基于LED光源特性的半导体照明应用创新与发展

郝洛西 杨 秀

(同济大学建筑与城市规划学院，上海 200092)

全球LED产业在近十年来，随着技术瓶颈的不断突破，半导体新兴企业与传统照明行业开始步入同一轨道，共同谋求在普通照明领域的发展。世界五大芯片供应商之一的美国CREE公司从当年美国North Carolina的研发三角区异军突起，发展成为当今引领世界半导体行业的先锋企业之一，其成长经历本身就昭示着行业变化的特点。而传统照明行业如Philips，通过并购整合，在企业本身就实现了从半导体芯片、封装、模块到成品灯具的全覆盖。其及时准确的战略布局，助力公司成功转型，在半导体照明全面发展的今天，依靠有价值的创新，依然保持照明行业的领袖形象。中国在半导体照明应用方面，借助奥运会、世博会、亚运会和各地进行的大规模城市照明工程，成为全球LED照明产品应用最大的市场。

在关注低碳经济、节能减排的今天，世界各国政府通过持续不断的相关政策，对半导体照明的快速发展起到了规范和推动作用。美国国家环境保护局 (EPA)在2011年2月颁布了能源之星灯具1.0规范;但在2011年5月，EPA又决定将该规范的生效日期从2011年10月1日推迟到2012年4月1日。推迟实施日期的目的主要是考虑制造商、实验室和认证机构有足够的时间来正确地应用新规范中的技术要求。多年来美国能源部 (DOE)为了加快提升半导体照明技术的发展，联合工业界、大学和国家实验室开展了从政策、产品、测试及应用的多项研究计划，就高效节能、全光谱、白光的普通照明，制定了《美国固态照明研究与发展工业路线图》。通过DOE Gateway Program，组织测试商业和居住的通用照明LED产品，收集半导体照明产品性价比的实践经验和数据。鉴于LED照明遇到的诸多问题，半导体照明在国外的研究与应用基本属于研究、研发、试点应用与总结提高的一种发展格局。

中国半导体照明的发展一直是处于争议之中。前期行业大干快上的跃进式发展给LED蒙上了一层阴影，这与中国整体社会与经济发展重应用与市场、轻基础研究和研发的大环境有关。但随着近些年国家在研究经费的加大投入，通过各类研究课题，就共性应用技术难题，联合攻关，对中国半导体产业的推动有目共睹。舆论普遍认为2011年是半导体照明的分水岭，是一个具有史诗般的年份，看来全球照明行业从此全面步入LED时代已成必然。

1 半导体照明与思维定势突破

德国法兰克福照明展 (Light+Building)、美国照明展 (Lightfair International)和广州照明展(Guangzhou International Lighting Exhibition)是当今世界上最有影响力的照明展会。但展会之间的差异可略见一斑。其中法兰克福照明展，反映创新思维的照明产品是每届吸引人们趋之若鹜的最大诱因。2011广州国际照明展在参展数量和展览面积上超越了法兰克福照明展，成为世界最大照明展，同时也是亚洲LED最大照明展。但参加广州照明展的中国企业产品重复雷同、企业缺乏个性化标志性产品、差异性不足、技术创新路线缺失，这是困扰中国灯具行业多年、至今仍然没有解决的老问题。我们也许可以认真地思考一个问题:如果不去考虑传统光源，重新设计LED照明光源产品，还会是Retrofit产品的样子吗?殊不知这样做在起点上就存在这巨大的缺陷:无论如何，这样一种形态，注定会把光学和热学的设计引入一个死胡同——因为我们想做成传统灯泡的样子。尽管目前来讲，替代产品具有很大的潜在市场，但这仅仅是一个过渡产品。未来企业研发和市场化产品，如果只是停留在Retrofit上，对LED来讲是远远不够的。因此我们必须改变!

