gateway Program，組織測試商業和居住的通用照明LED產品，收集半導體照明產品性價比的實踐經驗和數據。鑒于LED照明遇到的諸多問題，半導體照明在國外的研究與應用基本屬于研究、研發、試點應用與總結提高的一種發展格局。

中國半導體照明的發展一直是處于爭議之中。前期行業大干快上的躍進式發展給LED蒙上了一層陰影，這與中國整體社會與經濟發展重應用與市場、輕基礎研究和研發的大環境有關。但隨著近些年國家在研究經費的加大投入，通過各類研究課題，就共性應用技術難題，聯合攻關，對中國半導體產業的推動有目共睹。輿論普遍認為2011年是半導體照明的分水嶺，是一個具有史詩般的年份，看來全球照明行業從此全面步入LED時代已成必然。

1 半導體照明與思維定勢突破

德國法蘭克福照明展 (Light+Building)、美國照明展 (Lightfair International)和廣州照明展(Guangzhou International Lighting Exhibition)是當今世界上最有影響力的照明展會。但展會之間的差異可略見一斑。其中法蘭克福照明展，反映創新思維的照明產品是每屆吸引人們趨之若鶩的最大誘因。2011廣州國際照明展在參展數量和展覽面積上超越了法蘭克福照明展，成為世界最大照明展，同時也是亞洲LED最大照明展。但參加廣州照明展的中國企業產品重復雷同、企業缺乏個性化標志性產品、差異性不足、技術創新路線缺失，這是困擾中國燈具行業多年、至今仍然沒有解決的老問題。我們也許可以認真地思考一個問題:如果不去考慮傳統光源，重新設計LED照明光源產品，還會是Retrofit產品的樣子嗎?殊不知這樣做在起點上就存在這巨大的缺陷:無論如何，這樣一種形態，注定會把光學和熱學的設計引入一個死胡同——因為我們想做成傳統燈泡的樣子。盡管目前來講，替代產品具有很大的潛在市場，但這僅僅是一個過渡產品。未來企業研發和市場化產品，如果只是停留在Retrofit上，對LED來講是遠遠不夠的。因此我們必須改變!

半導體照明行業的發展與歷經一百年有余的傳統照明所走的路線太不一樣，從產品到LED整體解決方案到體驗式、情景化的互動方式，隨著其他技術如網絡、數字技術的應用，具有更加靈活多變，使得關注人的因素設計成為產品研發的亮點。中國企業必須扭轉和改變低技術、低價格、低設計的非理性思路，要從單純依靠應用市場規模轉向技術研發來占領未來市場。不妨看看有性格的“Apple”路線吧。Apple通過 Mac、iPad、iPhone一次又一次地顛覆了人們早已習慣了的IT產品。喬布斯不可復制，但我們可以追隨他學習如何創新。

高光效、超長壽命、良好的顯色性均與半導體產業的上游技術直接相關。隨著產業鏈上不斷發展的襯底材料、制備技術、封裝技術、散熱及電路設計，讓LED照明產品在光學設計和照明方案上的確變得與傳統照明很不一樣。其實目前市場份額較大的高可靠性、低成本、壽命合理的經濟適用性LED照明產品，更加需要在芯片、電源驅動、封裝、散熱等研發工作方面，獲得突破性進展。不論是第幾代光源，只要用于普通照明，任何對光源和燈具的要求從未改變，如色溫愛好、顯色性、照度水平、光照分布等等。但是由于半導體照明產品的光電及色品特性的特殊性，帶給我們更多應用上的挑戰:如LED光色一致性、顯色性評價、可調色溫、彩色光健康與安全等，這是我們需要開展深入研究的重要課題。

