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| 白光LED引发照明技术革命 | |
| 时间:2008-6-2 18:19:25 来源:中国半导体照明网 量子光电 作者:刘承芬 浏览 | |
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白炽灯于1910年开始批量生产，此后，又有荧光灯等新光源出现。但近20年来，照明界深感有必要开发新世纪照明光源。欧洲专门制订了COST五年行动计划，它提出新型光源要符合三个条件:高效、节能；不使用有害于环境的材料；模拟自然光，其显色指数接近100。美国有专家提出，半导体已在电子学方面完成了一场革命，第二场革命将在照明领域进行，到2020年左右，固体光源的发光效率将达到200lm/w，能符合COST计划提出的对新光源的要求，这样，在国际上掀起了LED照明的热潮。 全球白光LED研制进展 白光LED分单芯片、双芯片和三芯片，以下将按这一分类介绍： Ａ.单芯片： InGaN(蓝)/YAG荧光粉 这是一种目前较为成熟的产品，其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构，提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进，可将色均匀性提高10倍。实验证明，电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移，但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好，Φ5的白光LED在工作1.2万小时后，光输出下降80%，而这种功率LED在工作1.2万小时后，仅下降10%，估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w，最高光通量为187lm，产业化产品可达120lm，Ra为75-80。 InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉 Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4：Eu2+(绿色)和SrS：Eu2+(红色)荧光粉，色温可达到3000K-6000K的较好结果，Ra达到82-87，较前述产品有所提高。InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉。 Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED；丰田已生产此类白光LED，其Ra大于等于90，但发光效率还不够理想；日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED，如制成白色LED，会有较好效果。 ZnSe和OLED白光器件也有进展，但离产业化生产尚远。 Ｂ.双芯片： 可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成，此种器件成本比较便宜，但由于是两种颜色LED形成的白光，显色性较差，只能在显色性要求不高的场合使用。 Ｃ.三芯片(蓝色+绿色+红色)LED： Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件，色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片，则缺少黄色调，Ra只能达到20或30。 采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景观照明的系统产品，用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸)，产品的性能都不错。 Ｄ.四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色)LED： 采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。 此外，Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED，每个器件光通量达130lm，色温为5500K。 照明用白光LED技术指标 照明用白光LED不同于传统的LED产品，在技术性能指标上有一些特殊要求：光通量一个Φ5LED的光通量仅为1lm左右，而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然，光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低，仅8lm/w，所以一个15W白炽灯的光通量，与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。 发光效率目前产业化产品已从15lm/w提高到25lm/w，研究水平为32lm/w，最高水平已达44.3lm/w。 色温在2500K-6000K之间，最好是2500K-3500K之间。 显色指数Ra最好是100。 稳定性波长和光通量均要求保持稳定，但其稳定性程度依照明场合的需求而定。 寿命5万小时至10万小时。 白光LED应用展望 白光LED亮度和功率的每一次提高，都进一步扩展了它的应用范围。从2000年开始，功率型LED已被用于特殊应用照明。2002年，三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯，将Lumileds作为液晶电视屏的背光源，提高了色彩保真度；小糸制作所用白光LED制作汽车头灯。此外，目前白色LED在景观照明，庭园灯等方面已大量应用。本人估计，若白光LED以1lm/个单位为基础，每单位降到1元将进入一般家庭的户外照明；当降到0.5元可望进入室内照明、走廊照明等市场；当降到0.25元时将开始置换荧光灯。从发光效率看，一旦跨进60lm/w，相当于20W的荧光灯，白光LED将迅速普及。未来5年到6年中，若发光效率突破80lm/W，再加上单价继续下降，则到2008-2010年，白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具，正式担当21世纪的照明新光源。 目前，白光LED技术主要有三种：一是利用三基色原理将红、绿、蓝三种超高亮度LED混合成白光；二是用InGaN蓝色LED管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉；三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产业化，后两种技术发展较快。由此制造出的半导体灯小巧、可靠、寿命长、低压、节能、无污染，堪称绿色光源，是照明方式的一次革命。白光LED与白炽灯相比可节省80%～90%的电能，且寿命可超过10万小时。目前主要问题是芯片成本高，但从电子产品性价比发展规律看，半导体灯进入普通家庭已为期不远。目前，高性能LED广泛用于一些特殊场所，如军用装置、矿山、潜水、探险等行业。可以肯定地说，高性能LED正在成为一种极有竞争力的新型光源，它的商业化必将带来照明技术的一场革命。 白光LED照明效益分析 美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年仅节电就可达350亿美元。日本计划，到2007年，全国将有30%的白炽灯被置换为半导体照明灯。 我国是仅次于美国的第二大发电大国，2002年我国发电总量为1.65万亿千瓦时，其中1.34万亿千瓦时(80%)为火力发电，燃烧大量的原煤和石油，产生大量的粉尘和SO、Co2等气体，环境污染严重。照明用电量已超过1500亿千瓦时，占总发电量的10%～12%(发达国家占20%左右)，大大超过三峡水力发电站年总发电量840亿千瓦时。而半导体照明耗电量将是白炽灯的八分之一、荧光灯的二分之一，其寿命约为白炽灯的20倍到30倍、荧光灯的10倍，是节能与环保的“富矿”。所以，发展高效、环保并节能的白光LED照明光源是非常必要的。 目前我们常见的支架式和片式LED由于热阻大、光衰减大、单个器件光通量小，而不能胜任替代传统光源的重任。大功率白光LED器件是LED光源进入普通照明领域的必由之路。因此，大功率白光LED器件的市场前景十分巨大。 | |
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