LED照明具有光效更高、寿数更长；不含有害物质汞；运用寿数与灯的开关次数简直无关、可发起“随手关灯”；能够瞬间起亮等杰出长处，被以为终将代替白炽灯和节能灯，成为节能照明的干流。实践上，只要在LED灯的性价比全面超越白炽灯、特别是超越现在广泛运用的节能灯后才干成为通用照明灯的干流。
而LED照明的课题看起来十分明确，即在确保光质量的条件下光效需求大幅进步，例如比节能灯高一倍以上；价格需求大幅下降，最好挨近节能灯；使其性价比显着优于节能灯。
现在的LED通用照明灯大多由功率型LED加金属散热器和恒流驱动电路构成。粗笨的金属散热器不只添加了灯的本钱和分量，一起要耗费许多铝资源，有悖环保。一个LED灯就像一个金属球，不利于安全，特别是大功率LED灯。因而，现在不少顾客购买时仍是挑选节能灯。
本文将结合笔者地点公司的研制作业介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高功率、无金属散热器的LED通用照明灯(能够直接替换白炽灯和适当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技能。
该LED通用照明灯的整灯发光功率比荧光节能灯高一倍以上；显色指数可高达96；可制作光通量为几十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯，L70寿数可达30000小时。可直接替换10～100W和更大功率的白炽灯和适当光通量的荧光节能灯。
一、LED芯片4π出光、进步PN结光提取率和实践光效
白光LED发光进程的能效η为：
η =ηI ×ηO × ηC ×K
其间，ηI ：内量子功率；ηO：外量子功率；ηC：光子下转化丢失；K：发光粉吸收。
有人剖析，在抱负情况下，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因而，最高抱负的能效η=39.5%。这儿的外量子功率ηO 指的是光子在出射进程中被芯片、窗口资料，荧光粉及透镜等沿途吸收或在不同折射率介质界面反射回芯片内部再被吸收等的成果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功当量为320 lm/W核算，则最高光效为320×0.395=126 lm/W。这显然是被轻视了。但由此咱们能够看到进步LED光效的一个重要并有巨大潜力的因数是进步光提取率。
LED的光来自LED芯片的PN结，其发光本来是4π立体角全方位均匀出射的自然光，但现在简直一切的LED元件都是≤2π出光的。
LED的运用从初期的指示灯到数码显现和现在的五颜六色大屏幕显现、液晶显现的背照明等，在这些运用中，需求把本来是4π出射的光用反射碗和透镜等集合向前方、即转变为≤2π出射的光，包含直插式、草帽式、外表贴(SMD)和COB等；这样的改换关于这些运用是需求的，也是正确的。
不过，这样的改换让芯片本来向后发射的光集合向前方，将显着下降PN结发射的光的提取率，即下降了LED的实践有用光效，这关于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。假如让LED芯片4π出光，将可显着进步LED PN结发生的光子的提取率、即进步LED的实践光效。
图1是现在许多运用的SMD式LED的光出射示意图。LED芯片被安装在光反射碗的底部，反射碗内有光出射面为平面或曲面的通明介质(图1中为平面的比如)。
芯片PN结向上发射的2π立体角光(以蓝色表明)的一部分可直接从光出射窗出射，另一部分光经通明介质外表全反射后经反射碗反射或直接经反射碗反射后出射。其间，直接出射光约为2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，这儿咱们设通明介质的折射率为1.5，经反射碗反射后出射的光占75%，设反射碗反射率为0.75，若不计反射碗屡次反射和通明介质的吸收丢失，则总光提取率为(25+75×0.75)%=81%。 LED芯片向下发射的2π光(以赤色表明)，要通过芯片背镀反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、屡次反射、屡次碗底和壁的吸收，估量出射率约为60%(取决于反射碗壁和底、电极外表、电极之间介质面、固晶胶等的反射率)。
因而，LED芯片光的总提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即约30%的光被LED元件吸收而变为热能。
图2是LED芯片4π出光的示意图。其间LED芯片为芯片基板是通明的芯片，至少一串彼此串联或串并联的芯片被用通明胶固定在一个LED发光元件的通明基板上，芯片上覆有通明介质层或发光粉胶层。
