LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究

柴萬東

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用研究

柴萬東

（赤峰學院 物理與電子信息工程系，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

自1969年第一盞紅色LED燈發(fā)明到現(xiàn)在，短短的幾十年時間里，LED產(chǎn)業(yè)伴隨著半導體技術(shù)的發(fā)展而飛速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，LED的需求量也越來越大.由于LED本身具有的鮮明特點也使得它在各種領(lǐng)域中扮演著重要的角色，特別是白光LED的發(fā)明使LED用于室內(nèi)照明成為可能，被稱為是繼白熾燈照明發(fā)展歷史120年以來的第二次革命.

LED；白光LED；光源；照明

自1879年愛迪生發(fā)明電燈開始，人類的生產(chǎn)生活揭開了新的一頁，人們從黑暗中解放出來.歷經(jīng)一百多年的變遷，人類的照明光源也隨著科技的進步在不斷地發(fā)生著變化，從第一代的白熾燈到第二代熒光燈再到第三代高強度氣體放電燈，這些變化無不是向著更節(jié)能，更高效，更環(huán)保，更安全等方面發(fā)展.與其它領(lǐng)域的發(fā)展變化一樣，照明光源的每一次發(fā)展變化都讓人們更深切地體會到科技的神奇與魅力，以及科技帶給人類的輕松與便捷.在半導體技術(shù)飛速發(fā)展的今天，一種新的光源——LED以其它光源無可比擬的優(yōu)勢必將成為繼白熾燈、熒光燈及高強度氣體放電燈后的第四代照明新光源.

LED是light emitting diode的英文縮寫，中文名：發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件.是由元素譜中的Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體制成的.其核心是PN結(jié)，因此它具有一般P-N結(jié)所具有的伏安特性，即正向?qū)?，反向截止、反向擊穿特?而我們用LED來做光源則是利用了它的另外一個重要特點，那就是在一定條件下，LED還具有發(fā)光的特性.

當PN結(jié)在外加正向電壓時，電子由N區(qū)注入P區(qū)，空穴由P區(qū)注入N區(qū)，進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合，復合后多余的能量則以光能的形式釋放出來，使LED具有發(fā)光的性質(zhì).假設(shè)發(fā)光是在P區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復合發(fā)光.除了這種發(fā)光復合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導帶、介帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復合，這種復合每次釋放的能量不大，不能形成可見光.發(fā)光的復合量相對于非發(fā)光復合量的比例越大，發(fā)光效率越高，要想使LED進入照明領(lǐng)域并廣泛應(yīng)用，必須使發(fā)光效率達到一定的值（200lm/w）.

LED具有如下特征：1.體積小：LED基本上是一塊很小的芯片被封裝在環(huán)氧樹脂里面，每個單元小片是3—5mm的正方形，所以可以制成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境.2.耗電量低：LED耗電非常低，一般來說LED的工作電壓是2-3.6V，工作電流是0.02-0.03A，這就是說它消耗的電不超過0.1W，較同光效的白熾燈減少80%.世界各國也正是看中了它的這個特點，大力發(fā)展半導體照明，用以替代傳統(tǒng)的照明光源達到節(jié)能的目的.3.使用壽命長：在恰當?shù)碾娏骱碗妷合?，LED的使用壽命可達10萬小時，是傳統(tǒng)光源的5倍.4.穩(wěn)定性高：LED工作10萬小時，光衰為初始的50%.5.高亮度、低熱量，這也使得LED的光效非常高.6.環(huán)保：LED是由無毒的材料制成，制作過程不會對環(huán)境造成污染，不像熒光燈含水銀會造成污染，同時LED也可以回收再利用.7.響應(yīng)時間短：白熾燈的響應(yīng)時間為毫秒級,LED燈的響應(yīng)時間為納秒級，可以用于高頻電路.8.堅固耐用：LED是被完全的封裝在環(huán)氧樹脂里面，它比燈泡和熒光燈管都堅固.燈體內(nèi)也沒有松動的部分，這些特點使得LED可以說是不易損壞的.9.更安全：LED燈不需要加反射器，工作電壓低，沒有紫外輻射，更適于在公共環(huán)境中使用.

