一、项目提出的背景、意义及必要性
当今世界高新技术产业发展有一个值得注意的动向是，半导体技术继引发微电子革命之后，又在孕育一场新的产业革命-照明革命，其标志是半导体灯将逐步替代白炽灯和荧光灯。由于半导体照明具有节能、长寿命、免维护、环保等特性，业内普遍认为，半导体灯替代传统的白炽灯和荧光灯是大势所趋。面对世界照明工业的重大转型和半导体照明新兴产业的崛起，我国必须紧紧咬住并迅速做出反应，否则就可能又一次与历史机遇失之交臂。
我国是全球{zd0}的照明市场，同时又是第二大灯具生产国和{dy}大出口国。而当前我国能源短缺现象严重，未来国民经济发展存在明显的能源瓶颈，所以半导体照明的发展意义尤为重要。
面对半导体照明市场的巨大诱惑，世界三大照明工业巨头通用电气、飞利浦、欧斯朗纷纷与半导体公司合作，成立半导体照明企业，并提出要在2010年前，使半导体发光效率再提高8倍，价格降低100倍。一场抢占半导体照明产业制高点的争夺战，已经在全球打响。
我国发展半导体照明产业有三大优势：首先，拥有巨大照明市场；其次，我国在此领域已具备一定技术和产业基础，是我国为数不多的与发达国家差距不大的高新产业；{zh1}，发展半导体照明产业能够发挥我国的比较优势。半导体照明生产技术开发作为国家“十一五”科技攻关重大项目已正式立项，鼓励国内企业研究开发半导体照明产品。国家提出在十一五期间的战略目标是：突破一批半导体照明的关键技术、掌握一批半导体照明技术的知识产权、形成我国自己的半导体照明产业链。
据行业分析机构CIR的研究报告预测，全球发光二极管的市场销售额将从2004年的132亿美元增至2008年的256亿美元。CIR的报告称，2004年到2008年，高亮度发光二极管或基于半导体灯具的市场销售额将由116亿美元增至226.4亿美元，而超大型亮度发光二极管的市场销售额则会从2006年起实现快速增长，并将于2008年赢得全球市场份额的22%。美国能源部提出的“下一代照明光源计划”已被列入了“能源法案”，该计划为期10年，美国政府从2003年到2011年，将投入5亿美元实施国家半导体照明计划；日本政府1998年投资60亿日元，开始实施国家“21世界照明计划”。
根据中国光学光电子行业协会光电器件分会的初步统计，2003年我国半导体照明灯具产量达200亿只，其增长率为25%，其中超高亮度半导体照明灯具约50亿只，增长率达到50%，增长空间巨大。

二、项目技术背景
1、LED的原理：
LED（发光二极管）是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-N特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。
除此之外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合，放出的过剩能量将引起光子的发射，产生光照；采用不同的材料，可以做成不同颜色的发光二极管。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在载流子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面距离数μm以内产生。
2、LED发展历史：
1962年，GE、Monsanto、IBM的联合实验室开发出了发红光的磷砷化镓(GaAsP)半导体化合物，标志着可见光发光二极管开始步入商业化发展进程。
1965年，全球{dy}款商用化发光二极管诞生，它是用锗材料做成的可发出红外光的LED，当时的单价约为45美元。其后不久，Monsanto和惠普公司推出用GaAsP材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率为每瓦大约0.1流明，比一般的60至100瓦白炽灯的每瓦15流明要低上100多倍。
1968年，LED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm/W，并且能够发出红光、橙光和黄色光。
1971年，业界又推出了具有相同效率的GaP绿色芯片LED。到20世纪70年代，由于LED器件在家庭与办公设备中的大量应用，LED的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打市场是数字与文字显示技术应用领域。
