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      如何经由LED封装设计改善流明衰减

      根据Nadarajah Narendran和Keith Toomey的说法,在构装设计方面的改进,预期将可为以LED为基础的照明灯具延长至十万小时的寿命。
       
      自电力照明被引介之后,在一世纪的期间,仅有两种型态的光源技术──白炽灯和电力放电──曾经共存过。标准的住宅照明灯泡是属于白炽光源的家族,而用于办公室直线式的荧光灯,及在街道上看到之钠灯,则是电力放电式家族的例子。而此刻,第三种型式的光源科技──发光二极体(Light Emitting Diode;LED),正在崭露头角并具有很好的前途。作为第一个固态照明的科技,LED有提供显著的能源节约和长寿命的潜力。这些因素已将一般照明社群吸引到这一个新的科技了。

      LED做为有效率的光源

      对大多数的人们,LED这个名词仅与经常在电子设备上所看到的小型指示灯相关,例如:收音机和遥控器。虽然LED是在1960年代后期开发出来的,而研究人员和开发者,却花费了近三十年制造用此一科技的白光。然而在此期间,有颜色的LED之强度显著地增加许多,允许它们被用在很多样的应用上。在 1990年代的后半期间,LED开始在交通号帜上取代了白炽灯。在此一应用方面,与其对应的白炽灯比较,LED已显示可节省超过80%以上所用的能源。如此大的能源节约可被实现,是因为传统的彩色的号帜,在白炽灯上须用光学的滤器。这些滤器吸收,并浪费了显著的由光源所产生的一部分的辐射能源。另一方面来 说,LED以一个狭窄波段来发光,因而可以有效率地产生彩色的光。


      图一:5mm封装的LED在温度控制环境下的情况

      当LED在交通号帜上取代白炽灯时,它们不只是以能源效率来展露;事实上,一些制造商宣称他们的LED可维持十万小时。

      当白光LED技术逐步进化时,产业界专家预期LED将可能使照明工业产生突破性的变革,包括:在照明的领域。听到这个后,一些早期的采用者很快地就创造了一种光源,使用5mm 白光LED数组包装在一个灯壳内。这些「LED灯泡」模仿标准的白炽灯泡,而且他们的制造者宣称,他们是较白炽灯更有能源效率的,而且像他们的彩色对手一样可持续十万小时。这导致许多人相信,白光LED是准备好去取代白炽灯了。

      白光LED的寿命

      然而,现实却无法实践初期的宣示。在2000年代初期,研究人员的发表显示,这些5mm 白光LED的光线输出下降地非常迅速。在仅约6000小时内,光线的输出下滑到其初始值的一半以下(Narendran et al. 2000 and 2001a)。仅管有这项信息,以及许许多多的文章已显示,5mm的白光LED非常快地衰减,很多制造商仍继续宣称他们将可持续十万小时。另一篇最近的刊物显示,甚至于不同的彩色5mm LED,随着时间变化而不会以同样的方式衰减(Narendran et al. 2001b)。这些LED是在一温度控制的房间中测试的,而他们是被装设在如<图一>所示的印刷电路板上。不同色彩之LED的光线输出之劣化,是显示在<图二>。红色LED的光线输出,是以较白光LED慢甚多的速率衰减,而绿光和蓝光 LED则以中等的速率衰减。LED是封装在一个与外界隔离的灯具中,在其中周遭的温度是较在温度控制的研究为高一些,而将遭受到更高的衰减速率。所以,所宣称的LED灯具,以包装的数组5 mmLED,白色或彩色的,其有十万小时寿命是骗人的。这些LED的确是可维持十万小时,但是他们的输出可能不够用于灯具的原定之应用了。五千小时之可用的寿命,对于5mm LED灯具来说可能是更为贴切的。


      图二:20mA下,5mm封装LED衰减情况

      较新的LED封装

      标准的5 mm LED封装原是被设计用在指示灯的应用,但是在操作时,他们的设计不允许自LED芯片,有足够之热传导以维持冷却。当芯片的温度升高时,这个装置会更快速地劣化。另一个问题是5mm 的白光LED,会使树脂黄化而减低了光线的输出,并且增加光线输出的劣化速率。然而乐观是有理由的;较新的高功率LED封装已被设计用在照明的应用了。这些高功率LED,每一装置产生十到二十倍更多的光通量,而与5 mm的封装相比更为有效。

      此外,一份近期之刊物已显示,新高功率白光LED封装之流明的劣化,与5 mm封装相较已降低相当地多了(Narendran et al. 2001b)。一些制造商经由适当地吸收热量,并将LED封装在不会随时间劣化的材料,似乎已解决了劣化的问题。即使是传统的光源,例如:白炽灯、卤素 灯、荧光灯和金属卤化物灯,均展现出在他们的操作寿命期间之光线输出衰减。<图三>显示不同的白色光源,其光线输出随时间变化的比较。高功率的LED有非常低的光线输出劣化,根据<图三>的初步数据,在装置的架构的进步,光线的吸收和散热已使得高功率LED能有所进展,它提供了改善的发光功效,并提高了照 度的维持度。


      图三:白光光源在不同环境下的比较

      这些进步已使徥白光LED科技更有用于一般照明的应用的可能性了。假若LED工业能够维持这些进步的趋势,在未来的五至十年间,固态照明将可有明显的市场突破。

      未来在照明的LED

      以LED菜单现之改善,固态照明正吸引了更多由照明界来的注意力。一般照明的市场是很巨大的,但是突破那个市场将需要更高价的LED产品。制造商将必须继续致力于更长寿命的白光LED,并有着更高的功效、更高的照明通量和改善的颜色性质。照明研究中心(Lighting Research Center)现正在确认一些参数,其可以被改善以提供为人们可接受之有品质的照明。

      使用LED的照明,对于建筑学上可能会有重要的冲击。试着想象一位建筑师,他可以自由地设计建筑,将全部的照明系统建于墙壁、天花板、甚致在地板里面。当照明用的LED可达到很长寿命时,换一个灯泡的杂务将被归类为一个博物馆中的展示项目了(注:很久才换一次)。

      新的照明产品变成建筑的一部分,对于这个产业将会需要一全新的方向,而这种改变可能不是容易的。现在由天花板上吊挂的灯具,或在墙壁上的均将会消失,虽然设计师可找到更有审美观取悦的方式来运用LED的科技,而不仅只是将LED隐藏在墙壁里面。制造商以及设计师和建筑师,将需要改变以跟上快速进化的 LED。 (关于作者:Nadarajah Narendran 和 Keith Toomey 是在纽约Troy市的Rensselaer Polytechnic Institute之照明研究中心工作。)

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