摘要：LED是21世纪最具发展前景的光源，尤其在全球能源短缺、环境日益恶化的今天，对该光源应用的研发显得尤为重要。民政部地名研究所标志标识科技研发中心在研发地名标志过程中，开发了“LED非点阵大面积平面发光技术”，与传统的发光技术相比，该技术具有节能显著、安全可靠、亮度高、寿命长等特点。该技术及其应用产品的成功研发，不仅为地名公共服务工程中的地名标志设置提供了一项节能新产品，为民政领域开展“建设节约型社会”工作开拓了新途径，而且一旦该技术广泛应用于商业标识、广告制作等社会各个领域，将产生巨大的社会效益和经济效益。
一、前言
2005年5月12日，民政部召开全国地名公共服务工程视频会议，就在全国实施地名公共服务工程进行了具体部署。地名标志专项事务是地名公共服务工程中的一个主要组成部分，为了更好地保障该项事务的顺利实施，民政部地名研究所专门成立了标志标识科技研发中心，投入了大量的人力物力，进行新型地名标志技术和产品的研发，取得了一批以“LED非点阵大面积平面发光技术”（以下简称“LED平面发光技术”）为代表的科研成果。
目前，户外常用的夜间发亮的标志标识（如广告宣传牌、商业牌匾等）一般采用灯光外置照明或用灯泡、灯管作为背景光源照明。灯光外置照明采用灯光照射在标志标识上，背景光源照明是将光源设置在标志标识的内部，俗称“灯箱”。以上两种照明方式尽管可以满足人们的使用需求，但是存在的突出问题是耗电量非常大。外置照明标识通常采用碘钨灯照明，5平方米的标识就需要16只碘钨灯，每只灯500瓦，则5平米的标识需要8000瓦的照明；而“灯箱”通常每隔20厘米就需要设置一根40瓦的灯管，以北京通常使用的照明发光地名标志为例，每个照明发光地名标志至少需要8根灯管，每个灯管40瓦，则共需320瓦照明。同时，这些光源的寿命相对较短（如灯管的寿命一般为2000小时，按每天点亮6小时计算，则每年每根灯管需更换一次），使维修费用居高不下。
LED是发光二极管英文light emitting diode 的缩写，它是21世纪最具发展前景的光源。由于它具有耗电量少、寿命长、无污染和耐震动等鲜明特点，成为照明领域最被看好的新兴产品，尤其在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下，世界各国纷纷加大对LED光源应用的研究。
目前，LED作为光源一个突出需要解决的问题是，尽管每个LED光源的耗电量少，但是现有的技术是将大量的LED光源逐点排列组阵，制成交通红绿灯、铁路用的信号灯以及一些广告显示屏，由于使用的LED光源数量非常多（平均每平方米的使用数量在1万个以上），所以并没有达到节约能源的目的。为了解决上述问题，地名研究所标志标识科技研发中心组织相关的科研人员，对LED光源的光线传播介质进行科研攻关，研发了LED平面发光技术。该技术只将LED光源排列在标志标识上下（或左右）两侧，通过由导光板、反射片和扩散片等组成的高效导光系统，就能实现均匀、高亮度的大面积平面发光，从而大大减少了LED光源的使用数量（单位面积使用的LED光源数量仅为逐点排列组阵使用数量的十分之一），真正实现了节约能源。同时，由于LED光源的寿命较长（高达10万小时以上），从而解决了前述的维修费用居高不下的问题。
二、主要技术原理
LED平面发光技术实现了LED由点光源向面光源的高效转换。其工作原理是通过排列，将单个LED光源组成线光源，制成光源组件，置于导光板两侧。在导光板底面印制了科学设计的散乱斑点，光源组件发出的光从侧面射入导光板内，通过散乱斑点的反射和折射作用，改变光线直线传播方向，从而使大部分入射光线由导光板正面均匀地出射。在导光板的下面备有反射片，它将导光板底面通过散乱斑间隙射出的光线反射回导光板，起到减少光能损耗的作用。在导光板的上面备有扩散片，其作用是使穿过它的光线发生多方向折射，产生光学扩散的效果，提高发光均匀度。技术原理如图1所示。
