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LED原理及其照明应用

LED原理及其照明应用

王声学,吴广宁,蒋伟,边珊珊,李生林

(西南交通大学电气工程学院,成都610031)

摘要:LED是21世纪令人瞩目的光源,具有广阔的照明前景。该文首先对LED的发展做了简单的介绍,然后从其基本原理进行分析,说明了LED作为照明光源可行性,最后对LED的市场应用做了说明并做了展望。

关键词:LED光源;绿色照明;环保;节能

0 引言

纵观人类照明史,先后经历了火光照明、白炽灯照明、荧光灯照明。而LED(发光二极管)作为加入照明家族的新成员,目前正处于蓬勃发展阶段。从1962年第一支红色二极管问世,黄色、绿色、橙色、蓝光LED被陆续开发出来。1998年,基于蓝光的LED芯片的成功开发,孕育了新一代的照明革命。

随着国家半导体照明工程的启动,半导体照明技术将进一步改变我们的世界。根据Haitz定律(图1),从1968年第一个商用LED开始算,在38年的发展过程中,平均每18至24个月,LED的亮度提升一倍,用量增加一倍。从1998年开发成功的白光LED以来,短短的八年时间,发光效率从最初的5 lm/W不断提高,2000年达到了25lm/W。前不久,日亚化学工业(Nic1ia)成功开发出了发光效率为100lm/W的白光LED,从其发光效率已经可以与荧光灯和HID灯相媲美。由于白光LED光效的迅速提高,加上其体积小、耐震动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、光色接近白炽灯光色、低压驱动、无汞和铅的污染,将发展成为可用来代替白炽灯和荧光灯的主要绿色光源。

图1 Haitz定律1 基本原理

发光二极管是由p型和n型半导体组成的二极管,见图2。在LED的p-n结附近,n型材料中多数载流子是电子,p型材料中多数载流子是空穴。p -n结上未加电压时构成一定的势垒,当加正向偏压时,在外电场作用下,p区的空穴和n区的电子就向对方扩散运动,构成少数载流子的注入,从而在p -n结附近产生导带电子和价带空穴的复合,同时释放出相对应的能量1!(1为普朗克常数,!为光子频率)而发光。该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg(EV),其与发光波长"(nm)的关系为"= 1239.6/Eg。因此,只要有理想的半导体材料就可以制成各种光色的LED。

图2 发光二极管原理结构

半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光,必须以其他的方式合成白光。表1表示了白光LED的发光原理和类型。目前产生白光的方式有两种:一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光,最终混合成白光,即单芯片型;二是采用将几种发不同色光的芯片封在一起,构成发白光的LED,即多芯片型。

单芯片型结构又可分为三种:(1)将蓝色LED IngaN芯片与钇铝石榴石(YAg)荧光粉组合成二基色白光LED,或由IngaN(蓝光峰值430nm或470nm)与红色(650nm)和绿色(540nm)荧光粉组

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成三基色白光LED;(2)利用蓝色ZISe为基体制成芯片与衬基发出的黄光复合成白光;(3)用IIgaN LED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白光。而对于多芯片型,直接将红、绿、蓝三种颜色的LED 芯片组成一组,实现白光。

表1 白光LED类型及其原理

芯片数激发源发光材料发光原理

1蓝色LED IIgaN/YAg用蓝色光激励YAg荧光粉发出黄色光,从而混合成白光蓝色LED IIgaN/荧光粉IIgaN的蓝光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发光

蓝色LED ZISe由薄膜层发出蓝光和基板上激发的黄光混合成白光

紫外LED IIgaN/荧光粉IIgaN发出紫外光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发白光

2蓝、黄绿LED IIgaN、gaP将具有补色关系的二种芯片封装在一起,发出白光

3蓝、绿、红LED IIgaN、AlIIgaP将发三原色的三种芯片封装在一起发出白光

多个多种光色的LED IIgaN、AlIIgaP、gaPN将遍布可见光区的多种色光芯片封装在一起,构成白色LED

2 LED照明光源的可行性

自1996年国家经贸委等部门组织实施“中国绿色照明工程”以来,绿色照明的概念深入人心。作为第四代新型照明光源,LED具有许多不同于其他电光源的特点(表2),这也使其成为节能环保光源的首选。