半导体照明行业的发展与历经一百年有余的传统照明所走的路线太不一样，从产品到LED整体解决方案到体验式、情景化的互动方式，随着其他技术如网络、数字技术的应用，具有更加灵活多变，使得关注人的因素设计成为产品研发的亮点。中国企业必须扭转和改变低技术、低价格、低设计的非理性思路，要从单纯依靠应用市场规模转向技术研发来占领未来市场。不妨看看有性格的“Apple”路线吧。Apple通过 Mac、iPad、iPhone一次又一次地颠覆了人们早已习惯了的IT产品。乔布斯不可复制，但我们可以追随他学习如何创新。

高光效、超长寿命、良好的显色性均与半导体产业的上游技术直接相关。随着产业链上不断发展的衬底材料、制备技术、封装技术、散热及电路设计，让LED照明产品在光学设计和照明方案上的确变得与传统照明很不一样。其实目前市场份额较大的高可靠性、低成本、寿命合理的经济适用性LED照明产品，更加需要在芯片、电源驱动、封装、散热等研发工作方面，获得突破性进展。不论是第几代光源，只要用于普通照明，任何对光源和灯具的要求从未改变，如色温爱好、显色性、照度水平、光照分布等等。但是由于半导体照明产品的光电及色品特性的特殊性，带给我们更多应用上的挑战:如LED光色一致性、显色性评价、可调色温、彩色光健康与安全等，这是我们需要开展深入研究的重要课题。

中国企业长期以来创新不足，在行业全面步入半导体照明的今天，问题变得更加尖锐:(1)照明产品 (灯具)缺乏创新;(2)技术低下制约了灯具设计;(3)LED器件特性发挥不足;(4)与其他技术的集成水平较弱; (5)光学设计仍在走老路;(6)与建筑设计领域的结合不足 (建筑化、异型空间);(7)缺乏视觉功效等相关实验的支撑; (8)LED与颜色科学的实验研究基础不够;(9)对新材料的尝试和探索较少; (10)整灯缺乏优化设计过程。造成以上问题的根本原因在于创新思维和颠覆性设计理念薄弱，这与中国整体缺乏创新机制直接相关。因此处于惯性，要改变我们固有的思维非常难。但这是唯一的突破口，也是企业生存和提高核心竞争力的出路。除了上游半导体行业与下游照明行业之间的融合不够，不愿为灯具工业设计买单和对知识产权的法律观念淡薄，也是导致企业进步的巨大障碍。加之长期以来企业研发队伍专业构成不健全，资金投入不足，最终造成中国照明企业难以出现行业领袖，“创新、集成、追求卓越”往往最后只能成为企业宣传的口号或标语。

今天的LED照明，跨越了颜色科学、光学、能效设计、调光技术、模组产品、数字控制技术等多个学科领域。既有不断更新的学术前沿问题，又有关注人居环境和市场这一复杂、环环相连、内在逻辑相关的综合问题。实现思维的跨越，尽管很难，但我们必须改变。我们必须重新思考模式与路线问题。

2 半导体照明与光健康

光除了对人体产生视觉功效之外，还具有非常重要的非视觉生物功效。从光照对人体昼夜节律的影响，探讨人工照明如何促进人类身心健康在今天具有一定研究价值。人类昼夜系统只是过去二十多年才成为世界广泛研究的课题，国内外学者开展照明对人体昼夜节律影响的研究也不过是近十年的事情。我们需要针对我国被试者研究怎样的光谱分布、多少光照才能对昼夜节律产生作用?在此基础上尝试通过改善照明环境实施对人体昼夜节律的干预，创造有利于人体身心健康和提高作业效能的生活和工作环境。见图1。

生物钟混乱或昼夜节律破坏必将给人体健康带来严重的后果。光疗法 (Light therapy)在提高睡眠质量、治疗抑郁和季节性情感障碍 (SAD)、改善老年性痴呆的生活环境等方面，医学临床疗效甚佳。如何在人们日常生活和工作的环境中，考虑光照对人体昼夜节律的影响和扩展照明光疗作用，是我们面对的挑战。见图2。

LED不同于传统光源与灯具，易于构成特定光谱分布、便于实现智能控制，对于提升人工照明环境改善人体昼夜节律的功效方面，具有无可比拟的优势。目前需要分析和研究影响人体昼夜节律的光谱特性和光照水平阈值。良好照明不仅需要满足人们的视觉作业要求，还应对人类健康、幸福感、警觉和睡眠质量产生积极的作用。因此，以昼夜节律光生物学理论为基础，通过光照水平和光谱能量分布 (SPD)对人体褪黑激素抑制作用影响的研究，有助于加强人们深刻理解光照与人体昼夜节律的相互作用关系，为创造有利于人体身心健康和提高作业效能的光照环境，提供坚实的实验和理论支持。对未来家居照明、办公室照明、学校照明和医院照明，以及户外照明等，将起到重要的设计指导作用。另外对半导体进入通用照明的白光LED发射光谱设计和灯具系统设计，提供科学依据。今后的照明质量评价标准也会从以视觉为主导的体系转变到满足人类健康照明需求，当然这需要在更多的研究工作基础上得到发展。见图3。