中國企業長期以來創新不足，在行業全面步入半導體照明的今天，問題變得更加尖銳:(1)照明產品 (燈具)缺乏創新;(2)技術低下制約了燈具設計;(3)LED器件特性發揮不足;(4)與其他技術的集成水平較弱; (5)光學設計仍在走老路;(6)與建筑設計領域的結合不足 (建筑化、異型空間);(7)缺乏視覺功效等相關實驗的支撐; (8)LED與顏色科學的實驗研究基礎不夠;(9)對新材料的嘗試和探索較少; (10)整燈缺乏優化設計過程。造成以上問題的根本原因在于創新思維和顛覆性設計理念薄弱，這與中國整體缺乏創新機制直接相關。因此處于慣性，要改變我們固有的思維非常難。但這是唯一的突破口，也是企業生存和提高核心競爭力的出路。除了上游半導體行業與下游照明行業之間的融合不夠，不愿為燈具工業設計買單和對知識產權的法律觀念淡薄，也是導致企業進步的巨大障礙。加之長期以來企業研發隊伍專業構成不健全，資金投入不足，最終造成中國照明企業難以出現行業領袖，“創新、集成、追求卓越”往往最后只能成為企業宣傳的口號或標語。

今天的LED照明，跨越了顏色科學、光學、能效設計、調光技術、模組產品、數字控制技術等多個學科領域。既有不斷更新的學術前沿問題，又有關注人居環境和市場這一復雜、環環相連、內在邏輯相關的綜合問題。實現思維的跨越，盡管很難，但我們必須改變。我們必須重新思考模式與路線問題。

2 半導體照明與光健康

光除了對人體產生視覺功效之外，還具有非常重要的非視覺生物功效。從光照對人體晝夜節律的影響，探討人工照明如何促進人類身心健康在今天具有一定研究價值。人類晝夜系統只是過去二十多年才成為世界廣泛研究的課題，國內外學者開展照明對人體晝夜節律影響的研究也不過是近十年的事情。我們需要針對我國被試者研究怎樣的光譜分布、多少光照才能對晝夜節律產生作用?在此基礎上嘗試通過改善照明環境實施對人體晝夜節律的干預，創造有利于人體身心健康和提高作業效能的生活和工作環境。見圖1。

生物鐘混亂或晝夜節律破壞必將給人體健康帶來嚴重的后果。光療法 (Light therapy)在提高睡眠質量、治療抑郁和季節性情感障礙 (SAD)、改善老年性癡呆的生活環境等方面，醫學臨床療效甚佳。如何在人們日常生活和工作的環境中，考慮光照對人體晝夜節律的影響和擴展照明光療作用，是我們面對的挑戰。見圖2。

LED不同于傳統光源與燈具，易于構成特定光譜分布、便于實現智能控制，對于提升人工照明環境改善人體晝夜節律的功效方面，具有無可比擬的優勢。目前需要分析和研究影響人體晝夜節律的光譜特性和光照水平閾值。良好照明不僅需要滿足人們的視覺作業要求，還應對人類健康、幸福感、警覺和睡眠質量產生積極的作用。因此，以晝夜節律光生物學理論為基礎，通過光照水平和光譜能量分布 (SPD)對人體褪黑激素抑制作用影響的研究，有助于加強人們深刻理解光照與人體晝夜節律的相互作用關系，為創造有利于人體身心健康和提高作業效能的光照環境，提供堅實的實驗和理論支持。對未來家居照明、辦公室照明、學校照明和醫院照明，以及戶外照明等，將起到重要的設計指導作用。另外對半導體進入通用照明的白光LED發射光譜設計和燈具系統設計，提供科學依據。今后的照明質量評價標準也會從以視覺為主導的體系轉變到滿足人類健康照明需求，當然這需要在更多的研究工作基礎上得到發展。見圖3。

圖1 “視覺系統”與“晝夜節律系統”將共同主導標準的制定

圖2 照明的非視覺作用影響著人的日常生活

圖3 非視覺生物效應敏感度曲線與視覺敏感度曲線的對比

3 超越照明

正是LED無限潛在的可能性，其應用不應受傳統制約和束縛，是人類勇于探索和嘗試新的做法，我們才能感受到半導體領域正在孕育一場前所未有的、超越照明的創新革命。

超越照明!創新思維總會引發未來的偉大變革。LED取代傳統光源白熾燈用于照明之外，將在生命科學、康復醫學、植物生長、短途通訊領域中得到全面應用。通過半導體在未來人居環境中的應用，將改變和顛覆人類生活的常規起居和工作環境，規避自然災害和保證食品安全，人類生活將迎來健康照明、智能照明、情景照明、信號傳輸的新紀元。一個更加綜合、領域交叉、應用無限擴展的未來世界將出現在人居環境中。讓我們對未來LED超越照明的應用模式做一展望。