表2 LED灯与传统灯性能对比

名称耗电量(W)工作电压(V)协调控制发热量可靠性使用寿命(1)钨丝灯15~200220高高低3000

节能灯3~150220不宜调光低低5000

金属卤素灯100220不易极高低3000

霓虹灯500较高高高宜室内3000

镁氖灯16W/m220较好较高较好6000

日光灯4~100220不易较高低5000~8000冷阴极15W/m需逆变较好较好较低10000

LED灯极低很低多种形式极低极高100000

由表2分析可知,相对于其他目前比较普及电光源来说,LED有如下优点:

1)节能:固体冷光源光效高,目前最高已经达到了100lm/W,预计最终可以达到200lm/W。现在大部分家用照明灯具采用白炽灯照明,其光效约为8lm/W;

2)环保:由于采用电致发光的原理,没有有害金属汞污染问题,废物可以回收,并且冷光源发热量较低;

3)安全:LED使用低压电源,比较适用于公共场合;

4)可靠:LED具有坚固、耐震、耐冲击等特性,光源稳定性好;

5)适用性:体积小、重量轻,每个单元LED小片是3~5mm的正方形,因此可以封装成各种形状的器件,适合于易变的环境;

6)响应时间:白炽灯的响应时间为毫秒级,而LED的响应时间为纳秒级,因此可以高频操作;

7)控制管理:LED可以集中控制,也易于分散控制或对点进行调节控制。还可以通过控制LED

的电流调光,通过不同光色组合调色,达到多种动态变化效果。

目前LED正处于初期发展阶段,其发光效率也在不断的提高,但还需要解决一些技术上的问题才能真正使LED在照明领域得到普及。

1)发光效率:一般LED的发光效率即输出对输入的效率(Y

wp

)是有三个独立的效率即电压效率

(Y

V

)、内部量子效率(Y

i

)和光输出到外部的效率

(Y

ext

)乘积表示的,公式如下:

Y

wp

=Y

V

?Y

i

?Y

ext

由上式可以看出:LED的发光效率是由其半导体材料与芯片结构和制造工艺所决定的;

2)散热问题:尽管普通的小LED灯体积只有0.03立方毫米,不存在散热问题,但用于常规照明

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的高功率LED的体积至少要在1立方毫米以上,热量的集中度相当高。散热不良将导致LED芯片结温迅速上升和环氧树脂碳化变黄,从而造成LED的加速光衰,降低LED的寿命,甚至失效;

3)价格:这是影响LED照明普及的主要原因。

上述问题的解决,仍需技术上的提升,如生产高质量的外延片、设计新型的芯片结构、采用倒装焊封装结构、利用表面粗糙技术等等,不断提高LED芯片的性价比,使其超高效率、低成本的方向发展,促使LED成为照明世界的真正主导者。

3 照明应用

全色超高亮度LED的实用化和商品化,使照明领域面临一场新的革命。LED是21世纪具有竞争力的新型电光源,尽管其完全取代白炽灯和荧光灯尚需5年~15年,但LED早已与人们的生活密不可分。从应用市场结构看,LED主要应用范围包括显示屏、手机、指示灯、LCD背光源、照明、装饰灯领域。

在整个应用领域中,指示灯为最主要的应用领域,但其中作为一般指示用的LED多为普通亮度LED,只有在交通信号指示灯或道路指示灯等户外指示灯多采用高亮度LED。

在过去的10年中,高亮度的LED被陆续应用在汽车、卡车及大型游览车的内外车灯等领域。根据Eyespiy Japan市场调查指出,在2004年大约有30%的新车款以LED作为车尾灯或CMHSL(Center High-Mount Stop Lamps),大部分新出厂的汽车及大型交通工具都已开始使用LED当作方向指示灯和刹车灯。LED灯具有响应时间短的特点,通常LED的响应时间为60ns,白炽灯的响应时间一般为140ns,因此使用LED灯可以降低交通事故的发生率。

