可見光LED應(yīng)用：機遇和責(zé)任

李熹霖

(中國光學(xué)光電子學(xué)行業(yè)協(xié)會顯示應(yīng)用分會技術(shù)組，北京 100058)

0 引言

可見光LED具有節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠和便于實現(xiàn)智能化的優(yōu)點，在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，其中，主要應(yīng)用于信息顯示、植物生長輔助光照及各類照明中。本文主要描述可見光LED在這三個方面的概況和新進展，思考面臨的機遇、挑戰(zhàn)和責(zé)任。

1 LED顯示應(yīng)用

LED用于信息顯示在我國有近三十年的歷史了，已形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品涵蓋從一般文字信息發(fā)布到高端全彩視頻顯示屏。同時，也面臨產(chǎn)品同質(zhì)化、產(chǎn)能過剩、價格過度競爭等尷尬局面。

筆者認為，創(chuàng)新是LED信息顯示行業(yè)唯一的出路。通過了解客戶需求，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，目前已經(jīng)取得了一些成績：1)小間距顯示屏的開發(fā)取得了巨大成功，開拓了LED應(yīng)用的新局面，使我國LED顯示行業(yè)的總體水平提升了一大步；2)產(chǎn)品推向國際市場，在國際上擁有良好聲譽；3)堅持科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖黠L(fēng)，研究行業(yè)發(fā)展中的關(guān)鍵技術(shù)問題，目前擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的發(fā)明專利居行業(yè)前茅；4)在創(chuàng)意屏方面，接連完成非常有特色的超大型天幕和景觀屏；5)LED三維立體顯示方面，產(chǎn)品得到主管部門和專家的高度評價。

上游的芯片和封裝企業(yè)也有創(chuàng)新發(fā)展，十年前創(chuàng)造的“三基色燈管配光曲線完全吻合”發(fā)明，開創(chuàng)了國內(nèi)封裝企業(yè)的創(chuàng)新先河；目前，用于顯示屏的國產(chǎn)LED燈管和SMD芯片，其技術(shù)指標(biāo)可與國際知名品牌媲美；此外，在控制系統(tǒng)和其他配套設(shè)施及服務(wù)方面也形成了一批水平高、信譽好的領(lǐng)軍企業(yè)。

國家制定的《制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃4.0》第一個目標(biāo)“中國制造2025”，著力于自主創(chuàng)新能力、資源利用效率、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)水平、信息化程度、質(zhì)量效益等方面趕超世界水平。相信以目前的水平，完全有可能通過創(chuàng)新驅(qū)動，提前實現(xiàn)LED顯示“中國制造2025”的目標(biāo)。

2 LED照明應(yīng)用

LED照明應(yīng)用大致可以分為消費型、商用照明型和智能型。每個類型又可以細分出許多產(chǎn)品門類。在LED的各種應(yīng)用中，LED照明產(chǎn)業(yè)規(guī)模最大、從業(yè)人員最多、競爭最激烈。

本文主要從技術(shù)層面探討我國消費類LED照明產(chǎn)品的現(xiàn)狀和創(chuàng)新之路。

消費類LED照明產(chǎn)品的最大特點是走進了千家萬戶，其市場規(guī)模之大不可限量。技術(shù)門檻不高，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，價格競爭激烈，其嚴(yán)重程度比顯示產(chǎn)業(yè)有過之無不及。

筆者認為，LED照明應(yīng)用行業(yè)的出路同樣是創(chuàng)新。此類照明產(chǎn)品外觀大多與傳統(tǒng)燈具相似，品質(zhì)和價格沒有競爭力，只能在低層次上進行價格戰(zhàn)。之所以設(shè)計成與傳統(tǒng)燈具相似的外觀，很大程度上是為了讓用戶更容易接受，所以采取“直接替代”的方式。而在經(jīng)過十幾年的普及之后，人們已經(jīng)接受了LED照明，就該換一個思路：最大限度地發(fā)揮LED光源的優(yōu)勢，規(guī)避其一些弱點，力爭性價比最優(yōu)。這就必須按照其特點設(shè)計電路、工藝和結(jié)構(gòu)，為了方便討論，再次列出LED的特點：直流低壓恒流驅(qū)動；結(jié)溫對于發(fā)光管的效率和壽命有決定性的影響；芯片發(fā)光面很小，從使用的角度完全可以認為是點光源；單面發(fā)光，芯片輸出光的空間分布是一個二維的余弦曲面。考慮到這些特點，就很容易明白傳統(tǒng)的白熾燈、日光燈和氣體放電燈的思路與LED有著很大差別。