(1)基于光健康與非視覺生物效應理論，考慮自然光和人工光的特征，研究適應人居環境的光干預方式和利于調節人體生物節律的理想LED的光譜能量分布特征，并據此研發和試制出高效型、節能型、健康型的半導體燈具產品。

(2)通過開展研究LED對人體刺激、調節和活化作用的光學治療方法，利用LED特定窄光譜的照射 (405～420nm的藍光對粉刺治療，600～950nm的紅光和紅外線可以治療酒糟鼻和皺紋;532～595nm的綠至黃光，對老年人臉部皮膚紅和血管改善;紅光刺激皮膚中的線粒體，促進新的細胞再生。)，可以改善皮膚條件。特定光譜照射對腦損傷、傷口愈合、曬傷等，可以加速新的膠原產生，加快康復。利用LED在健康美容的光療技術，把健康照明引入人居環境。

(3)通過特定的LED光譜能量分布及光照模式，設施植物生長不受天氣及災害影響，具有戰略意義。研究LED光照的光合作用以及對產量與品質的影響效應，獲取LED光譜能量分布與光輸出控制參數;研發用于設施植物生長的均勻平面光源和大功率多芯組合封裝光源;研制溫室植物生長專用LED照明及其控制系統，開發智能化LED光源植物生長柜。研究結果必將對住宅和辦公室植栽園藝帶來新的思路，根本解決日光不足的問題，使得在特殊地方利用人工光來干預植物生長成為可能。

(4)基于LED照明的室內、室外短途通訊技術及系統是未來LED在人居環境中應用的一個獨特方向。研究大功率LED器件高速調制/解調技術、均衡技術，利用照明用大功率LED，在照明的同時實現室內、室外的短距離光學無線通信;研究可見光通信防頻閃技術，保證在數據發送時LED不會產生肉眼可察覺的閃爍，避免通信時燈光對人眼產生的不適感。

4 半導體照明創新發展的技術路線

半導體照明與傳統照明相比，具有數字化、易于集成、健康理念、應用領域廣等特征，這決定了半導體照明的創新發展應該具有更加廣闊的空間，應避免再走傳統照明的老路。因此，半導體照明未來發展也將充分考慮其自身特征，從創新設計理念的提出，到技術研發的突破，以及創新集成設計與應用的拓展，形成半導體照明創新發展的獨特技術路線。

4.1 凸顯LED特征

世界三大工業產品設計獎:Red dot獎、iF獎以及IDEA獎，其產品創新設計已成為設計界的風向標，諸多照明新產品、新技術引領著燈具創新發展的新思路。從總體上看，國內與國外在半導體照明產品的產品形象、創新設計以及技術研發等方面的差距較為明顯。國際知名燈具品牌企業不僅把握著傳統照明領域的技術與設計優勢，更在半導體照明方面拔得頭籌，在品牌策略、產品工業設計、設計創新、照明新技術等方面處于較為領先的地位，并且也掌握著大量的核心專利，其不竭的創新動力及合理的產業布局為它們的發展創造了有序發展的空間。

我國傳統照明企業也已開始在LED照明上加大投入，實施戰略布局。但發展尚處于起步階段，其產品線多停留在滿足一般功能需求的層面。在產品的設計與創新、燈具的光學系統設計等關鍵技術方面的研發缺乏意識和動力，而且品牌意識淡薄，產品較為單一。因此國內企業必須對于半導體照明燈具有利于LED器件特性發揮的設計思路上梳理清晰，才有可能問鼎世界一流企業和創造知名品牌。

4.1.1 數字信息化

由于半導體既可為照明光源，又可成為數字信息的載體。設計中通過控制模塊與信息通信手段的結合，如與iphone、ipad、Android手機等數碼產品的結合，或與Twitter、Facebook、微博等網絡平臺的結合，將是一個全新的半導體照明智能應用理念。

