1.5 LED照明的发展趋势
1.5.1 LED器件的发展趋势
未来LED器件总体上朝着高性能、大功率、模组化、低成本的方向发展。
1.LED光效提升有赖于新的技术突破
LED进入照明领域以来，芯片光效的提高一直是技术发展的主线，美国Cree公司逐年发布其LED芯片的实验室光效，基本呈现线性增长趋势，到2014年已达到303lm/W，但其后到目前再没有新的突破，这说明已达到一定的光效瓶颈。光效的进一步提高有赖于新材料、新机理、新结构、新工艺的突破。新的衬底材料可以与目前的外延材料更好的匹配，也可能在目前主要的材料体系之外引起PN结新材料的突破。外延环节将主要通过新的材料体系和发光机理提高内部量子效率。芯片和封装环节将主要通过新材料和新结构以减少光损失、提高光提取效率，石墨烯和纳米等新材料有应用潜力。
2.LED综合光学性能的提高将成为技术重点
以前LED的技术重点是高光效，但发展到目前，一方面LED的光效已经远超传统光源，另一方面光效进一步突破的难度加大，因此下一阶段LED将在高光效的基础上追求单色纯度与白光色彩饱和度、显色性、色温、色彩稳定性等综合性能的提高。目前蓝光激发荧光粉产生的白光光线中红色波长较弱，从而导致光线缺少暖感、颜色显示不真实，采用特殊荧光粉可以改善色温和显色性，但通常会带来发光效率的降低。研究表明结合量子点技术可有效改善LED的色彩表现能力，普林斯顿大学的研究团队已经成功3D打印出基于量子点的LED（QD-LED）[5]。已有研究尝试用硅作为封装材料取代环氧树脂，环氧树脂使用3000～6000h后会出现色偏移现象，使用硅材料可大大延缓出现色偏移的时间。
3.LED从独立器件向模组化发展
虽然LED光效有了长足发展，但商用量产的单颗器件光输出在100～200lm之间，要达到传统照明灯具数千lm的水平，一般需要多颗LED器件组成光源板。面向该市场需求，原先只生产LED芯片和器件的国际厂商，现已积极进行产业链的垂直整合，将产品线拓展到光源模组（也称为光引擎），如美国Cree、荷兰飞利浦、韩国三星等国际LED芯片大厂纷纷推出多颗LED芯片的系列化集成封装模组，模组功率从数W～数十W，模组光输出从1000～10000lm（甚至更高），直接可以作为光源板集成到照明灯具中，光学性能、可靠性提高，体积减小、成本降低，也简化了灯具的设计。
4.LED器件向大功率发展
目前，常用大功率LED器件的功率为1W，单颗LED的更大功率有3W、5W、10W等，但由于内部量子效率、散热等的限制，随着功率增大光效有较大幅度降低。通过材料、工艺和结构等新技术的应用，如果增大功率仍能基本保持1W时的光效，那么单颗LED器件就能满足一般照明场合下要求的光通量，这将直接秒杀光源模组和光源板，在可靠性、体积、成本、灯具设计等方面更具优势。如采用新的GaN衬底的蓝光LED芯片可以有效提高电流密度，韩国首尔半导体已经研发成功以GaN-on-GaN制程为核心的nPola产品，比传统蓝宝石衬底LED在同样面积上的亮度提高5倍，同时能有效减少缺陷；日本松下公司也推出了基于GaN衬底的LED，并用于前照灯，可实现小型化并提高了设计自由度。通过大功率芯片的倒装技术，可以增大输出功率、降低热阻，提高器件可靠性。
5.LED器件成本将持续下降
LED的发展历程基本遵守Haitz定律，每10年单位lm成本下降为原来的1/10，光输出则提高20倍。LED的应用方兴未艾，市场远未饱和，可以预见，随着技术的进步和应用规模的扩大，LED的成本仍将遵循Haitz定律持续降低。美国能源部2011年版的固态照明发展计划中，制定了冷白光、暖白光封装后LED器件的目标价格，由2010年13美元/klm、18美元/klm，至2012年计划降至6美元/klm、7.5美元/klm，到2015计划降至2美元/klm、2.2美元/klm，到2020年计划都降至1美元/klm；实际的发展超过预期，2015年冷白光、暖白光封装后LED器件的价格已经降到0.9美元/klm、1美元/klm，因此2016年版的固态照明发展计划已将2020年的冷白、暖白LED器件目标价格调整为0.35美元/klm、0.36美元/klm。目前LED球泡灯零售价已经接近节能灯价格，制约LED进入千家万户的成本因素正在逐渐消失。此外，政府节能补贴政策也使LED的实际价格进一步下降，2009年，广东省率先通过财政补贴推广800万只LED节能灯；2012年，国家财政部首次针对LED产品推广进行补贴；2013年，《节能产品政府采购清单》中首次列入LED照明产品。