例如，用成品的LED燈珠(lamp)組裝成各種燈具，相比用COB方法將LED芯片(chip)安裝在散熱良好材料(陶瓷、鋁基板、新興的石墨烯材料等)的基板上，制作成燈具光源，其效率、壽命、工藝、成本的優(yōu)劣立顯。如目前照明所用的白光LED都是用藍光LED做一級光源，然后在封裝管殼里摻入黃色熒光粉，如果在藍光LED芯片COB完成后再整體制作熒光層，那么優(yōu)勢就會更加明顯。再如，從系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，平板燈遠比球泡燈和日光燈管這兩種形式要好得多。可以說，日光燈管形式是LED燈具的最差方式，無論是電路設(shè)計、散熱、供電，還是使用、安裝等各方面都不利于LED優(yōu)勢的發(fā)揮。

事實上，LED照明除了節(jié)能環(huán)保之外，還有一個突出的優(yōu)點就是易于控制調(diào)整、實現(xiàn)智能化。近年迅速發(fā)展的照明情景設(shè)計和情調(diào)設(shè)計就是LED照明的高端應(yīng)用。情景照明就是以場所為出發(fā)點，旨在營造一種漂亮、絢麗的光照環(huán)境，去烘托場景效果，使人感覺到特有的場景氛圍；情調(diào)照明則是以人的情感為出發(fā)點，從人文的角度去創(chuàng)造一種意境般的光照環(huán)境。

由于LED使用低壓恒定直流驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)的供電電源成為有決定性意義的部件，但是目前廣泛使用的小功率開關(guān)穩(wěn)壓電源效率普遍不高，這無疑將最終限制LED照明產(chǎn)品的節(jié)能效果。目前深圳某公司發(fā)明的自適應(yīng)光引擎使用線性恒流方案，可以在電網(wǎng)電壓180～280V范圍內(nèi)保持99%的效率，已得到美國專利授權(quán)。

筆者認為，或許是受到傳統(tǒng)照明觀念遺留下來的概念影響，在LED照明時代有必要重新審視兩個常見問題：第一個問題是關(guān)于燈具的性能指標(biāo)，LED照明燈具的功率究竟應(yīng)該怎樣標(biāo)識，現(xiàn)在市售的LED燈大多只標(biāo)示瓦數(shù)和色溫，沒有輸出光通量和壽命(光衰)的指標(biāo)，無論從使用者還是從質(zhì)量監(jiān)管部門的角度看，都是很不科學(xué)的。另一個問題是功率因數(shù)，照明產(chǎn)品功率因數(shù)問題是從熒光燈等氣體放電燈開始的，因為它們都必須配備鎮(zhèn)流器，即很大的電感性負載，感性負載下電流落后于電壓一個相位角，這個相位角的余弦就是功率因數(shù)。因而占用了相當(dāng)大的無功功率。LED燈也會有一些無功功率，這是為了克服閃爍必須在整流后加上電容儲能而產(chǎn)生的，與鎮(zhèn)流器不同的是，它是容性負載，電流領(lǐng)先于電壓。如果把感性負載的功率因數(shù)定義為正，容性負載的功率因數(shù)就是負，這兩者的無功功率是可以補償?shù)窒摹Ｊ聦嵣显S多家用電器如冰箱、空調(diào)、電風(fēng)扇等都是感性負載，而且它們的功耗比起照明燈具而言要大得多。所以更合理的方法是對于中小瓦數(shù)的LED燈具標(biāo)示帶有符號的功率因數(shù)或無功功率，而不必規(guī)定必須達到某一個數(shù)值，如0.9等。

3 LED植物輻照應(yīng)用

利用人造光(PARS)保證和促進農(nóng)作物生長的研究由來已久。目的在于用人工方法創(chuàng)造適合植物生長所需的環(huán)境。它催生了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新生事物：植物工廠。使用營養(yǎng)液，采用無土栽培，立體密集種植，人工控制水和二氧化碳的濃度，自動溫/濕度調(diào)節(jié)，用特定波長的LED光作為人工輻照光源(PARS)取代日光，種植蔬菜瓜果。據(jù)報道國外已有成功實例，而且有望造就一個萬億級的巨大產(chǎn)業(yè)和藍海市場。