4.1.2 集成設計

由于LED的體積小等特征，使得在建筑照明中，將LED產品與建筑空間、建筑構件、家具等的集成設計成為可能，更加凸顯照明設計的整體性和建筑空間的純粹性。集成化的設計減小了室內照明產品所占的物理空間和視覺空間，為設計提供了更多的可能。

4.1.3 健康型光照

由于半導體光源的光譜能量分布 (SPD)可以配置，因此生產具有特定波長LED的照明產品成了可能。根據人體在不同狀態下對光譜 (如紅光、藍光等的不同含量)的刺激反應不同，可實現有助于健康的光環境。

4.1.4 多領域創新應用

半導體照明有別于傳統照明，其照明產品不僅在照明領域內有多種創新應用可能，還在其他多個領域內獲得創新性應用，如醫學領域的康復光療、農業領域的防蟲害與農產品增收、光學無線通信和光網絡等。

4.2 研發重點技術突破方向

對于一套完整的半導體燈具，其技術的研發涉及到組成燈具的每一部分，主要包括芯片選擇、散熱技術、控光技術、外觀設計、照明控制、驅動電路、應用系統等方面。在產品的創新研發階段，控光技術、材料技術、照明控制技術等方面以及照明應用的視覺功效問題，都是當前我國很多企業不太重視的內容，也應該是我國未來半導體照明產品研發的重點技術突破方向。

4.2.1 控光技術

控光技術好壞決定著燈具的眩光控制、出光效率、控光角度、光線的空間分布、光照均勻度等光照品質。用于半導體照明產品中的控光技術主要有透鏡、小反射器、導光、二次反射、棱鏡、光柵等。如Erco公司的最新控光技術為三組透鏡組合控光，從芯片封裝的一次透鏡出光，經過二次透鏡后變成平行光，最后再經過Spherolit Lens透鏡將光按照需要進行分布。另外，Kim Lighting公司最新研發的MicroEmitter小反射器技術、Zumtobel Aero II的Micro Prismatic Structure(MPO+)棱鏡技術等都為LED燈具的創新設計提供了技術支撐。他們均擁有自己核心的控光技術。

4.2.2 材料技術

半導體照明產品的材料技術突破主要涉及三個方面:其一是上述的控光技術中可用于改善光輸出的材料;其二是提供全新外觀感受的材料;另外就是用于改善LED燈具散熱的材料技術。

在改善光輸出方面，可以通過改善材料的物理結構或者是加入納米材料以改善其分子排布結構。如透鏡和棱鏡，多是通過改善材料的物理結構來實現的。而美國Luminit公司的Light Shaping Diffusers(光學擴散膜)則是利用鐳射印刷技術對材料表面進行處理，德國拜爾的光擴散材料采用了納米技術。在改善外觀感受的材料方面，可通過兩種途徑來實現。其一是針對傳統材料的新加工工藝，以改變其呈現出的全新外觀特征;另一個途徑則是利用具有特殊光學特性的材料，如德國 Degussa的彩虹板(Radiant sheets)和雙變色板 (Dual Color sheets)、二色性鍍膜材料、德國Schott公司的Mirona玻璃和LED玻璃以及3M公司的膜材料等等。

在改善LED燈具散熱的材料技術方面，主要采用導熱系數高的材料，并結合多種材料及其結構設計的復合解決方案，特別是在功能性很強的燈具產品中尤為重要。如Switch Lighting在其白熾燈替代產品中采用的“A Self-cooling Environment”的自我冷卻系統，設計中采用惰性液體與金屬條結構相結合。

4.2.3 照明控制技術

由于半導體照明產品具有數字信息化的特點，其照明控制將突破傳統照明的控制方式，給我們帶來巨大的創新體驗。當前照明控制方面主要有LonWorks總線技術、DALI系統、Dynet協議、C-Bus照明管理系統等控制系統，或與無線通訊技術的ZigBee和GPRS等的結合將是一種創新方式。基于這些協議，各大燈具公司也積極研發符合其品牌理念的人性化照明控制系統和燈具的調光模塊，如Erco的Lighting Studio系統、Zumtobel的Dimlite系統與ZBOX系統、Philips推出的ActiLume、Peerless的Simply5，另外還有Hydrel、Lutron等公司的控制技術。

