可見(jiàn)光LED應(yīng)用：機(jī)遇和責(zé)任

李熹霖

(中國(guó)光學(xué)光電子學(xué)行業(yè)協(xié)會(huì)顯示應(yīng)用分會(huì)技術(shù)組，北京 100058)

0 引言

可見(jiàn)光LED具有節(jié)能、環(huán)保、安全、可靠和便于實(shí)現(xiàn)智能化的優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)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(zhǎng)輔助光照及各類(lèi)照明中。本文主要描述可見(jiàn)光LED在這三個(gè)方面的概況和新進(jìn)展，思考面臨的機(jī)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(guó)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(shí)，也面臨產(chǎn)品同質(zhì)化、產(chǎn)能過(guò)剩、價(jià)格過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)等尷尬局面。

筆者認(rèn)為，創(chuàng)新是LED信息顯示行業(yè)唯一的出路。通過(guò)了解客戶(hù)需求，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，目前已經(jīng)取得了一些成績(jī)：1)小間距顯示屏的開(kāi)發(fā)取得了巨大成功，開(kāi)拓了LED應(yīng)用的新局面，使我國(guó)LED顯示行業(yè)的總體水平提升了一大步；2)產(chǎn)品推向國(guó)際市場(chǎng)，在國(guó)際上擁有良好聲譽(yù)；3)堅(jiān)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(wèn)題，目前擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的發(fā)明專(zhuān)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(mén)和專(zhuān)家的高度評(píng)價(jià)。

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(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)封裝企業(yè)的創(chuàng)新先河；目前，用于顯示屏的國(guó)產(chǎn)LED燈管和SMD芯片，其技術(shù)指標(biāo)可與國(guó)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(yù)好的領(lǐng)軍企業(yè)。

國(guó)家制定的《制造業(yè)發(fā)展規(guī)劃4.0》第一個(gè)目標(biāo)“中國(guó)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(guò)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)，提前實(shí)現(xiàn)LED顯示“中國(guó)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(fèi)型、商用照明型和智能型。每個(gè)類(lèi)型又可以細(xì)分出許多產(chǎn)品門(mén)類(lèi)。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(jìng)爭(zhēng)最激烈。

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

消費(fèi)類(lèi)LED照明產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是走進(jìn)了千家萬(wàn)戶(hù)，其市場(chǎng)規(guī)模之大不可限量。技術(shù)門(mén)檻不高，產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，其嚴(yán)重程度比顯示產(chǎn)業(yè)有過(guò)之無(wú)不及。

筆者認(rèn)為，LED照明應(yīng)用行業(yè)的出路同樣是創(chuàng)新。此類(lèi)照明產(chǎn)品外觀大多與傳統(tǒng)燈具相似，品質(zhì)和價(jià)格沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力，只能在低層次上進(jìn)行價(jià)格戰(zhàn)。之所以設(shè)計(jì)成與傳統(tǒng)燈具相似的外觀，很大程度上是為了讓用戶(hù)更容易接受，所以采取“直接替代”的方式。而在經(jīng)過(guò)十幾年的普及之后，人們已經(jīng)接受了LED照明，就該換一個(gè)思路：最大限度地發(fā)揮LED光源的優(yōu)勢(shì)，規(guī)避其一些弱點(diǎn)，力爭(zhēng)性?xún)r(jià)比最優(yōu)。這就必須按照其特點(diǎn)設(shè)計(jì)電路、工藝和結(jié)構(gòu)，為了方便討論，再次列出LED的特點(diǎn)：直流低壓恒流驅(qū)動(dòng)；結(jié)溫對(duì)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(rèn)為是點(diǎn)光源；單面發(fā)光，芯片輸出光的空間分布是一個(gè)二維的余弦曲面。考慮到這些特點(diǎn)，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(lán)光LED做一級(jí)光源，然后在封裝管殼里摻入黃色熒光粉，如果在藍(lán)光LED芯片COB完成后再整體制作熒光層，那么優(yōu)勢(shì)就會(huì)更加明顯。再如，從系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度，平板燈遠(yuǎn)比球泡燈和日光燈管這兩種形式要好得多?？梢哉f(shuō)，日光燈管形式是LED燈具的最差方式，無(wú)論是電路設(shè)計(jì)、散熱、供電，還是使用、安裝等各方面都不利于LED優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮。

事實(shí)上，LED照明除了節(jié)能環(huán)保之外，還有一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)就是易于控制調(diào)整、實(shí)現(xiàn)智能化。近年迅速發(fā)展的照明情景設(shè)計(jì)和情調(diào)設(shè)計(jì)就是LED照明的高端應(yīng)用。情景照明就是以場(chǎng)所為出發(fā)點(diǎn)，旨在營(yíng)造一種漂亮、絢麗的光照環(huán)境，去烘托場(chǎng)景效果，使人感覺(jué)到特有的場(chǎng)景氛圍；情調(diào)照明則是以人的情感為出發(fā)點(diǎn)，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(dòng)，驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源效率普遍不高，這無(wú)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(guó)專(zhuān)利授權(quán)。

