由美国麻省理工学院(MIT)和普渡大学(Purdue
University)组成的研究团队宣称,研究人员们正成功地结合传统灯泡的温暖外观以及21世纪的能源效率。尽管这项研究属于纳米光子学领域,但MIT的研究人员认为这项在灯泡研究的成果,也适用于其他能量转换技术。

8月14日,湖南省召开加快推进新型城镇化工作会议,发布了《湖南省市政绿色照明改造工程实施方案》。根据方案公布的内容,到2017年,将完成湖南省县以上城镇市政绿色照明改造,规划改造100万盏左右市政路灯,同时提高城镇夜景景观照明节能水平,全省城镇照明综合节电率达40%以上。

CSP 封装产品不是为了要取代掉现有 LED
封装的存在,而是让业界有机会走向不同风貌的产业分流趋势。传统的 LED
封装有很多种形式,从高功率 LED 采用的打线、基板、电路板模式,到
PLCC、COB 封装等等,业界因应 LED 背光与 LED
照明的应用特性,开发了多种封装体形式给市场上使用。而发展到 CSP LED
封装时,这是一种 LED 封装结构的升级与变化,解决了传统 LED
封装在节省成本下,面临的收光角度、可靠度、亮度、机构强度的问题。

研究人员开发的这种新结构采用了真空中的传统钨丝,透过外部涂层或环绕次级结构,能够撷取可见光外部的辐射,并使其反射回灯丝,以便被重新以可见光吸收后再
次发射。这些光子晶体形式的结构采用地球上丰富的元素以及传统材料沉积技术加以制造:不仅可作为IR波长的反射器,也成为了可见光光谱的带通或高通光谱滤
波器。热能不断返回灯丝,并且随着电流的电阻加热提高灯丝温度而持续累积。

根据实施方案部署,下阶段将分四个步骤实施推进市政绿色照明改造工程。第一阶段为2012年至2013年,以创建示范为主,先实施试点建设,探索建设管理模式,完善相关机制。

市场上有一些 LED 厂商进行的 CSP LED
产品,只是覆晶结构,加上了有荧光粉的封胶,就以 CSP
产品的风貌销售,但这并不是真正良好的 CSP 封装,因为这种 LED
没有足够的结构保护 LED
芯片本身,产品的可靠度、信赖性就会碰到问题,市场上也存在着不同声音的反馈,迫使厂商设法要改善相关的设计。

研究人员指出该方案在理论上约可达到40%的发光效率,不过至今所制造的组件大约在6%左右。然而,这已经能媲美紧凑型荧光灯(compact
fluorescent;CFL)以及现有LED灯的光源了。

第二阶段为2014年至2015年6月,以重点城市推广为主,在设市城市中大力推广,力争全省29个设市城市均启动市政绿色照明改造工程,并确保13个地级市和吉首市完成改造任务。

CSP
LED产品光学设计随着减去支架,产品更小,产品的单位面积流明度大幅增加,可以增加产品的设计弹性。从最终端客户要求来说,产品减薄、光学设计弹性增加,产品可靠度稳定,因此CSP
LED 更能提供设计上的解决方案。

根据MIT表示,白炽灯的灯光、温暖以及令人熟悉的光芒已经存在超过一世纪了,在全球各地的家庭应用中几乎不曾发生改变。然而,随着法规持续提升能效的目标,目前正迅速发生的变化是逐步淘汰旧式灯泡,转而采用更加高效的紧凑型荧光灯(节能灯泡)以及新的LED灯。

第三阶段为2015年7月至2016年底,在全省全面推开改造工作,确保29个设市城市和32个县城完成改造任务,确立明确的市政绿色照明节能减排目标,落实考核机制。

以LED手电筒来说,我们知道市场上的代表作品就是美国厂商的LED高功率芯片,只要搭配好光学的透镜,做好LED手电筒的结构,厂商出货和客户使用的流程是很顺利的。但现行的LED元件比较大颗,如果LED手电筒厂商想要相同瓦数,更小的LED元件尺寸,更远的照射有效距离,该怎办呢?在这个市场已经有人给出解决方案,可以提供更小尺寸,比方说四分之一或更小的白光芯片,这样应用在投射、照射光源就有很好的光学设计,收光可以更好,单位面积的发光效率也佳。

