沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）甘巧强教授
最近的系列研究表明，利用具有微纳尺度的厚度和孔隙的聚乙烯膜，可有效的将半导体光电子器件中的积累热辐射出去，
天
空
、地
面均可作为有效的远端冷源
，在不耗能的情况下
给高温LED灯辐射
降温。
研究概要
：全球变暖与能源消耗的挑战
近年来，全球气温屡创新高，极端天气事件频发，减少碳排放、推动可持续发展已成为全人类的当务之急。在这一背景下，照明作为全球电力消耗的重要组成部分，占据了约
20%的年度电力消耗。2019年，仅照明一项就消耗了约4570太瓦时（TWh）的电力，贡献了近6%的全球温室气体排放。为了应对这些挑战，LED照明作为一种高效节能的解决方案，逐渐取代了传统的白炽灯。LED在工作时，70-80%的能量以热量的形式浪费，导致芯片温度升高，进而降低发光效率和使用寿命。因此，开发更有效的热管理策略对于提升LED路灯的能效至关重要。现有的冷却技术，如液体冷却、微通道冷却器和传统散热片，虽然在一定程度上缓解了这一问题，但这些方法通常需要额外的制造步骤和材料，增加了LED的成本。因此，亟需一种创新、经济且高效的热管理解决方案。
在一作党赛超博士和沙特研究生H
asan Almahfoudh
的不懈努力下，
KAUST团队提出了
创新的
LED辐射
散热方法：一种将热量辐射向地面的冷却策略，另一种则是面向天空释放红外热辐射的冷却方案。这两项研究分别发表在《
Next Energy》和《Light: Science & Applications》上，展示了零耗电的LED灯冷却策略，提供了新的寿命延长与能效提升的路径。
对地
辐射冷却
：
LED
芯片
温降近
4°C，寿命延长超20%
KAUST研究团队提出一种对地面的辐射冷却架构，用一层在可见光和中红外透明PE膜替代传统LED灯罩。这一层材料可以让LED芯片直接将热量以红外形式辐射到地面或墙面。
实验表明，该策略可使LED芯片温度降低3.9°C，发光效率提高约3%，并将LED灯的预期寿命延长超过21%。相比传统风扇或散热器，这种“光学散热法”无需耗电、无噪音，结构简单，便于推广。
图
1
地面
朝向
LED 灯
辐射制冷
架构设计
。
图
2
面向地面的室内
LED 辐射冷却。a.
带有
PE 覆盖层的 LED 灯实物照片（带有“KT”标记字母）及其对应的热成像图；
b.
带有
PMMA 覆盖层的 LED 灯的热成像图及其对应的模拟结果；
c.
室内
LED 灯在 PMMA 与 PE 覆盖下的工作温度对比。插图为带有 PMMA 和 PE 覆盖层的 LED 热成像图；
d.
使用
PMMA 和 PE 覆盖层的 LED 灯在地面方向的辐射冷却与非辐射冷却功率对比。
图
3
冷却后的室内
LED 灯性能提升。a.
LED 结温随正向电压变化的关系；
b.
LED 结温随发射光谱峰值波长变化的关系；
c.
两种
LED 在峰值波长处的光谱强度对比；
d.
蓝光发射峰的局部放大图；
e.
带有
PE 和 PMMA 覆盖层的 LED 灯中部芯片的模拟温度分布；
f.
经
TM-21 外推的 LED 衰减曲线，PMMA 和 PE 覆盖下的 L70 寿命分别为 58,328 小时和 70,958 小时；
g.
使用
PMMA 和 PE 覆盖层的 LED 灯在 4000 小时运行期间的光效变化及其平均值。
图
4
面向地面的高功率
LED 路灯辐射冷却。a.
户外
LED 路灯的爆炸结构图，包括灯罩、外壳和芯片等组件，以及实际使用的 LED 芯片。下方为校园实地测试示意图（2022 年 11 月 7 日，沙特图瓦尔）；
b.
配有玻璃与
PE 灯罩的路灯芯片温度（实线）及其背面温度（虚线）和对应的红外热像图；
c.
路灯在使用玻璃与
PE 灯罩情况下，其地面辐射冷却与天空辐射冷却的功率比较；
e.
两种路灯的光谱强度曲线及蓝光峰值处的放大图；左下方为使用光照计测得的玻璃与
PE 灯罩下的 LED 灯光强对比。
在另一项研究中，该团队开发了一种针对LED灯面向天空的散热方法。该技术利用纳米多孔聚乙烯（nanoPE）材料，通过天空辐射冷却通道直接释放LED产生的热辐射，同时将可见光反射回地面用于照明。这一设计不仅显著降低了LED的工作温度，还提升了其发光效率。实地实验显示：室外温度下降可达4.4°C（实验室最高降温7.8°C），发光效率提升约4–5%。在美国范围内年节电量可达1.9 TWh，可减少130万吨二氧化碳排放。该策略特别适用于夜间工作的LED路灯。
图
5
天空朝向
LED 路灯
辐射制冷
架构设计
。
图
6
LED 灯的室内辐射冷却实验结果。a
室内实验的示意图及
LED 灯的
原位
图像。在“冷却开启”状态下，LED 芯片覆盖一层
nanoPE
，而在“冷却关闭”状态下，芯片被
nanoPE 和 PMMA
覆盖。两种设置均使用透明聚乙烯（
PE）覆盖层，以减少寄生热损失。
b
LED 在室内实验中的温度及其热成像图，分别对应“冷却开启”（蓝色）和“冷却关闭”（粉色）模式。
c
LED 在“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的实测温度，结果显示温度降低约
7.8°C
。
d
LED 芯片发射光的光谱强度。插图显示在“冷却开启”情况下的
蓝移
现象。
e
在“冷却开启”和“冷却关闭”状态下，电压和温度随峰值波长的变化情况。
图
7
天空朝向
LED 灯的户外实验结果a
户外实验示意图。
b
夜间晴天和多云天空的图像。
c
户外实验演示。对比了具有辐射冷却功能的
LED 灯和商用 LED 灯在公园中的表现。
d
在不同冷却模式下的实验装置可见光图像及其对应的红外图像（右侧面板）。
e
在晴天和多云天气下，
LED 灯在“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的测量温度。在晴天和多云天气下，分别获得约
4.4°C
和
3.2°C
的温度下降。
f
LED 芯片在晴天条件下发射光的光谱强度。插图显示了“冷却开启”情况下的蓝移现象。
g
在晴天条件下，“冷却开启”和“冷却关闭”模式下的电压、温度与峰值波长的关系。
h
室内和户外实验（即晴天和多云天气条件下）“冷却开启”情况下的净冷却功率。
与传统主动式散热手段不同，KAUST提出的这两种方案完全基于材料的光学特性与大气窗口机制，在不增加能耗的前提下实现了有效散热，具备广泛适应性与工业化前景。未来，这种双向辐射冷却策略有望扩展至其他电子器件，如电源模块、计算芯片乃至太阳能面板。
“我们用一张薄膜，让LED能‘朝天’或‘朝地’自动散热，把自然当作有效的散热器。”
该系列工作的第一作者为KAUST的博后研究员党赛超博士，通讯作者为甘巧强教授（Prof. Qiaoqiang Gan）。同时，团队也得到了KAUST教授Osman Bakr和Boon Ooi的指导。
论文信息
:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2949821X23000686
https://www.nature.com/articles/s41377-024-01724-7
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