筆者認(rèn)為，或許是受到傳統(tǒng)照明觀念遺留下來(lái)的概念影響，在LED照明時(shí)代有必要重新審視兩個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題：第一個(gè)問(wèn)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(shí)，現(xiàn)在市售的LED燈大多只標(biāo)示瓦數(shù)和色溫，沒(méi)有輸出光通量和壽命(光衰)的指標(biāo)，無(wú)論從使用者還是從質(zhì)量監(jiān)管部門(mén)的角度看，都是很不科學(xué)的。另一個(gè)問(wèn)題是功率因數(shù)，照明產(chǎn)品功率因數(shù)問(wèn)題是從熒光燈等氣體放電燈開(kāi)始的，因?yàn)樗鼈兌急仨毰鋫滏?zhèn)流器，即很大的電感性負(fù)載，感性負(fù)載下電流落后于電壓一個(gè)相位角，這個(gè)相位角的余弦就是功率因數(shù)。因而占用了相當(dāng)大的無(wú)功功率。LED燈也會(huì)有一些無(wú)功功率，這是為了克服閃爍必須在整流后加上電容儲(chǔ)能而產(chǎn)生的，與鎮(zhèn)流器不同的是，它是容性負(fù)載，電流領(lǐng)先于電壓。如果把感性負(fù)載的功率因數(shù)定義為正，容性負(fù)載的功率因數(shù)就是負(fù)，這兩者的無(wú)功功率是可以補(bǔ)償?shù)窒摹Ｊ聦?shí)上許多家用電器如冰箱、空調(diào)、電風(fēng)扇等都是感性負(fù)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(duì)于中小瓦數(shù)的LED燈具標(biāo)示帶有符號(hào)的功率因數(shù)或無(wú)功功率，而不必規(guī)定必須達(dá)到某一個(gè)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(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)的研究由來(lái)已久。目的在于用人工方法創(chuàng)造適合植物生長(zhǎng)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(yíng)養(yǎng)液，采用無(wú)土栽培，立體密集種植，人工控制水和二氧化碳的濃度，自動(dòng)溫/濕度調(diào)節(jié)，用特定波長(zhǎng)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(bào)道國(guó)外已有成功實(shí)例，而且有望造就一個(gè)萬(wàn)億級(jí)的巨大產(chǎn)業(yè)和藍(lán)海市場(chǎng)。

我國(guó)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(jìn)了人工光照的應(yīng)用。首先是因?yàn)長(zhǎng)ED可以高效產(chǎn)生植物生長(zhǎng)所需波長(zhǎng)的光，安全可靠、價(jià)格低廉、便于使用。

高等植物光合作用所需的光是400～460nm藍(lán)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(shí)驗(yàn)表明，在作物栽培中增加紅光照射量，會(huì)抑制側(cè)根的生長(zhǎng)，但能提高作物的含糖量；增加藍(lán)色光，會(huì)抑制葉柄的伸長(zhǎng)，但作物的蛋白質(zhì)含量增加。在育種萌芽階段，藍(lán)紫光會(huì)促進(jìn)發(fā)芽和使幼芽粗壯。

不同的植物吸收的波長(zhǎng)峰值有差別，同一種植物不同生長(zhǎng)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(duì)于兩種葉綠素之比，陽(yáng)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(kāi)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(jìn)行。

植物專(zhuān)家指出，植物的生長(zhǎng)發(fā)育、開(kāi)花結(jié)果是通過(guò)光合作用、光形態(tài)建成、光周期調(diào)節(jié)來(lái)完成的，這些都離不開(kāi)光的參與和調(diào)節(jié)。恰當(dāng)而及時(shí)地使用和調(diào)節(jié)光照極為重要。

這就是說(shuō)，不僅要?jiǎng)?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(zhǎng)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(qiáng)度和光照時(shí)間等，力爭(zhēng)為農(nóng)作物創(chuàng)造最佳的發(fā)芽、生長(zhǎng)、開(kāi)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(shí)滿(mǎn)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(lán)綠光為主，使用日光燈、節(jié)能燈、高壓汞燈、鈉燈等時(shí)還需白熾燈作為補(bǔ)充，其效率之低顯而易見(jiàn)。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(jiàn)光到紅外的全光譜的光，因而可以根據(jù)需要進(jìn)行選擇。2)可以控制光線的照射方向和強(qiáng)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(jì)原理和方法是相同的。

要特別強(qiáng)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(jué)無(wú)關(guān)，植物照明應(yīng)用屬于光的非視覺(jué)應(yīng)用，與顯示照明等視覺(jué)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(cè)量?jī)x表也不適用。

4 結(jié)束語(yǔ)

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

顯示應(yīng)用發(fā)展得最早，在LED的各種視覺(jué)應(yīng)用中實(shí)時(shí)全彩視頻顯示大屏具有最高的技術(shù)含量。但是相對(duì)來(lái)說(shuō)，顯示應(yīng)用的市場(chǎng)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(wú)限的，雖然經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，仍然方興未艾，筆者認(rèn)為，就當(dāng)前應(yīng)用最大限度發(fā)揮LED的優(yōu)勢(shì)而言，還僅僅是開(kāi)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?xún)r(jià)比，LED從業(yè)者必須與農(nóng)業(yè)專(zhuān)家緊密結(jié)合和合作。