LED光源的發(fā)光顏色多變，其發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān)，另外與LED所流過的電流的大小也有關(guān)系.目前廣泛使用的LED有紅、綠、藍三種，而用來替代傳統(tǒng)光源進入照明領(lǐng)域的LED則是發(fā)白光的白光LED，它相對于其它顏色的LED在制造上要特殊一些，在光效的要求上也更高些.

傳統(tǒng)的LED的應(yīng)用已經(jīng)有很多年歷史了，主要應(yīng)用于顯示屏，建筑景觀照明，交通信號燈，小尺寸LCD背光源，汽車信號燈；近幾年來則被用作中大尺寸LCD背光源，道路照明燈，室內(nèi)普通白光照明.隨著半導體技術(shù)的發(fā)展，LED在一些新興的前沿領(lǐng)域也有了市場，如太陽能LED照明，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用人工光源，醫(yī)療用光源等.在這些應(yīng)用領(lǐng)域中，白光LED進入照明領(lǐng)域與我們的生活密切相關(guān).

隨著LED芯片制造與封裝技術(shù)的進步以及效率的提升，結(jié)合LED自身所具有的其它傳統(tǒng)光源無可比擬的優(yōu)勢，白光LED取代傳統(tǒng)光源可為可能，可以說白光LED的開發(fā)是繼白熾燈照明發(fā)展史120年以來的第二次革命.各國政府也紛紛投入巨資來研發(fā)，并取得了一度程度的成功.

白光LED相比于其它顏色的LED在制造工藝上有所不同，我們知道可見光光譜的波長范圍為380nm-760nm，這個范圍也正是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的波長范圍，這七種顏色的光都各自是一種單色光.在可見光的光譜中是沒有白色光的，因為白光不是單色光，而是由多種單色光復合而成的復合光，正如太陽光是由七種單色光合成的白色光.彩色電視機中的白色光則是由三基色紅、綠、藍合成.由此可見，要使LED發(fā)出白光，它的光譜特性應(yīng)包括整個可見的光譜范圍.但要制造這種性能的LED，在目前的工藝條件下是不可能的.根據(jù)人們對可見光的研究，人眼睛所能看見的白光，至少需兩種光的混合，即二種波長發(fā)光（藍色光＋黃色光）或三種波長發(fā)光（藍色光＋綠色光＋紅色光）的模式.

鑒于這種原因，目前實現(xiàn)白光LED的方法有三種，第一種方法：用發(fā)藍光的LEDGaM芯片和可被藍光有效激發(fā)的發(fā)黃色光的熒光粉YAG（釔鋁石榴石）封裝在一起，GaM芯片發(fā)藍光，高溫燒結(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍光激發(fā)后發(fā)出黃色光，藍光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，LED基片發(fā)出的藍光一部分被熒光粉吸收，另一部分藍光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，這樣可以得到白光.第二種方法：將紅、綠、藍三基色LED封裝在一起組成一個像素，也可得到白光.第三種方法：像三基色節(jié)能燈那樣，發(fā)紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激發(fā)而發(fā)射紅、綠、藍三基色的熒光體有機結(jié)合組成白光LED.在以上三種方法中第一種方法是目前制作白光LED的主導方案，并且通過改變YAG熒光粉的化學組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光.這種通過藍光LED得到白光的方法，構(gòu)造簡單、成本低廉、技術(shù)成熟度高，因此運用最多.在國內(nèi)外已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化.

目前在照明領(lǐng)域廣泛使用的光源是白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈等.白熾燈具有安裝簡便的優(yōu)點，但是它的光效低，耗電高，壽命短，易碎；熒光燈相對省電，但廢氣中有汞氣污染，此外也有電磁污染，容易老化，怕振動，易碎；高壓鈉燈則成本高，安裝及維護困難.光效低，耗電高，壽命短.白光LED比現(xiàn)行的光源壽命提高5倍以上，且生產(chǎn)過程無污染，更環(huán)保；白光LED體積小，發(fā)熱低（沒有熱幅射），光效高，耗電量小，低電壓低電流起動，更安全，反應(yīng)速度快，可以用于高頻電路，可平面封裝，易開發(fā)成輕薄短小產(chǎn)品，不易碎，適用范圍更廣，基本不需要維護.除此以外還可以利用LED響應(yīng)時間短的特點，通過相應(yīng)的電路對LED進行控制，控制發(fā)光的亮度及開起的時間，從而達到更加節(jié)能的目的.可以說白光LED是絕對符合環(huán)保節(jié)能理念的綠色光源.