三、关键技术创新点
为了达到使用少量LED就能实现大面积平面发光的目的，着重对导光板、光源组件和电源模块进行了研究，取得了重大突破。
1．导光板
导光板是LED平面发光技术的核心部件，它是将散乱斑材料按照一定的排列规律，印刷在高透光率的有机板材上制成的。
（1）基材的选择
导光板基材应具有透明度好、导光效率高、光能损耗少的光学性能，同时，应满足耐冲击、抗老化、耐紫外光照射的要求。通过对比试验，选定甲基丙烯酸甲酯（MMA）板作为导光板基材。
（2）散乱斑材料的制作
散乱斑材料的制作是实现高效光出射的关键。由于散乱斑对入射光既要产生反射作用，又要产生折射作用，所以至少需要两种基本材料：一种是反射材料A，另一种是折射材料B。而散乱斑的散射效率随着AB两种材料比例的变化而变化。
在研制中，将AB两种材料与透明树脂混合制成散乱斑印刷油墨，固定其它试验条件，改变A和B两种材料的配比，得出两种材料最佳配比值，制成散乱斑材料。
（3）散乱斑的分布设计
根据光散乱原理，影响导光板上散乱斑对入射光线均匀散射的主要因素是：离光源不同距离上单位面积内散乱斑的占空比不同。因此散乱斑的设计有两种思路：
① 散乱斑直径不发生变化，改变斑点间距离来实现占空比沿远离光源方向的递增，如图2所示。
图2 导光板底部散乱斑间距分布图
② 散乱斑间距不变，改变斑点直径来实现占空比沿远离光源方向的递增，如图3所示。
图3 导光板底部散乱斑直径分布图
两种方法均可以实现对占空比的调节，达到均匀散射的效果。但是两种方法单独使用时，对占空比的调节范围有限，在大面积应用时，其散射效果欠佳。综合了两种分布特点，采取了从中心向两端逐步减小斑点并增大斑点间距的方案，获得了很好的效果。同时，通过斑点占空比的精确计算，适当调整散乱斑的分布，使发光面各部分的发光亮度达到了基本一致。如图4所示。
图4 导光板亮度分布曲线
2．光源组件
（1）光源的选择
LED光源是目前国际上最具发展前景的固体光源，随着GaN蓝光和紫外发光芯片的出现和成熟，大功率白光LED光源正逐渐接近照明光源的要求，其发光亮度已满足导光型显示对侧光源的需要。与其它光源相比，LED光源具有以下优点：
① 耗电量少（低电压、低电流启动），无热辐射；
② 体积小，可多颗、多种组合；
③ 光衰小、寿命长，光衰为初始值50%时，寿命高达10万小时；
④ 结构牢固，抗老化、不易破碎，工作稳定、安全可靠，免维护；
⑤ 环保，废弃物可回收，污染较小。
（2）光源组件的装配
光源组件是将多组LED光源以先进的波峰焊工艺焊接在电路板上，经防腐防潮处理后制成光源组件。电路板采用双面环氧树脂板制成，大大增强其在运输、安装及使用过程中承受外力的性能。
3．电源模块
电源模块由驱动LED光源组件正常发光的电源和为光源组件提供相应保护功能的电源控制器组成。LED发光组件对电源的基本要求是，确保通过每一只LED光源的电流都是恒定的正常工作电流，并且对电源电压的大幅波动、高幅值浪涌电压及其它形式的电源污染有高可靠的抑制作用。这就对电源控制器提出了很高的要求。
国内常用的电源控制器，如简单的电容降压限流、变压器降压整流供电、开关稳压电源供电以及一些LED光源专用的驱动芯片，均存在不同程度的缺点。有的存在不安全隐患；有的使通过LED的电流不稳定，电压高时容易超过LED的安全工作电流而影响其使用寿命；有的电路复杂、成本高、故障率高等。所以这些电源控制器不能满足LED光源对电源稳定、可靠、安全的要求。
