本文將結(jié)合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無(wú)金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術(shù)。

　　LED照明具有光效更高、壽命更長(zhǎng);不含有害物質(zhì)汞;使用壽命與燈的開(kāi)關(guān)次數(shù)幾乎無(wú)關(guān)、可提倡“隨手關(guān)燈”;可以瞬間起亮等突出優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為終將替代白熾燈和節(jié)能燈，成為節(jié)能照明的主流。實(shí)際上，只有在LED燈的性價(jià)比全面超過(guò)白熾燈、特別是超過(guò)目前廣泛使用的節(jié)能燈后才能成為通用照明燈的主流。

　　而LED照明的課題看起來(lái)十分明確，即在保證光質(zhì)量的前提下光效需要大幅提高，例如比節(jié)能燈高一倍以上;價(jià)格需要大幅下降，最好接近節(jié)能燈;使其性價(jià)比明顯優(yōu)于節(jié)能燈。

　　目前的LED通用照明燈大多由功率型LED加金屬散熱器和恒流驅(qū)動(dòng)電路構(gòu)成。笨重的金屬散熱器不僅增加了燈的成本和重量，同時(shí)要消耗大量鋁資源，有悖環(huán)保。一個(gè)LED燈就像一個(gè)金屬球，不利于安全，特別是大功率LED燈。因此，目前不少消費(fèi)者購(gòu)買時(shí)還是選擇節(jié)能燈。

　　本文將結(jié)合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無(wú)金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術(shù)。

　　該LED通用照明燈的整燈發(fā)光效率比熒光節(jié)能燈高一倍以上;顯色指數(shù)可高達(dá)96;可制造光通量為幾十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈，L70壽命可達(dá)30000小時(shí)?？芍苯犹鎿Q10～100W和更大功率的白熾燈和相當(dāng)光通量的熒光節(jié)能燈。

　　一、 LED芯片4π出光、提高PN結(jié)光提取率和實(shí)際光效

　　白光LED發(fā)光過(guò)程的能效η為：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：內(nèi)量子效率;ηO：外量子效率;ηC：光子下轉(zhuǎn)換損失;K：發(fā)光粉吸收。

　　有人分析，在理想情況下[1]，ηI = 0.95;ηO = 0.5;ηC = 0.875;K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。這里的外量子效率ηO 指的是光子在出射過(guò)程中被芯片、窗口材料，熒光粉及透鏡等沿途吸收或在不同折射率介質(zhì)界面反射回芯片內(nèi)部再被吸收等的結(jié)果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功當(dāng)量為320 lm/W計(jì)算，則最高光效為320×0.395=126 lm/W。這顯然是被低估了。但由此我們可以看到提高LED光效的一個(gè)重要并有巨大潛力的因數(shù)是提高光提取率。

　　LED的光來(lái)自LED芯片的PN結(jié)，其發(fā)光原本是4π立體角全方位均勻出射的自然光，但目前幾乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的應(yīng)用從初期的指示燈到數(shù)碼顯示和目前的彩色大屏幕顯示、液晶顯示的背照明等，在這些應(yīng)用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透鏡等聚集向前方、即轉(zhuǎn)變?yōu)?le;2π出射的光，包括直插式、草帽式、表面貼(SMD)和COB等;這樣的變換對(duì)于這些應(yīng)用是需要的，也是正確的。

　　不過(guò)，這樣的變換讓芯片原本向后發(fā)射的光聚集向前方，將明顯降低PN結(jié)發(fā)射的光的提取率，即降低了LED的實(shí)際有效光效，這對(duì)于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果讓LED芯片4π出光，將可明顯提高LED PN結(jié)產(chǎn)生的光子的提取率、即提高LED的實(shí)際光效。

　　圖1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意圖。LED芯片被安裝在光反射碗的底部，反射碗內(nèi)有光出射面為平面或曲面的透明介質(zhì)(圖1中為平面的例子)。