景观照明是半导体照明的新兴力量。现阶段,用于照明的LED还很少,这主要是因为:现阶段LED的发光效率、显色性、光衰等基本参数还没有完全达到传统照明中的参数要求,但由于发光二级管具有的诸多优点及国家出台的“国家半导体照明工程”等相关政策的支持,相信随着时间的推移,技术的不断进步,LED必将逐步代替白炽灯、荧光灯等传统照明光源而成为新型绿色照明光源。半导体照明市场发展潜力十分巨大。

随着LED在手机中的应用日趋普遍,特别是带有拍照功能的手机占市场整机产量中的比重日益增大,作为闪光灯用的白光LED需求快速增长。除此之外,安全照明灯、显微镜灯、手电筒、特种白光照明等小功率白光LED灯也已经进入市场。因此,今年白光LED市场将会发展迅速,成为市场中的又一重要力量。随着半导体照明技术的不断发展,LED越来越多的进入到各种照明领域中。

4 展望

LED草坪灯、交通信号灯、手电筒、地板灯、景观灯、水下灯、地埋灯等产品不断进入市场,使得市场对于LED特别是高亮度LED的需求不断扩大。高亮度LED市场进入快速发展时期。在未来5年中,LED作为下一代新型照明光源将继续进入如汽车、大尺寸LCD背光源、室内、室外照明等广泛的行业中,LED应用将变得更加普遍。且LED作为新一代照明光源在照明市场中所占的比重也将呈现出逐年递增的趋势。

整体看,汽车用灯LED化是一个非常广阔的市场。当前,美国、日本、欧洲的一些高档汽车已经开始部分使用半导体照明,但由于汽车领域的准入门槛较高,所以汽车用LED灯在国内还没有广泛进入市场,相信随着国内汽车工业的不断发展,汽车用LED灯将在未来几年广泛的应用在国内汽车市场中。而对于LCD背光源来说,虽然目前LED已经用在LCD背光源中,但使用的范围主要集中在小尺寸LCD背光源中。在大、中尺寸LCD背光源市场中仍以CCFL为主。虽然CCFL具有线型发光、光源均匀等特点,但耗电量高、不环保;相比较之下,LED因采单点发光、耗电量低,再加上寿命长、短小轻薄、环保等优势,更适合用作LCD背光源使用。相信随着LED发光效率的不断改进,LED将逐步成为大、中尺寸LCD用背光源。

而对于室内、室外照明来说,随着未来技术的不断发展,功率型LED在发光效率、光衰问题、显色性等阻碍其进入普通照明市场的障碍将被不断解决。届时,由于技术的成熟,规模化生产的实现,价格也将不断下降。以上因素都极大的推动了LED进入照明市场。

5 结语

作为半导体产品,LED是集固体物理、光电子、固体发光、有机化工、无机化工、光机电和热传导等多学科为一体的高科技产品,所以其成本较高,目前难以大面积推广。因此,研究开发高亮度、低成本的LED是当务之急。同时,还应利用LED的特性,积

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极结合相关新技术,开发出适用于不同场合和用途的照明系统。

LED在照明领域显示出来的巨大魅力,必定会使其成为21世纪主导光源。山东大学晶体材料国家重点实验室蒋民华院士就曾估计:到2020年左右,LED照明将得到极大普及,全面开始固体照明时代。

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LED原理及其照明应用

LED原理及其照明应用

作者:王声学, 吴广宁, 蒋伟, 边珊珊, 李生林

作者单位:西南交通大学电气工程学院,成都,610031

刊名:

灯与照明

英文刊名:LIGHT & LIGHTING

年,卷(期):2006,30(4)

被引用次数:36次

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