为此，科研组开发研制了一种新型电源控制器，该控制器具有电路简单、成本低廉、工作稳定、性能可靠等特点，使用效果非常理想。其驱动原理如图5所示。
图5 电源模块原理方框图
四、社会经济效益
1．节 约
（1）节能效果显著
仅以北京市的照明发光地名标志为例。据统计，北京市有照明发光地名标志约10000个，如采用灯管作为背景光源照明，则每个照明发光地名标志使用8根灯管，每根灯管为40瓦，每个标志共需320瓦的照明，而同等面积同等亮度的LED平面发光显示板只需65瓦即可。如全市的照明发光地名标志全部采用LED平面发光显示板制作，按每个照明发光地名标志每天平均点亮10小时计，则每年可节电（320-65）×10×365×10000/1000≈931万度，按每度电0.8元计算，则每年可节约约745万元人民币。
（2）节省维修费用
仍然以北京市照明发光地名标志为例。标志点亮时间仍按每天10时计，灯管数量仍按8根计，灯管售价每只15元，寿命约2000小时，按每只维修费10元计，则10000个照明发光地名标志需要维修费用为：（15+10）×8×10×365×10000/2000≈365万元人民币。而LED平面发光显示板的光源采用长寿命、免维护的LED光源，可节约此项开支。
（3）综合效益分析
采用灯管作为背景光源的发光地名标志，由于需要经常更换灯管，无法实现完全密封，受气候的影响较大，所以其使用寿命一般为3年，而采用LED平面发光显示板制作的发光地名标志的寿命一般为8年。虽然前者的首次投资费用较低，每个约为1300元，后者的首次投资费用较高，每个约为2200元，但是通过综合计算，采用LED平面发光显示板制作发光地名标志的费用仍然远远小于使用灯管作为背景光源制作发光地名标志的费用。
如果以灯管作为背景光源的发光地名标志的使用寿命按3年计算，使用LED平面发光显示板制作发光地名标志的使用寿命按8年计算，则在8年时间中，后者共可节约的费用为：（1300×8/3 – 2200）×10000 +（7450000+3650000）×8≈1亿元人民币。
2．环 保
（1）无汞污染
日光灯管废弃时会产生汞污染，本技术及其应用产品采用了LED光源，不存在汞污染，保护了环境。
（2）无热污染
由于LED发光原理与日光灯、白炽灯不同，发光时几乎不产生热量，可以减少热污染。
（3）减少温室气体排放
该产品具有显著的节电效果，从而间接地减少发电过程中煤碳、石油等能源的消耗和温室气体的排放，具有显著的环境效益。
五、应用前景
为贯彻科学发展观，建设节约型社会，解决能源紧缺的问题，国家倡导、支持和鼓励LED照明技术的开发和应用。地名研究所贯彻中央的指示精神，在民政部领导的关心和支持下，加大对LED照明技术在标志标识领域应用的研发力度，通过不懈努力，成功开发了LED平面发光技术。该技术及其应用产品的成功研发，不仅为地名公共服务工程中的地名标志设置提供了一项科技新产品，为民政领域开展“建设节约型社会”工作开拓了新途径，而且一旦该技术广泛应用于商业标识、广告制作等社会各个领域，将产生巨大的社会效益和经济效益。
可以预测，该技术及其应用产品将以它安全、节能、环保、寿命长和免维护等优势，受到社会各个领域的亲睐，赢得更加广阔的市场！
作者：民政部地名研究所标志标识课题组
＊本文获2007年全国地名理论研讨会一等奖
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