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半导体照明前10 年回顾和未来展望(上) 2013/2/27 10:59:27
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 说明:因篇幅过长,本文分成三段呈现,第一部分:半导体照明前十年回顾;第二部分:怎么做?第三部分:对未来的预测。 本文乃第一部分:

半导体照明前10 年回顾和未来展望

Roland Haitz Jeffrey Y. Tsao 著  周太明 译

  (Roland Haitz:美国加州 波托拉谷阿代尔路25号;Jeffrey Y. Tsao:美国桑迪亚国家实验室物理、化学和纳米科学中心,新墨西哥州;周太明:复旦大学 电光源研究所,上海 200433)

  [编者按] 1999 Haitz 4 位半导体物理学家撰写的白皮书以战略眼光预言 LED将在通用照明中发挥巨大作用 2010 Haitz 等在本文中回顾了半导体照明前 10 年的进展;对为何要进行半导体照明革命,以及取得这场革命胜利有哪些决定性因素,我们应该做哪些努力,做了非常详尽的分析;在对技术和市场进行科学论证的基础上预言了今后 10 20 年的发展前景,并高瞻远瞩地断言,半导体照明革命将取得最终的胜利!我们将这篇好文章推荐给读者,希望对大家进一步加深对半导体照明的认识有所帮助。

  摘要:10 年前,题为关于国家半导体照明研究规划的情况分析的白皮书概述了半导体发光二极管(LEDs)用于通用照明的前景和潜能后,在被重新更名为固态照明( SSL)这一领域的投资得到加速,而且已经取得很大进展,但并不都是沿着当时预见的方向本文中,白皮书原来 4位作者中的两位,对白皮书的得失作了评述,同时使原来的白皮书作为补充的网络材料而如档案般具有利用价值。最后,对未来 10~20年的发展做了新的预测。

  关键词:Haitz定律 照明 发光二极管固态照明 颠覆性的创新理念

  

Solid-state lighting: “The case”10 yearsafter and future prospects

Roland Haitz(1) Jeffrey Y. Tsao(2) Translated by Taiming Zhou(3)

Phys. Status SolidiA 208, No. 1, 17–29 (2011)

  (1.25 Adair Lane, PortolaValley, USA;2 .Physical, Chemical and Nano Sciences Center, Sandia NationalLaboratories, Albuquerque, USA;3. Fudan UniversityShanghai200433)

  引言

  10年前,来自Hewlett-Packard/LumiledsSandia 国家实验室的4位作者撰写了题为关于国家半导体照明研究规划的情况分析的白皮书1。这份白皮书第1次以综合分析的方式概述了半导体发光二极管(LEDs)用于通用照明的前景和潜能[见注#1]。该白皮书的发表在世界范围内激发了不少政府和工业界对这项技术的热情和投资。该白皮书第1次发表于1999106日在华盛顿举行的光电子产业发展联盟(OIDA联盟)年度论坛上,年度论坛上,听众仅限于OIDA的成员以及国防部高级研究计划局(DARPA)和能源部(DOE)[2]的代表。详细地作为战略学向公众发表则是在Light 2000会议上,这是由Strategies Unlimited所组织的系列年会的第1次会议。白皮书从未在杂志上刊载,直到现在也只能到OIDASandia 国家实验室的网站去访问(这里提供1个帮助信息:可到www.pss-a.com网站在线查询)

  自此之后已经取得很大的进展[3],时至今日大概很少有人还会怀疑半导体(LEDs)最终将取代火油灯、白炽灯、荧光灯和高强度放电灯等传统光源用于通用照明[见注4]。广义而言,原来白皮书的预言已经得到证实。

  然而,通过进一步考察,我们发现所取得的进展并非都是沿着白皮书所预见的方向。究

  其原因,一方面是由于预测未来本来就是很难的事;另一方面是由于我们4位作者都是从事半导体产业的,知识背景比较狭窄,缺少更广阔的洞察能力。我们4人当时对于照明应用要求(如光色控制、光通量和光色的稳定性、显色性和照明标准)的理解充其量也只能算是比较肤浅的。