80年代早期的重大技术突破是开发出了AlGaAs LED，它能以每瓦10流明的发光效率发出红光。这一技术进步使LED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备。
1990年，业界又开发出了能够提供相当于{zh0}的红色器件性能的AlInGaP技术，这比当时标准的GaAsP器件性能要高出10倍。
在1991年至2001年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近30倍。
1994年，日本科学家中村修二在GaN基片上研制出了{dy}只蓝色发光二极管，由此引发了对GaN基片LED研究和开发的热潮。
20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均匀，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当迅速，白光LED的发光效率已经达到80lm/W，实验室研究成果可以达到150lm/W，大大超过白炽灯和荧光灯。
3、LED的优点
①绿色环保
LED不靠钨丝发光，而是以特殊半导体P-N材质制成。通过电子运动而发光。其光谱中没有紫外线和红外线，因而不会有频闪和辐射，对眼睛起到保护作用 ，是典型的绿色照明。LED能xx控制光型及发光角度、光色、无眩光、不含汞，钠元素等可能危害健康的物质，用LED替代荧光灯，避免了荧光灯管破裂溢出汞的二次污染。
②发光效率高
白炽灯、卤钨灯光效为12-24lm/W、荧光灯50-70lm/W、钠灯90-140lm/W、大部分的耗电变成热量损耗。LED光效可达到50-200lm/W，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤，可直接发出有色可见光。
③耗电量小
大功率LED单管功率1W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5-3.5V。电流350mA反映速度快，可在高频操作，用在同样照明效果的情况下，耗电量是白炽灯的十分之一，荧光灯的二分之一。日本有关专家估计，如采用光效比荧光灯还要高2倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯、每年可节约相当于60亿升原油，同样效果的一支日光灯40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦。
④使用寿命长
LED光通量衰减到50%的理论推算标准寿命达10万小时，而LED灯具使用寿命可达5-10年， 可以避免经常更换灯管所带来的烦扰。
⑤可靠耐用，维护费用低廉
白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，容易产生热沉积、光衰减等现象。LED灯体积小，重量轻，硅树脂封装，可承受高强机械冲击和震动，不易破碎，可以大大地降低灯具的维护费用。
⑥起动响应快
LED比普通传统灯泡的响应时间要快大约250ms，能更好的防止事故的发生。如一辆以100km/h速度行驶的汽车，跟随在配备LED刹车灯的汽车后面时，刹车距离可以减少7m左右。欧系及日系汽车将第三刹车灯改成 LED 的比率已超过 80% 。
⑦单色LED芯片直接发出单色波长的光，不需要像传统光源那样用白光加滤光片的方式获得单色光，因此更鲜艳夺目、颜色更纯正；
4、LED产业发展趋势
光电子产业是本世纪具有代表性的主导产业之一。国际公认，21 世纪是光电子与微电子紧密结合发挥作用的时代, 以光通信为龙头的信息光电子产业将成为21 世纪的明星产业和支柱产业。
2001年7月在美国“半导体照明技术蓝图”的基础上，美国的两位参议员向参议院递交了一项议案，呼吁由美国能源部启动一项名位“Next-Generation Lighting Initiative”(NGLI)的计划，即“下一代照明计划”(NGLI)。这项计划提案的目标是要联合产业界、大学和xxxx实验室的力量，加速半导体照明技术的发展和应用。这项议案希望从2003-2011年财年，每年提供5000万美元支持NGLI计划的实施。