图1 “视觉系统”与“昼夜节律系统”将共同主导标准的制定

图2 照明的非视觉作用影响着人的日常生活

图3 非视觉生物效应敏感度曲线与视觉敏感度曲线的对比

3 超越照明

正是LED无限潜在的可能性，其应用不应受传统制约和束缚，是人类勇于探索和尝试新的做法，我们才能感受到半导体领域正在孕育一场前所未有的、超越照明的创新革命。

超越照明!创新思维总会引发未来的伟大变革。LED取代传统光源白炽灯用于照明之外，将在生命科学、康复医学、植物生长、短途通讯领域中得到全面应用。通过半导体在未来人居环境中的应用，将改变和颠覆人类生活的常规起居和工作环境，规避自然灾害和保证食品安全，人类生活将迎来健康照明、智能照明、情景照明、信号传输的新纪元。一个更加综合、领域交叉、应用无限扩展的未来世界将出现在人居环境中。让我们对未来LED超越照明的应用模式做一展望。

(1)基于光健康与非视觉生物效应理论，考虑自然光和人工光的特征，研究适应人居环境的光干预方式和利于调节人体生物节律的理想LED的光谱能量分布特征，并据此研发和试制出高效型、节能型、健康型的半导体灯具产品。

(2)通过开展研究LED对人体刺激、调节和活化作用的光学治疗方法，利用LED特定窄光谱的照射 (405～420nm的蓝光对粉刺治疗，600～950nm的红光和红外线可以治疗酒糟鼻和皱纹;532～595nm的绿至黄光，对老年人脸部皮肤红和血管改善;红光刺激皮肤中的线粒体，促进新的细胞再生。)，可以改善皮肤条件。特定光谱照射对脑损伤、伤口愈合、晒伤等，可以加速新的胶原产生，加快康复。利用LED在健康美容的光疗技术，把健康照明引入人居环境。

(3)通过特定的LED光谱能量分布及光照模式，设施植物生长不受天气及灾害影响，具有战略意义。研究LED光照的光合作用以及对产量与品质的影响效应，获取LED光谱能量分布与光输出控制参数;研发用于设施植物生长的均匀平面光源和大功率多芯组合封装光源;研制温室植物生长专用LED照明及其控制系统，开发智能化LED光源植物生长柜。研究结果必将对住宅和办公室植栽园艺带来新的思路，根本解决日光不足的问题，使得在特殊地方利用人工光来干预植物生长成为可能。

(4)基于LED照明的室内、室外短途通讯技术及系统是未来LED在人居环境中应用的一个独特方向。研究大功率LED器件高速调制/解调技术、均衡技术，利用照明用大功率LED，在照明的同时实现室内、室外的短距离光学无线通信;研究可见光通信防频闪技术，保证在数据发送时LED不会产生肉眼可察觉的闪烁，避免通信时灯光对人眼产生的不适感。

4 半导体照明创新发展的技术路线

半导体照明与传统照明相比，具有数字化、易于集成、健康理念、应用领域广等特征，这决定了半导体照明的创新发展应该具有更加广阔的空间，应避免再走传统照明的老路。因此，半导体照明未来发展也将充分考虑其自身特征，从创新设计理念的提出，到技术研发的突破，以及创新集成设计与应用的拓展，形成半导体照明创新发展的独特技术路线。

4.1 凸显LED特征

世界三大工业产品设计奖:Red dot奖、iF奖以及IDEA奖，其产品创新设计已成为设计界的风向标，诸多照明新产品、新技术引领着灯具创新发展的新思路。从总体上看，国内与国外在半导体照明产品的产品形象、创新设计以及技术研发等方面的差距较为明显。国际知名灯具品牌企业不仅把握着传统照明领域的技术与设计优势，更在半导体照明方面拔得头筹，在品牌策略、产品工业设计、设计创新、照明新技术等方面处于较为领先的地位，并且也掌握着大量的核心专利，其不竭的创新动力及合理的产业布局为它们的发展创造了有序发展的空间。