若芯片基板为蓝宝石，蓝宝石上的外延层和PN结为GaN，P电极为ITO，LED元件通明基板为玻璃，通明介质为硅胶，它们的折射率分别为1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由图2可见，脱离LED芯片PN结向上和向下发射的各半球2π的光都能够顺畅出射，蓝宝石基板内部根本上没有屡次反射吸收，若不计介质吸收，LED芯片的光简直可100%出射。
即4π出光的LED元件的实践发光功率要比SMD式LED高约(100-71)/71=41%。咱们的试验成果根本与此相符。
可见，让LED芯片4π出光可进步LED元件的实践发光功率约40%，一起削减LED的发热量。考虑到现有LED元件的不同结构，4π出光应可比≤2π出光的光效高30%以上。
其实这个概念简直一切LED作业者早就知道，但没有能有用，其关键是没有能处理LED芯片的散热问题。
二、气体散热剖析
要让LED芯片4π出光，芯片四周有必要是高透光率并且可散热的通明介质。人们很简单首要想到的是用液体散热，由于通明介质中、液体的导热率一般都比气体要高得多。例如水的导热率为0.5 W/(m·K)，是空气导热率0.025的20倍。
十多年来一向有人在研讨用液体散热来到达LED芯片4π出光，但液体散热仍有一些难以克服的困难，例如，液体的粘滞系数比气体大许多，水的粘粘滞系数为8937μP，是空气的10倍，是氦的77倍，高粘滞系数导致LED芯片周围很简单由于芯片发热使液体相变气化，而发生的气体由于液体的高粘滞系数而难于跑掉，芯片简单被停止的气体围住，而任何停止的气体都是良绝热体，因而简单使芯片过热而焚毁。此外，还有液体简单电解、腐蚀芯片和发光资料、泡壳破碎后的污染等问题，至今还没有很好的有用产品。
气体与液体比较，尽管导热率低，但粘滞系数比液体小的多，简单构成气体对流，有用地把LED作业时发生的热带走散发掉，然后取得杰出的散热作用。
初期，人们把LED芯片安装在条状或平板型通明基板上，在空气中作业，运用空气散热。但由于空气的导热率低、粘滞系数高，难以有用散热。若LED芯片安装在一个平板上，则热量会集更不利于散热，因而难以制成光效高，又能满足输出光通量的LED灯。例如，Ushio的LED灯丝灯，输出光通量仅36 lm，光效仅60 lm/W。又如松下的LED芯片安装在一通明平板上的空气散热的LED灯泡，输出光通量为210 lm，光效为47 lm/W。这些LED芯片4π出光的LED灯泡的光效反而低于用现有≤2π出光的LED元件制成的LED灯，现有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡灯的功率为40～90 lm/W，其原因在于没有处理LED芯片的有用散热问题，致使LED芯片的PN结温升高、光效低，输出光通量小。
笔者地点的公司有用地处理了4π出光芯片的散热问题，其计划是：把至少一串相同或不同发光色的LED芯片用通明胶涣散固定安装在一个通明基板条上，芯片和通明基板条四周有至少一层通明胶层或发光粉层；通明基板二端有电引出线，制成LED发光条(或称LED灯丝)；所述LED发光条被安装在一个真空密封的透光泡壳内，泡壳内充有高导热率、低粘滞系数的传热并维护LED的气体；LED的电极经真空密封泡壳的芯柱的引出线引出，经LED驱动器与一电衔接器衔接，电衔接器用于衔接外电源，制成一个外形与白炽灯类似、高光效、无金属散热器的LED灯丝灯，可直接替换白炽灯和节能灯。
现已制成了整灯火效高达170 lm/W的A19型LED灯泡；其输出光通量可达760 lm；显色指数(CRI)可达96。最近该公司试验室已制成色温5000K、CRI为71，光效高达193 lm/W的A19灯。其光效比节能灯高一倍以上。然后使LED 4π出光、无金属散热器的LED灯泡进入了实践运用年代。图3是锐迪生4条LED发光条串联的LED灯丝灯示意图。 高导热率低粘滞系数的气体优选氦或氦氢混合气。氦的导热率为0.14 W/(m·K)，是空气的6倍，粘滞系数仅194μP，是空气的1/8；氢的导热系数为0.15，粘滞系数为87.6，且本钱低，但运用欠安全；为下降本钱，可用氦氢混合气。高导热率低粘滞系数气体简单构成有用的对流散热，能够把LED芯片作业时发生的热很快带走，传递给灯泡的泡壳，再经泡壳到周围空气散发掉。
其次，选用导热率较高的发光条通明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、蓝宝石、通明陶瓷、AlN等。一起要选用导热率高、透光率高的固晶胶和发光粉胶，并尽可能减小它们的厚度，还要尽量添加通明基板和发光粉胶与散热气体的触摸面积，以下降LED的PN结到散热气体的热阻。所述至少一层发光粉层可被涂覆在通明基板和LED芯片四周，例如涂覆在发光条有LED芯片和无芯片二面，或仅在有芯片一面，也能够先在通明基板上涂覆一层发光粉层，LED芯片被固定在该发光粉层上、芯片电衔接后再涂覆一层发光粉层。
此外，还能够把发光粉涂覆在灯泡泡壳的内壁上，发光条的LED芯片上仅有一层通明胶，发光粉远离芯片，有利于减小光衰，添加灯的