日本21世纪照明计划是由日本金属研发中心（The Japan Research and Development Center of Metals）和新能源产业技术综合开发机构（NEDO）发起和组织的为期5年的一个国家计划。这项计划的参与机构包括4所大学、13家公司和一个协会，目标旨在通过使用长寿命、更薄更轻的GaN高效蓝光和紫外LED技术使得照明的能量效率提高为传统荧光灯的两倍（即降低传统照明的能量消耗），减少CO2的产生。整个计划的财政预算为60亿日元。
我国在超高亮度LED产业表现出高度重视以及大力支持。
首先，以科技部牵头由国家相关部委一起于2003年6月成立“国家半导体照明工程领导小组”，具体指导国家LED产业的发展。并确定上海、厦门、南昌、大连4个地区为首批半导体照明工程产业化基地。
第二，国家发改委委托中国工程院研究制订“我国固态照明产业发展规划”，中国工程院已组织国内相关专家组成专家咨询组，正在进行研究制订之中的该发展规划经相关部门修订和批准之后将从2005年开始执行。
第三，信息产业部组织全国性的专门会议，如举办超高亮度LED产业发展论坛，对当前如何加快超高亮度LED产业化发展进行深入研讨。同时与科技部一起着手制订半导体LED照明标准体系，这将是LED照明产业化的指导性技术标准文件。
第四，全国有十几个省、市地方政府非常重视LED照明产业的发展，分别制订LED产业发展规划，加大地区的LED产业的投入和扶植。
目前，我国LED产业正面临良好的市场机遇。2008年北京奥运会、2010年上海世博会等大型活动的举办，为LED市场带来了更多的市场机会； 2008北京奥运会确定了“绿色奥运、科技奥运和人文奥运”三大理念，在北京奥科委办公室和北京市奥运场馆建设指挥部办公室联合进行的系列先进技术推介活动中，{sx}的就是LED技术。随着奥运工程建设的全面展开，与绿色奥运和科技奥运乃至人文奥运三大理念xx契合的LED技术和相应产品，在整个建设中替代传统的照明技术与产品必将大展其能。
LED工程照明方面应用刚刚起步，灯具生产厂家通常的做法是将几十甚至几百个小功率（一般不超过1W）LED小灯拼装而成，为众多光源，灯具制作工艺复杂，配光问题比较突出，叠影多，容易引起视觉疲劳。因此，要将LED真正应用到工程照明，就要先解决单独光源封装问题、散热问题、配光问题和电源问题。
我公司正是为致力于大功率LED工程照明应用而创建的。在国内多家高校及科研院所支持和协助下，在大功率LED工程照明灯具的研究与应用方面取得了重大的突破。

三、公司简介
我公司是一家专业从事新光源技术研究、生产、销售、服务的高新技术企业。自公司成立以来，在国内多家高校及科研院所协助下，取得了大功率半导体照明核心技术的突破，已获得多项国家专利。现已开发出10W-100W单只半导体光源，可广泛应用于道路、隧道、厂矿、景观、商业等照明。
公司坚持按照ISO9001质量认证体系的标准管理，严格控制产品质量，为客户提供{zj0}的产品和服务。

四、研究开发成果
1、芯片散热方面
LED的基本结构是一个半导体的PN结，当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升。一般来说，LED器件的节点温度需要控制在125℃以下，并且要尽量低，否则随着温度升高，会降低芯片发光效率，加快光衰，缩短芯片使用寿命，封装材料也会发生变化，影响出光，严重时甚至破坏二极管节点。如何将节点热量导出并散发，是功率型LED工程照明应用的关键问题之一。
为解决散热问题，一方面需要在芯片封装时加以考虑，另一方面在灯具结构上给予考虑。
在芯片封装方面，我公司研发方向为10W、20W、30W、50W、100W几种规格的整体封装。整体封装后的器件可以达到：⑴、不受外界环境影响和震动冲击损害；⑵、可以提高LED的发光效率，光效65-80lm/W；⑶、增大芯片热量传递的能力；⑷、方便LED的组装与使用。