由爱迪生(Thomas
Edison)开发的白炽灯泡原理是将钨丝加热至大约2,700℃的温度。在此高温下的钨丝会发射出所谓的黑体辐射,这种极其广泛的光谱可提供暖光以及各
色光源。不过,大约有95%以上的能量都会因为热而耗散。这就是为什么许多国家已明令禁止或淘汰这种低效的技术。如今,MIT与普渡大学的研究人员已经找到扭转这一切的方法。

第四阶段为2017年,深入推进改造工作,对经济相对落后地区加大支持力度,完成全省县以上城镇市政绿色照明改造目标。

由于LED产业面临到市场变化,产业与技术出现分流趋势。既存产业发展出规模经济,大者恒大的厂商存在,小的厂商需要寻找出属于自己的市场经营与销售。

新的研究成果发表于《自然纳米技术》(Nature
Nanotechnology)期刊。根据研究人员指出,这项研究的关键在于建立一个两阶段的过程。在第二步骤中回收先前浪费的能量,这让系统能够更高效地将电能转换成光能。其中之一是表征光源的发光效率,必须考虑到人眼的反应。传统白炽灯的发光效率大约2-3%,而荧光灯(包括节能灯泡)则为
7-15%,大部份的LED则在5-15%之间;而新开发的2阶段白炽灯则可望实现高达40%的发光效率。

同时,将针对改造工作建立严格的考核奖惩制度,将项目建设情况与实施效果挂钩。完成改造任务的地区将由省住建厅组织督查,一旦发现实施效果不好、有关指标不达标,将通过收回奖补资金、通报批评等方式责令这个地区整改。同时,审计部门也将负责对实施的项目和投入的资金依法进行审计督查。

CSP
LED产品应用在传统背光与照明市场上,虽然会遇到与原来产品价格竞争,但是在特殊照明与车用照明市场,客户拥有更高的设计弹性。特殊商业照明,天井灯、投射灯、手电筒、手机闪光灯等投射类的产品要求光学设计,因此采用CSP
LED产品可达到收光功能,单位面积的光通量 (lm/mm) 能达到最佳的利用。

不过,研究团队开发的首款概念验证原型尚未达到这样的理想,而是大约6.6%的发光效率。但即使这是初步的成果,也已经可媲美目前的CFL与LED,而且也可能让白炽灯泡提高3倍的发光效率了。

CSP封装并非要取代 LED 封装厂,而是和 LED
封装厂、终端应用厂商有更深入的合作,大家各自分流分工,透过 CSP
这样的产品结构,找出适当的利基型市场,发挥这方面的最大综效。

研究人员成功的关键之一在于设计出一种光子晶体,适用于相当宽广的波长范围与角度。这种光子晶体本身是在基板上沉积薄层堆栈而制造的。

当你堆栈薄层时,必须采用正确的厚度和顺序,MIT教授Ognjen
Ilic解释,你就能够十分高效地调整材料与光源间的互动。在新开发的系统原型中,理想的可见光波长直接通过材料后由灯泡发射出来,但红外线波长会像镜
像作用一样被反射回灯丝,累积更多的热后再转换成光。由于只有可见光能够辐射出来,热量持续反弹回钨灯丝,直到最终成为可见光为止。

除了灯泡以外,该技术还能用于实现其它更多应用,MIT教授Marin
Soljacic表示。相同的途径将会对于能量转换机制带来显著的影响,例如热-光电组件,其热能来自外部光源(化学物质、阳光等)而使物质发光,它
能透过光电吸收器使其发射能够转换成电能的光线。

Soljacic说:了解各种组件的基本属性,如光、热及其重要互动,以及光的能量如何更有效率地利用,对于广泛的掌握各种物质来说都是十分重要的。此外,控制热发射的能力也至关重要。这是对这项研究的实质贡献。

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