我國是僅次于美國的第二大發(fā)電大國，其中80%為火力發(fā)電，需要燃燒大量的原煤和石油，生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的粉塵和SO2、CO2等氣體，環(huán)境污染嚴重，在所發(fā)電量中照明用電占10—12%（發(fā)達國家占20%），我國是能源相對緊缺的國家，所以在我國發(fā)展白光LED對于走可持續(xù)發(fā)展的道路有重要的戰(zhàn)略意義.

世界各國都將白光LED照明列為本國的重要課題.美國從2000年起投資5億美元實施國家半導體照明計劃，美國能源部預測，到2010年前后，美國將有55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈具替代，每年節(jié)電可達350億美元.日本計劃到2007年全國將有30%的白熾燈被置換為半導體照明燈.我國科技部在863計劃的支持下，2003年6月首次提出發(fā)展半導體照明計劃，經(jīng)過短時間的科技攻關(guān)，已自主開發(fā)出在藍色芯片上涂敷熒光粉以產(chǎn)生白光，形成了實現(xiàn)白光LED照明的成熟技術(shù)，并向國際市場推出了傳統(tǒng)封裝型和多芯片集成型的系列白光LED光源及普通照明燈產(chǎn)品.目前我國也有兩千余家大小企業(yè)進入LED及白光LED生產(chǎn)領(lǐng)域.

在LED產(chǎn)業(yè)一片繁榮的背后，我們也清醒的看到，白光LED的普及及完全替代傳統(tǒng)光源而進入照明領(lǐng)域還存在一些制約.首先，LED為半導體組件，價格與亮度會呈現(xiàn)同比例增加，而成熟的傳統(tǒng)照明燈具則不會有此情況，這就使得白光LED燈具相比同效果的其它燈具的價格高出很多；其次，生產(chǎn)白光LED都需要發(fā)藍光的藍光芯片，而“藍光技術(shù)”的掌握只有日本的日亞光學公司，日本的豐田合成公司，美國的CREE公司及德國的歐司朗公司等少數(shù)幾家公司.所以它的普及涉及到知識產(chǎn)權(quán)等眾多問題，這也是白光LED價格偏高的原因之一；第三就是目前的白光LED成本較高；第四是白光LED所用的電源的可靠性和控制電路需要完善，電源管理方案不但影響到節(jié)能，而且也大大影響LED的實際使用壽命.

我國的白光LED產(chǎn)業(yè)則突出表現(xiàn)為LED企業(yè)核心芯片技術(shù)缺失，LED行業(yè)尚無統(tǒng)一標準，封裝技術(shù)落后，雖然有眾多企業(yè)進入此領(lǐng)域，但是缺少自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品同質(zhì)化、技術(shù)雷同化，大多數(shù)中小企業(yè)無核心競爭能力.成為我國白光LED產(chǎn)業(yè)的制約瓶頸，但是我國在稀土熒光粉方面有優(yōu)勢.

值得欣慰的是，國家開始下大力量發(fā)展此項產(chǎn)業(yè)，2009年初，中國科技部推出“十城萬盞”半導體照明應(yīng)用示范城市方案，該計劃涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個國內(nèi)發(fā)達城市.由此可以看到我國在白光LED生產(chǎn)發(fā)展方面所下的決心.

近兩年來白光LED的光效由1998年的5lm/w發(fā)展到了2008年的161lm/w，價格也由原來是傳統(tǒng)燈具的10-20倍下降為2—5倍.我們有理由相信，在國家的重視下，在科技人員及眾多企業(yè)的參與下，白光LED這一照明產(chǎn)品必將在不遠的將來取代白熾燈、熒光燈而進入普通照明領(lǐng)域，成為真正的第四代環(huán)保節(jié)能光源.

TN383

A

1673-260X（2010）01-0020-02