我国传统照明企业也已开始在LED照明上加大投入，实施战略布局。但发展尚处于起步阶段，其产品线多停留在满足一般功能需求的层面。在产品的设计与创新、灯具的光学系统设计等关键技术方面的研发缺乏意识和动力，而且品牌意识淡薄，产品较为单一。因此国内企业必须对于半导体照明灯具有利于LED器件特性发挥的设计思路上梳理清晰，才有可能问鼎世界一流企业和创造知名品牌。

4.1.1 数字信息化

由于半导体既可为照明光源，又可成为数字信息的载体。设计中通过控制模块与信息通信手段的结合，如与iphone、ipad、Android手机等数码产品的结合，或与Twitter、Facebook、微博等网络平台的结合，将是一个全新的半导体照明智能应用理念。

4.1.2 集成设计

由于LED的体积小等特征，使得在建筑照明中，将LED产品与建筑空间、建筑构件、家具等的集成设计成为可能，更加凸显照明设计的整体性和建筑空间的纯粹性。集成化的设计减小了室内照明产品所占的物理空间和视觉空间，为设计提供了更多的可能。

4.1.3 健康型光照

由于半导体光源的光谱能量分布 (SPD)可以配置，因此生产具有特定波长LED的照明产品成了可能。根据人体在不同状态下对光谱 (如红光、蓝光等的不同含量)的刺激反应不同，可实现有助于健康的光环境。

4.1.4 多领域创新应用

半导体照明有别于传统照明，其照明产品不仅在照明领域内有多种创新应用可能，还在其他多个领域内获得创新性应用，如医学领域的康复光疗、农业领域的防虫害与农产品增收、光学无线通信和光网络等。

4.2 研发重点技术突破方向

对于一套完整的半导体灯具，其技术的研发涉及到组成灯具的每一部分，主要包括芯片选择、散热技术、控光技术、外观设计、照明控制、驱动电路、应用系统等方面。在产品的创新研发阶段，控光技术、材料技术、照明控制技术等方面以及照明应用的视觉功效问题，都是当前我国很多企业不太重视的内容，也应该是我国未来半导体照明产品研发的重点技术突破方向。

4.2.1 控光技术

控光技术好坏决定着灯具的眩光控制、出光效率、控光角度、光线的空间分布、光照均匀度等光照品质。用于半导体照明产品中的控光技术主要有透镜、小反射器、导光、二次反射、棱镜、光栅等。如Erco公司的最新控光技术为三组透镜组合控光，从芯片封装的一次透镜出光，经过二次透镜后变成平行光，最后再经过Spherolit Lens透镜将光按照需要进行分布。另外，Kim Lighting公司最新研发的MicroEmitter小反射器技术、Zumtobel Aero II的Micro Prismatic Structure(MPO+)棱镜技术等都为LED灯具的创新设计提供了技术支撑。他们均拥有自己核心的控光技术。

4.2.2 材料技术

半导体照明产品的材料技术突破主要涉及三个方面:其一是上述的控光技术中可用于改善光输出的材料;其二是提供全新外观感受的材料;另外就是用于改善LED灯具散热的材料技术。

在改善光输出方面，可以通过改善材料的物理结构或者是加入纳米材料以改善其分子排布结构。如透镜和棱镜，多是通过改善材料的物理结构来实现的。而美国Luminit公司的Light Shaping Diffusers(光学扩散膜)则是利用镭射印刷技术对材料表面进行处理，德国拜尔的光扩散材料采用了纳米技术。在改善外观感受的材料方面，可通过两种途径来实现。其一是针对传统材料的新加工工艺，以改变其呈现出的全新外观特征;另一个途径则是利用具有特殊光学特性的材料，如德国 Degussa的彩虹板(Radiant sheets)和双变色板 (Dual Color sheets)、二色性镀膜材料、德国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灯具散热的材料技术方面，主要采用导热系数高的材料，并结合多种材料及其结构设计的复合解决方案，特别是在功能性很强的灯具产品中尤为重要。如Switch Lighting在其白炽灯替代产品中采用的“A Self-cooling Environment”的自我冷却系统，设计中采用惰性液体与金属条结构相结合。