在灯具的结构方面，我们进行了全新设计，一个目标是导热，采用国标铝整体压铸，在保证散热面积前提下，减少接触面（接触面越多，热阻越大，导热越困难，我公司灯具的芯片与散热片之间仅一个接触面），降低热阻，增强导热性能，使芯片发出的热量能迅速传递到各散热面上；另一个目标是散热，首先是有足够的散热面积，其次是要有合理的散热结构，我们结合空气对流原理，设计辐射状散热片，通过热空气上升，灯具下方冷空气补充，形成对流，使导出的热量能迅速逐级散发，提高散热效率。经过测试，在常温环境下，30WLED灯具的工作温度{zg}点始终保持在50℃以下，且各部位温差不超过5℃。
2、灯具配光方面
大功率LED工程照明应用的另一个关键问题是配光问题。传统光源照射方向为360°，灯具依靠反射器将大部分光线反射到特定方位，一般来说有效光为光源的40%～70%，光源光输出的很大一部分被限制在灯具内部发热消耗掉。
LED灯的绝大部分光线都是前射光，可以实现＞95%的光效，这是LED区别于其他光源的重要特性之一，如果不能将这一特性很好利用，会使LED的优势大打折扣。大多数大功率LED灯由于是多个LED芯片拼装，要将这么多光源照到不同方向，有很大的难度，结果往往造成两种后果，一是照到需照亮区域之外的地方(如图1)，造成光源浪费；二是路面照度不均匀(如图2)。
为达到道路、隧道、厂区等不同场合照明标准要求，我们充分发挥芯片整体封装的特点，采用透镜加以解决，通过光学设计，根据不同需要，配备不同凸面曲线，依靠透镜来将光线分配到不同方向，保证出光角度大的可以达到120°～160°，小的可以将光线聚集在30°以内，透镜一旦定型，在生产工艺保证的前提下，同种灯具的配光特性也就达到了一致。经过多次试制，不断地总结经验，已成功研制并定型了多款透镜。目前隧道灯、路灯和一般照明灯已达到各自应用场所的照明要求。

3、电源方面
驱动电源也是大功率LED照明应用一个重要组成部分。根据不同规格芯片的要求，我们研制了不同规格的驱动电源，但总体设计方案一致。驱动电源输入端为宽幅、宽频输入，电压范围为70～265V，频率为47～63Hz，在上述范围内，驱动电源输出电压、电流均为恒定值。这种设计，一方面提高灯具对电源条件的适应能力，特别是在输电线路长，电压不稳定的场所如山区、交通偏远地区，能够保证LED灯正常工作，扩大应用范围。另一方面保证为芯片提供稳定的电源，减少光衰，延长使用寿命。
4、其他方面
由于结构的简化，使得灯具在防震、防尘、防水、防爆等方面的功能更易实现。在防震方面，传统灯具的光源是以螺口形式固定在灯具上，在震动场所，容易造成螺口松动，导致接触不良，引起故障。大功率LED芯片是以螺栓（钉）紧固在灯具上的并在螺栓（钉）处打胶固定，加之芯片本身重量很轻，因此抗震动性能大大超过传统灯具。在防尘、防水方面，由于灯具本体部分可设计为规则形状，为方形或圆形，更易于加装密封器件。在防爆方面，LED灯与传统灯具相比，更具有优势，首先，LED为冷光源，驱动简单，驱动电压低，仅有20V左右，这本身就更适合防爆要求；其次，LED为固态照明，照明性质决定了其更适用于防爆环境；再者，功耗小，发热量小，也更能满足防爆要求。
我公司功率型LED隧道灯、防爆灯和路灯已通过了国家电光源质量监督检验中心、国家灯具质量监督检验中心的安全检验（报告编号：W071200043），并通过了国家灯具质量监督检验中心、{gjj}照明灯具防爆安全间隙或安全监督检验站的检验（证书编号：NLE07331），防爆标志为：Ex de ⅡCT6，其适用于爆炸性气体混合物{zd0}试验安全间隙（或最小点燃电流比）以及{zg}表面温度均达到Ⅱ类防爆电气设备{zg}等级。
5、专利情况
目前，隧道灯获得实用新型专利，专利号：ZL2005 2 0100952.7；透镜已受理发明专利，多款路灯、防爆灯已受理外观专利。另有多项专利正在申请中。

五、应用研究方面
1、在大功率LED照明应用方面，公司已成功研发了隧道灯、路灯、防爆灯、工业照明灯和投光灯等多个系列，根据不同场所的照明要求，使用不同配光曲线的灯具。
2、我公司为了掌握隧道灯应用方面的相关数据，在公司内建造了一条50 m 长1：1仿真隧道，参照浙江省某条高速公路隧道照明设计方案进行如下布置(图3、4)：
⑴、中间共17盏暖色隧道灯（黄色，提高穿雾性，增加能见度），前8盏间距为1.8m，后7盏间距为2.4m，距路面高度为5.5m；
⑵、两侧共32盏正白隧道灯，每侧16盏，间距均为2.4m，距路面高度为5.2m；
⑶、所有灯具均为30W，光通量均为2000lm。
在不同照明方式下照度测试结果：