  撰写本文的我们俩人依然在从事 SSL 的研究工作,通过 10年的努力,我们对固态照明有了更清楚的认识,因而有能力对原来的白皮书进行评述。我们讨论白皮书正确预测的发展趋势,也要讨论它错误预测的那些问题,并且还将对今后1020年的发展做出一系列预测。我们想借此机会使原来的白皮书作为本文的补充网络材料而如档案般具有利用价值。

  1 红色LED指引了方向:Haitz定律

  白皮书的核心内容是预测在具有130年历史的电气照明业界将要发生的革命,该业界要消耗全球能量的6.5%。这样的预测面临很多挑战:

  第1个挑战就是预测必须要考虑到原有的照明技术可能会有的进步。1995 年由EPRI倡议所写的评论[见注5] 推断:现存的所有照明技术的提高都面临着基本物理原理的限制。例如白炽灯的光效由于受到黑体辐射定律的限制,在近1个世纪的时间里实际上没有多大提高。2800K的灯丝95%的辐射能量都是在红外区,光谱的可见部分仅有5%。卤钨灯通过升高灯丝的温度使可见辐射效率提高到约 7%。其他照明技术的光效也面临着类似问题,从而使得在可以预见的未来它们的提高也将是很有限的。

  第2个挑战是预测必须考虑到更长远的未来至少20年,因为1999年时我们认为SSL

  不到15年的期间内将不会有很重大的进展(见参考文献[1]的表4和表5)1999年时SSL灯的价钱比白炽灯高出3个数量级,这还没有将电源转换器及灯头、灯壳的费用考虑进去。再者,预测必须建立在历史数据、所应用技术的现状和它们的科学根据的基础之上。只有这样,预测才能使全球的工业界和政府相信,从而在开始的10年里进行重大的投资。

  为了对未来的20年进行可靠的预测,我们需要回顾历史,进行比较分析。所幸的是我们当中的1(Roland Haitz)已经收集了LED技术的有关历史数据,尤其是从1968年起就已商用的红色LED的技术数据。这些数据使得我们能够制作图表(参考文献[1]的图4)对两个量的历史演变情况进行分析:给定年份商用的最大功率的红色LED的光通量(lm/lamp—流明/灯为单位);大量采购LED器件时原始设备制造商(OEM)所提供的光的价格($/lm—美元/流明为单位),自那时起该图表就被称为“Haitz定律

  1.1 1999年时的性能和发展趋势

  图表显示的30年来商用LED性能的历史和它蕴含的LED与白炽灯未来竞争的潜能可以归纳如下。

  首先,1999年时最好的红色和黄色LEDlm/lamp值约为40lm/lamp,比典型的60W白炽灯的1 klm/lamp的数值小25倍。将此数值和趋势线结合在一起看,LEDlm/lamp值在10年之内有可能达到与60W白炽灯相竞争的水平。

  其次,1999年时批量LED的价格是$0.1/lm (100美元/千流明),比白炽灯零售价高200倍。如果LED当灯泡来用,还需要将市电110/220V转换成低压的变换器、热沉,以及灯头等,

  这样价格还要更高。倘若再将批发和零售渠道的加价计算上去,总体来说在1999年时LED灯的价格要比白炽灯高出34个数量级,对LED灯的应用是一个很大障碍。从红色LED趋势线可以期望LED价格每10年降低10倍,这当然是很有意义的;但是如果没有运转费用降低的帮助,这样的降价速度还是太慢了(见第2部分的讨论)

  换言之,在10年之内LED灯的lm/lamp值是在与白炽灯竞争的过程中;LED灯的$/lm值要想与白炽灯的值竞争,一定要通过减少能耗从而降低运转费用才有可能。

  1.2 2003 年和 2010年的补充材料以及发展趋势

  自1999年起 Haitz 定律的曲线已被定期更新。 2003年,进行了第1次重要的修正。由于不能为文献资料所支持,两个点被删除掉了;根据文献资料,又加入了几个新的点。此外我们除掉了1999年黄色LEDlm/lamp值的点,以免造成混乱;另外又添加了19992003年红色LEDlm/lamp值的点。所得到的新图表于2003年出版,如参考文献[6]的图5所示,表示红色LED35lm/lamp的数据和30$/lm的数据。红色LEDlm/lamp值的趋势线的斜率,1999年的30/10年改变为2003年的20/10;$/lm值的趋势线的斜率维持不变,仍为-10/10年。