1.5.2 LED应用系统的发展趋势
未来LED应用系统将朝着多元化、模块化、标准化方向发展。
1.形式多元化
通用照明应用系统将趋于两极分化：一类走低端化路线，回归“灯与照明”；一类走高端化路线，进阶“智能终端”。特种照明应用系统将走向专用灯具。
（1）低端应用系统将向简单化、通用化、一体化、低成本方向发展
这类灯具主要面向通用照明领域的一般照明应用场合，目标是替换传统灯具。在系统功能方面，回归传统灯具的基本照明功能，删繁就简，简单实用，从而减少功能模块、降低技术难度；在结构形式方面，由于模块减少、技术简化，整个灯具可以实现高度集成化、一体化，这将极大地降低成本、提高可靠性。在LED器件方面，高压LED、交流LED可以极大地简化驱动电路；在驱动技术方面，分段交流直驱技术可以使驱动电路集成化，光电子集成电路技术（OEIC）有可能使LED器件、驱动控制电路、静电保护等实现集成化。
（2）高端应用系统将向多功能、智能化、信息化方向发展
这类灯具主要面向通用照明领域的高端照明应用场合，目标是基于灯具、超越灯具，走向“智能终端”。在系统组成方面，不仅有常规的LED灯具组件，还有控制器、环境传感器、监控传感器、有线/无线通信模块等。在控制形式方面，可以手动、自动，也可通过网络实现照明的远程控制，还可通过无线方式实现手机App、遥控器等控制，还可语音控制；不仅可单灯控制，还可多个灯具与设备联动。在系统功能方面，通过智能控制，可以满足用户高品质照明的需求：根据环境传感器对环境的感知，自动平滑地调节LED光的明暗和色彩，实现环境自适应照明，以更大程度地发挥LED照明的节能优势；也可根据不同日期、时间、功能区域预先设定照明形式，实现时间表控制；还可根据不同场合，按照用户意愿来调整灯光模式，营造不同的光环境，实现情境照明。通过互联网+技术，可以将照明系统与其他系统联动控制，例如楼宇自动化系统、监控报警系统、车库刷卡系统等。此外，通过无线通信模块还可作为通信终端自动组网；可以作为信息终端将特定信息无线发给附近用户，如将灯具固定位置坐标发给用户可帮助用户进行定位与导航。飞利浦公司已经推出个人无线智慧照明系统Hue系列，基于WiFi可用手机App调节LED灯泡光色，实现家居的智慧情境照明；LG公司研发了Smart Bulb，支持蓝牙连接，可通过智能手机及音乐调节照明效果；美国卡内基梅隆大学在英特尔和福特公司的资金支持下，设计了一种全新的智能LED前照灯，能在雨雪天气或能见度较低的情况下，智能调整照明和灯光分布，可有效改善驾驶员的视野。此外，在应急照明[6]、办公室照明[7]、家居照明[8]等方面，国外已经开展了智能照明技术研究，提出了相应的实现方案。
（3）特种照明应用灯具将向专用化发展
这类灯具主要面向特殊的应用对象，利用LED光谱集中、易于筛选、易于控制的特点，根据应用对象的专业照明需求，进行指向性明确的精准照明，目标是专用灯具。如植物照明，首先要根据该植物选择合适的光谱，然后选择合适的LED灯具，再根据植物生长不同阶段需要的光谱组合及光照量进行LED照明的动态控制，日本已有多个成功运行的采用LED照明的植物工厂。在医疗照明方面，LED可以代替常规灯具用于光动力疗法（photodynamic therapy，PDT）治疗癌症、皮肤病、血液病等，也需要针对不同病症选择合适的光谱、照射强度及其变化曲线，如有研究表明在蓝光LED的光照下，激活的胆红素能显著抑制白血病细胞的增殖[9]。
2.组件模块化
目前LED照明应用系统是由多个功能部件组成的综合体，主要包括光源、电源、控制器、配光器、散热器、结构件及壳体等部分，各部分又分别属于光电子、电子、信息、光学、热学、机械等不同的专业领域，因此，根据各功能部件进行合理的模块划分，然后进行应用系统的模块化设计、制造和集成，这样各模块可由专业厂家生产制造，容易实现大规模生产，从而降低成本、提高可靠性；对于应用系统生产厂商，这样可以简化产品设计，减少产线复杂度和专业覆盖面、增加集中度，如果各模块以系列化、标准化加以规范，则对不同厂家的模块可以筛选、互换，损坏模块也易于更换，维修方便、升级更新容易，设计成本、生产成本、采购成本、维修成本都将降低。模块可以是单一功能模块，如驱动模块、散热模块、光源模块、接口模块等，目前许多LED芯片厂商都推出了光源模组或阵列；也可以是复合功能模块，如驱动散热模块、光源散热模块，以及被称为“光引擎”的光源驱动模块。
3.接口标准化