再者，自我學習功能 (Self Learning)是一個新的發展方向，即利用傳感器對外部環境光強、光色進行感知，通過智能芯片自動調節燈具的亮度及光色，以達到節能、改變光照場景和防止燈具過熱等效果。如 IGUZZINI的 LED Temperaturecontrol system利用智能芯片組可以即時監測LED在各種極端環境下的工作溫度。

4.2.4 視覺功效

視覺功效是光照環境中對于人的因素考慮，完成視覺作業不僅需要充足的光線，如功能照明提供的照度水平，還需滿足人體的心理和生理需求，如光色愛好、生命節律等。除此之外，視覺舒適如有效的眩光控制都是提供良好照明的要因。這些要求在使用傳統光源時代，就是非常重要的，只要是用于照明，不論是什么光源，采用什么照明方式，都應該以滿足人體視覺功效為前提。LED用于普通照明毫無疑問也不能忽視以上問題。LED燈具與傳統燈具的巨大差異 (多光源、色溫可變、彩色光、發光點超小)，還必須解決彩色光、色溫變化、場景切換與自然光照明和生物性等多重考慮。為此開展人居光環境的主觀評價、心理實驗、照明質量研究是視覺功效的主要內容，特別是開展中國人的視覺特性研究。運用中間視覺理論開展LED光譜功率分布 (Spectrum Power Distribution，SPD)研究，搞清楚究竟哪種波段對視覺功效或人體健康產生影響，是半導體照明的特別之處。

5 結語

明天的LED照明，不僅會給照明領域帶來翻天覆地的革新，更將超越照明，走入醫學、農業、通訊等多學科領域。由于近幾年LED照明產業的高速發展，使得傳統的照明標準、規范以及照明應用的發展思路都遇到了前所未有的挑戰，也帶來了LED照明的諸多熱點問題。新的LED照明國際技術標準和規范亟待制定，以解決應用中存在的新產品與舊標準的問題。另外，由于LED光源的發光特點，傳統CRI的光源顏色質量評價體系無法準確地進行評價，也促進了針對LED光源的顏色質量評價體系的深入研究。最近的國際照明委員會 (CIE)大會雖然推薦了兩個評價體系，但相關的研究還將繼續深入。中間視覺問題長期以來都是照明領域的熱點話題，LED光源的發展更是促進了中間視覺的相關理論和應用的研究。雖然2010年CIE技術文件推薦了中間視覺的光度學系統，但更多涉及到中間視覺領域的應用問題還亟待解決。我們最近的研究也正是針對中間視覺條件下的應用問題展開，試圖探討城市步行道照明中LED光源的光譜能量分布 (SPD)對行人視覺辨認的影響。光的非視覺生物效應和光健康的問題，在LED出現后獲得了更多的目光，亞健康人群的增多、老齡化趨勢嚴重以及特定人群的需求，使得LED進入人們的生活更加迫切，充分發揮LED在調節人體晝夜節律等方面的優勢，如我們最近研究了極地極端氣候條件下LED光譜及人工光干預對人體生命節律的影響等。這些熱點的產生是由于半導體做為新一代光源特性所引起的，它們已經成為了熱點中的熱點，也必將是引領著未來LED照明的發展方向。

［1］MS Rea， MG FigueiroandJD Bullough. Circadian photobiology:an emerging framework for lighting practice and research.Lighting Research and Technology.2002，34:177～190.

［2］同濟大學國家高技術發展計劃項目.2010上海世博會城市最佳實踐區半導體照明技術的集成應用研究成果報告，2010年3月.

［3］同濟大學國家自然科學基金.人行道路中白光LED光譜能量分布 (SPD)對視覺辨認的影響研究申請報告，2009年2月.

［4］同濟大學國家自然科學基金.基于室內健康照明需求的照度與光譜對人體晝夜節律影響研究申請報告，2011年2月.

［5］同濟大學，復旦大學，中國科學院半導體研究所，南京農業大學，中國農業科學院，哈爾濱海格科技公司.國家高技術發展計劃項目LED非視覺照明技術研究申請報告，2010年12月.

［6］美國能源部官方網站:http://www.energy.gov.

［7］LEDs Magzine，2011.www.ledsmagazine.com.