  2003年对红色LED已经建立起一套完整的数据和趋势曲线。Haitz[6] 提出理由证明:从红色LED的性能应该能够很好地预测白光LED。他的论据基于下列理由:(a)人眼对红光的灵敏度接近人眼对绿光和蓝光灵敏度的平均值;(b)红光功率约为白光功率的一半。这样说不是很科学,但是就像将第1批冷白光的lm/lamp$/lm的数据叠加在红光LED数据上所显示的那样[见注6] ,红光LED有可能很好地预言白光LED的趋势。

  图1是最近的曲线,是在2010年早些时候得到的。白光LED的数据点(白色的三角形)画在通过红光LED数据点(红色的菱形,三角形,圆圈和方块)所画的趋势线的上方。注意,这里白光的数据是针对现今最常用的蓝光芯片加荧光粉所制造出的色温为50008000K的冷白光而言,只是在2005年之后暖白光才引起商业兴趣。对将来的比较,在暖白光LED的光通量和价格等方面可以与冷白光LED相比较之前,我们只采用冷白光LED的数据。

  请注意,尽管对白光LEDlm/lamp数据的数量级可以由红色LED的趋势线来加以预测,但是lm/lamp数据的增长已经更快。从图1可见,第1批白光LED灯在2000年时为10lm/lamp,要比红色LED的趋势线小2;然而很快,最好的白光LED灯的lm/lamp赶上并超过了红色LED的趋势线。如参考文献[6]所预言的那样,到2010年时白光LED灯的lm/lamp值高出红色LED的趋势线20倍。

  这一斜率的变化是真的吗?在感觉上答案可说是,然而在另一方面又不是。对于这一点,我们将在1.3节予以说明。

  

  图1 (www.pss-a.com)Haitz定律的图显示了两套数据。lm/lamp的这套数据給出在19682010年能够商购的红色和冷白光LED灯的最高光通量。每流明OEM价格的那些数据则给出19732010年有商品供给的红色和冷白光LED灯的每流明光的最低价格。lm/lamp这套数据和每流明光价格的那些数据可能是对同样的灯,也可能是对不同的灯。这两条趋势线都是以红色LED数据为基础,而以白光LED数据叠加在红色LED趋势线上。红色LED趋势线上不同的符号是相应于不同的红色材料技术,这些材料在图的底部已加以说明。

  1.3Haitz 定律和 Moore定律的比较

  在进一步深入讨论之前,我们应该就Haitz 定律和 Moore定律两者之间常见的一些类似点进行一番评论。

  一方面,两个定律都预示了可量度的技术参量在一段时间内稳定而急速的变化。另一方面,这两个定律并非物理意义上的定律,但是它们非常简明地反映了下面二者间含蓄的相互促进关系:具有前景的新兴市场推动了技术进步;由于技术进步推进了新兴市场的开辟。两个定律各自对应的技术和市场则给予它们不同的限制。

  对于Moore定律(#2)和固态电子学,上述的相互促进关系已经得到很好的证明。前景良好的计算机运作市场的扩张需求驱动了技术投资,使得单个芯片上的晶体管数目增加;而单个芯片上的晶体管数目增加使得计算机运作成本得以降低,又使得市场需求进一步得到激活。