我國同樣非常重視PARS的研究和應(yīng)用。在LED出現(xiàn)之前，基本上使用白熾燈、日光燈或節(jié)能燈作為人工光源。LED的出現(xiàn)，極大地推進了人工光照的應(yīng)用。首先是因為LED可以高效產(chǎn)生植物生長所需波長的光，安全可靠、價格低廉、便于使用。

高等植物光合作用所需的光是400～460nm藍紫光波段和600～700nm紅光波段，綠光則大部被反射出去。所以人們看到的葉子是青翠的綠色。實驗表明，在作物栽培中增加紅光照射量，會抑制側(cè)根的生長，但能提高作物的含糖量；增加藍色光，會抑制葉柄的伸長，但作物的蛋白質(zhì)含量增加。在育種萌芽階段，藍紫光會促進發(fā)芽和使幼芽粗壯。

不同的植物吸收的波長峰值有差別，同一種植物不同生長階段所需的光色也有差異。研究發(fā)現(xiàn)，高等植物的葉綠素有a、b兩種，對于兩種葉綠素之比，陽性植物高于陰性植物。葉綠素a吸收光譜的峰值分別在420nm和663nm，葉綠素b的峰值分別在460nm和645nm。因此，研究和開發(fā)人造光源(PARS)就是盡可能準(zhǔn)確地模擬植物的吸收光譜，以求研制出特種發(fā)光材料，使其發(fā)射光譜最大限度地接近植物的吸收光譜以產(chǎn)生共振吸收，促使光合作用高效地進行。

植物專家指出，植物的生長發(fā)育、開花結(jié)果是通過光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)來完成的，這些都離不開光的參與和調(diào)節(jié)。恰當(dāng)而及時地使用和調(diào)節(jié)光照極為重要。

這就是說，不僅要創(chuàng)造出適合于農(nóng)作物光質(zhì)的人造光，還要能根據(jù)作物生長的階段、狀態(tài)及水肥溫度等因素，恰當(dāng)?shù)卣{(diào)整和控制其光譜組成、光照強度和光照時間等，力爭為農(nóng)作物創(chuàng)造最佳的發(fā)芽、生長、開花、結(jié)果的環(huán)境，確保農(nóng)業(yè)的發(fā)展和豐收。

在LED出現(xiàn)之前，人造光很難同時滿足上述所有要求，白熾燈發(fā)出的光中90%是紅外線，只有10%的紅光，而日光燈、節(jié)能燈則以藍綠光為主，使用日光燈、節(jié)能燈、高壓汞燈、鈉燈等時還需白熾燈作為補充，其效率之低顯而易見。而且將這些燈高懸在大棚頂部，照的黑夜里如同白晝，真正被植物吸收的微乎其微，能源的利用率也非常低。LED受到青睞的原因主要有：1)它能發(fā)出從紫外到可見光到紅外的全光譜的光，因而可以根據(jù)需要進行選擇。2)可以控制光線的照射方向和強弱，使能量得到充分利用。在這方面，顯示應(yīng)用和照明應(yīng)用的設(shè)計原理和方法是相同的。

要特別強調(diào)，植物光合應(yīng)用是提供植物所要吸收的光能，與人的視覺無關(guān)，植物照明應(yīng)用屬于光的非視覺應(yīng)用，與顯示照明等視覺應(yīng)用有根本性的區(qū)別。在植物照明應(yīng)用中，熟悉的流明、照度等概念并不適用，亮度、色度的測量儀表也不適用。

4 結(jié)束語

本文簡述LED顯示應(yīng)用、照明應(yīng)用和植物輻照應(yīng)用三個領(lǐng)域的概況。

顯示應(yīng)用發(fā)展得最早，在LED的各種視覺應(yīng)用中實時全彩視頻顯示大屏具有最高的技術(shù)含量。但是相對來說，顯示應(yīng)用的市場在LED各種應(yīng)用中是比較小的。

在照明領(lǐng)域內(nèi)LED的應(yīng)用是無限的，雖然經(jīng)過近二十年的發(fā)展，仍然方興未艾，筆者認為，就當(dāng)前應(yīng)用最大限度發(fā)揮LED的優(yōu)勢而言，還僅僅是開始。

植物光合作用輻照應(yīng)用是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分，在這方面LED的應(yīng)用還剛剛起步，為了創(chuàng)造最大效益和最佳的性價比，LED從業(yè)者必須與農(nóng)業(yè)專家緊密結(jié)合和合作。