目前LED应用系统的设计五花八门，针对同样的应用需求，不同厂商采用的芯片类型、数量配置、串并联方案均不相同，导致与配套电源的电流、电压、功率接口不同，配套的散热器也不同，这样各模块很难标准化、通用化，严重影响其互换性和易维修性，只能小批量生产，难以通过规模化生产降低成本、提高可靠性。标准与规范是一个行业健康发展的保障，尽管国内外已经发布了许多LED照明方面的标准，但重在对LED的功能和性能质量（如寿命、能效、色温一致性等）进行规范，较少涉及接口的标准化。一些国内外相关组织与厂商已经注意到这个问题，并开展了接口标准化的工作。总部位于欧洲的ZHAGA联盟，从2011年开始着重针对LED光引擎产品推出了系列接口标准，涵盖了物理尺寸、光学、电气、配光、散热等主要环节，以实现在ZHAGA联盟中不同制造商之间的光引擎产品可以实现相互兼容、互换等。2014年，国家半导体照明工程研发及产业联盟（CSA）发布了CSA023、CSA025标准，分别规定了LED筒灯、LED射灯照明应用中，满足可互换的LED模组、控制装置和灯具的接口要求。一些国际大厂（如日立、松下、欧司朗、飞利浦、科瑞（Cree）等）推出的LED球泡灯，为了替换白炽灯，均采用了标准化的螺纹接口，但功率等级均不相同。LED灯具接口的标准化需要以灯具的系列化为基础，这方面工作亟待加强。目前市场上LED灯具型号太多太乱，缺乏规范，不同厂商的灯具很难选择，也很难等效替换。传统灯具的工作电压一般均为工频交流220V，因此以电功率进行系列化即可；而LED以直流恒流工作，光源板的不同串并联导致电源供电电流各不相同，因此以何种指标进行系列化仍有待研究。未来随着LED应用系统接口标准更趋全面和完善，LED应用系统的标准化与系列化将成为发展方向。
1.5.3 LED应用市场的发展趋势
1.成熟市场
在建筑景观照明、显示屏、背光源、汽车灯等LED成熟领域，市场增速将明显放缓并趋于稳定。
2.普通白光照明市场
随着白炽灯禁令的普遍实施，以及LED灯具成本的持续下降，普通白光照明市场将快速发展，当白炽灯替换逐渐完成后将趋于稳定，最后达到饱和。该市场体量较大，但随着技术门槛的降低，竞争加剧，利润趋薄。据美国能源部（DOE）2014年公布的《固态照明在一般照明应用中的节能潜能》报告预测，如果DOE的LED目标价格和光效都能实现，2020年LED照明产品在通用照明市场中占比将达68%，照明能源消耗将减少15%；2030年的占比将超过90%，照明能源消耗将减少40%。
3.路灯照明市场
目前制约LED路灯应用的一些技术问题已基本解决，LED路灯照明市场逐渐启动。欧美已开始路灯的LED替换计划。在国内，由于路灯属于市政工程项目，从政府层面易于推动，因此国内很多省市都将LED路灯作为推进半导体照明工程的主要突破口，广东、浙江等多个省份已开始用LED路灯替换常规的钠灯，预计路灯照明市场上升速度将快于普通白光照明市场，但随着替换潮的结束，该市场也会更早趋于稳定和饱和。
4.智能照明市场
智能照明能够满足高品质照明的需求，为LED照明的创新应用提供了很多可能性，与智能家居、智能建筑、智慧城市的结合有很大空间，但目前上市的智能照明系统功能大多还是停留在远端遥控及亮度、颜色、色温调控上，其巨大潜力仍有待挖掘。该市场目前已开始启动，具有广阔的市场发展前景。
5.交通信号灯市场
传统的交通信号灯一直采用小功率LED光源，每个信号灯一般需配数十个LED，未来将采用大功率LED替换原来的小功率LED，这将大大简化光源、电源等的设计，易于实现一体化、轻量化，提高可靠性、降低成本。目前已有采用数颗大功率LED的交通信号灯面市。
6.特种照明市场
特种照明能够充分利用LED某些方面的独特优势，面向特殊对象提供特殊照明，技术难度大，进入门槛高，利润空间可观，一旦找准突破点，市场发展很快。如紫外LED用于光固化领域，短短数年时间，已有全面取代紫外汞灯的趋势，毛利率比普通白光照明高出数倍。LED特种照明目前在农业、渔业、医疗、紫外、红外等方面已有成功应用，还有很多的细分市场有待发现与拓展。
总体上讲，我国LED照明到现在，发展形态主要是“政府推动型”，以此来扶持产业、培育市场，主要的技术关键词是“替换”，重点是参照传统灯具如何“做得像”“做得好”，以取而代之。目前LED产业已经基本成型，市场已有较大规模并具备了内生发展动力，因此未来政府推动力度将逐步弱化，市场将会引领产业发展，发展形态将转为“市场拉动型”，主要的技术关键词将是“创新”，重点是充分结合LED的优点以及传统灯具不具备的独特优势，进行技术创新、产品研发及市场应用。