  究竟是哪个因素决定了进程的速率,是单个芯片上的晶体管数目,还是市场需求?实际上,对于低成本、高计算机运作能力的需求是没有极限的。近50年来半导体业界一直在采用两种方法努力增加单个芯片上的晶体管数目:减小晶体管的尺寸,减少瑕疵的数目。晶体管的尺寸小了,就能在单位面积上生成更多的晶体管;瑕疵少可靠性提高,就能经济地生产大尺寸的外延片。此外,计算机运作时能耗减少也是很重要的。小晶体管的寄生电容小,可以工作在更低的电压,因而减少了每个脉冲周期的能耗。由于持续减小晶体管的尺寸总是有限制的,因而在每一代新技术出现时总会以为Moore定律将不再成立。但是直到现在晶体管的尺寸已经小到32nm, Moore定律依然很好成立。实际上其最终的极限可能由硅原子的尺寸所决定。

  对Haitz定律和SSL也有与上述类似的相互促进关系,但是带有不同的边界条件和最终的限制,它们受技术和市场需求的影响。

  Haitz定律在过去10年里得到了发展,它反映了LED从小的信号指示光源到功率型的灯的转换。一方面我们看到由于光效和功率的增加,单灯的光通量从1999年的10lm增加到至2010年的6 klm;另一方面冷白光LED灯每千流明的成本 2000年的150美元降到2010年的5美元。成本大幅降低背后的推动力来自于光效的提高、单颗封装功率的增加、更大的芯片、更好的产品和更大量的销售等。

  与计算机运作不同,对SSL的应用需求目前是由现存的照明技术来完成的,但是后者能耗较高。SSL只有在低得多的能耗下能获得现今照明技术同样品质的光通量,才能动摇根深蒂固的传统照明的地位。为达此目的,我们需要功率型的LED灯,它们的光通量在0.110klm范围,光效达150200lm/W

  最大光效的极限值:输入的电功率转化为光功率的效率不可能超过100%;在考虑了人眼对不同波长光的响应之后,如全部电能都转换成可见光,能获得的最大光效为400lm/W(译者注:假定输入的电能全部转换成400 700nm等能量白光,所能获得的光效是240lm/W,色温为5400K,显色指数Ra=95 。考虑到通用照明对显色性有更高的要求,译者认为白光的光效将不会超过300lm/W,本文作者在后面3.3节中也说在接近250~300lm/W时光效将饱和)。根据热力学第一定律,光电转换效率会受到限制。在现今的这10年间转换效率的增加将渐趋平缓(详见第3节的预测部分)这样,能耗将会随光通量而成比例增加。但是Moore定律并无此限制,每次计算机运作的能耗将持续地减少。

  光通量的要求是有限的:照明应用所要求的光通量通常都可以由现在的传统照明技术来提供,要求SSL能产生比其更大的光通量,并非人们所欢迎(太亮会使人眼花瞭乱,产生眩光和光污染),而且代价太高(见上面对转换限制所做的评说)。对居住区和商业照明最合宜的光通量范围分别是3003000lm130klm(#3) 。即使对诸如体育场高清电视转播这类最苛求的应用,也只要求1020Mlm的光通量。可采用1050klmLED模组替代180 klm的金属卤化物灯来有效实现这类照明,只是代价较高。

  考虑到这些限制,我们预见到Haitz定律中对光通量的要求将很快达到。通过将光通量较小的灯用在SSL市场中合宜的部分,灯的lm/lamp性能要求将仅与建立其“显耀的权力”有关。Moore定律也不受这样的限制:在未来的几十年内,对更强的计算机运作的要求将依然如故。

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  注#1:在美国和日本固态照明”(SSL)一词通常被用于描述这一领域,如同19501960年代通常用固态电子学来描述基于半导体晶体管的技术,它们取代了真空电子管。另外,也有其他用词,例如韩国、俄罗斯和德国采用“LED照明,中国则称为半导体照明

  注#2:我们注意到与Haitz定律不同,Moore定律没有明确提出价格问题。但是我们清楚地认识到:在过去的30年中,计算机运作的价格以每年70%的巨大幅度下降,其背后的推手一直是Moore定律。随着对计算能力持续增强并且价格稳定下降的要求,Moore定律还没有面临可预见的应用限制。

说明:  

译文刊载于《中国照明电器》2012 年第12 期和2013 年第1

  

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