4.2.3 照明控制技术

由于半导体照明产品具有数字信息化的特点，其照明控制将突破传统照明的控制方式，给我们带来巨大的创新体验。当前照明控制方面主要有LonWorks总线技术、DALI系统、Dynet协议、C-Bus照明管理系统等控制系统，或与无线通讯技术的ZigBee和GPRS等的结合将是一种创新方式。基于这些协议，各大灯具公司也积极研发符合其品牌理念的人性化照明控制系统和灯具的调光模块，如Erco的Lighting Studio系统、Zumtobel的Dimlite系统与ZBOX系统、Philips推出的ActiLume、Peerless的Simply5，另外还有Hydrel、Lutron等公司的控制技术。

再者，自我学习功能 (Self Learning)是一个新的发展方向，即利用传感器对外部环境光强、光色进行感知，通过智能芯片自动调节灯具的亮度及光色，以达到节能、改变光照场景和防止灯具过热等效果。如 IGUZZINI的 LED Temperaturecontrol system利用智能芯片组可以即时监测LED在各种极端环境下的工作温度。

4.2.4 视觉功效

视觉功效是光照环境中对于人的因素考虑，完成视觉作业不仅需要充足的光线，如功能照明提供的照度水平，还需满足人体的心理和生理需求，如光色爱好、生命节律等。除此之外，视觉舒适如有效的眩光控制都是提供良好照明的要因。这些要求在使用传统光源时代，就是非常重要的，只要是用于照明，不论是什么光源，采用什么照明方式，都应该以满足人体视觉功效为前提。LED用于普通照明毫无疑问也不能忽视以上问题。LED灯具与传统灯具的巨大差异 (多光源、色温可变、彩色光、发光点超小)，还必须解决彩色光、色温变化、场景切换与自然光照明和生物性等多重考虑。为此开展人居光环境的主观评价、心理实验、照明质量研究是视觉功效的主要内容，特别是开展中国人的视觉特性研究。运用中间视觉理论开展LED光谱功率分布 (Spectrum Power Distribution，SPD)研究，搞清楚究竟哪种波段对视觉功效或人体健康产生影响，是半导体照明的特别之处。

5 结语

明天的LED照明，不仅会给照明领域带来翻天覆地的革新，更将超越照明，走入医学、农业、通讯等多学科领域。由于近几年LED照明产业的高速发展，使得传统的照明标准、规范以及照明应用的发展思路都遇到了前所未有的挑战，也带来了LED照明的诸多热点问题。新的LED照明国际技术标准和规范亟待制定，以解决应用中存在的新产品与旧标准的问题。另外，由于LED光源的发光特点，传统CRI的光源颜色质量评价体系无法准确地进行评价，也促进了针对LED光源的颜色质量评价体系的深入研究。最近的国际照明委员会 (CIE)大会虽然推荐了两个评价体系，但相关的研究还将继续深入。中间视觉问题长期以来都是照明领域的热点话题，LED光源的发展更是促进了中间视觉的相关理论和应用的研究。虽然2010年CIE技术文件推荐了中间视觉的光度学系统，但更多涉及到中间视觉领域的应用问题还亟待解决。我们最近的研究也正是针对中间视觉条件下的应用问题展开，试图探讨城市步行道照明中LED光源的光谱能量分布 (SPD)对行人视觉辨认的影响。光的非视觉生物效应和光健康的问题，在LED出现后获得了更多的目光，亚健康人群的增多、老龄化趋势严重以及特定人群的需求，使得LED进入人们的生活更加迫切，充分发挥LED在调节人体昼夜节律等方面的优势，如我们最近研究了极地极端气候条件下LED光谱及人工光干预对人体生命节律的影响等。这些热点的产生是由于半导体做为新一代光源特性所引起的，它们已经成为了热点中的热点，也必将是引领着未来LED照明的发展方向。

［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］同济大学国家高技术发展计划项目.2010上海世博会城市最佳实践区半导体照明技术的集成应用研究成果报告，2010年3月.

［3］同济大学国家自然科学基金.人行道路中白光LED光谱能量分布 (SPD)对视觉辨认的影响研究申请报告，2009年2月.

［4］同济大学国家自然科学基金.基于室内健康照明需求的照度与光谱对人体昼夜节律影响研究申请报告，2011年2月.

［5］同济大学，复旦大学，中国科学院半导体研究所，南京农业大学，中国农业科学院，哈尔滨海格科技公司.国家高技术发展计划项目LED非视觉照明技术研究申请报告，2010年12月.

［6］美国能源部官方网站:http://www.energy.gov.

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