LED燈具技術(shù)全面解析

LED燈具技術(shù)全面解析(圖)LED照明技術(shù)的原理

LED是英文lightemittingdiode的縮寫，即：光線激發(fā)二極管，屬于一種半導(dǎo)體元器件。發(fā)光二極管的核心局部是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。打個(gè)比方，LED就像一個(gè)漢堡，可以發(fā)光的材料是夾層中的“肉餅〞，而上下的電極就是夾肉的面包。而通過對(duì)其中發(fā)光材料的研究，人們逐漸開發(fā)出各種光色、光效率越來越高的LED元件，但是無論怎么變化，LED總的發(fā)光原理和結(jié)構(gòu)都沒有發(fā)生太大的變化。

LED光源的優(yōu)點(diǎn)

紅光LED白光LED統(tǒng)光源，因此自60年代誕生以來，得到了長(zhǎng)足的開展和應(yīng)用。而相對(duì)于白熾燈、熒光燈等老一代發(fā)光設(shè)備，LED的優(yōu)點(diǎn)主要表達(dá)在以下幾個(gè)方面：1.LED在結(jié)構(gòu)上沒有玻璃外殼，不需要想白熾燈或者熒光燈那樣在燈管內(nèi)抽真空或者沖入特定氣體，因此抗震、抗沖擊性良好，給生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用各個(gè)環(huán)節(jié)帶來便利。

作為一種出現(xiàn)時(shí)間最晚的照明技術(shù)，LED的優(yōu)點(diǎn)不僅表達(dá)在發(fā)光質(zhì)量方面，在其生產(chǎn)、制造、易用性方面都要大大超越白熾燈、熒光燈等傳2.LED元件的體積可以做的非常小，更加便于各種設(shè)備的布置和設(shè)計(jì)。3.LED的發(fā)出的光線能量集中度很高，集中在較小的波長(zhǎng)窗口內(nèi)，純度高。4.LED元件的壽命非常長(zhǎng)，普遍在5萬-10萬小時(shí)之間，即使是頻繁的開關(guān)，也不會(huì)影響到使用壽命。5.LED響應(yīng)時(shí)間非常快，在微秒級(jí)別。6.LED的發(fā)光指向性非常強(qiáng)，亮度衰減比傳統(tǒng)光源低很多。7.LED在生產(chǎn)過程中不要添加“汞〞，非常環(huán)保。8.LED使用低壓直流電即可驅(qū)動(dòng)，對(duì)使用環(huán)境要求較低。LED發(fā)光設(shè)備的這些優(yōu)點(diǎn)，不僅為其在日常照明領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)根底，也為L(zhǎng)ED進(jìn)入顯示設(shè)備領(lǐng)域打造了一條充滿希望的道路。不過，LED并不是從一開始就擁有如此之多的優(yōu)勢(shì)，也是經(jīng)過了一段較長(zhǎng)時(shí)間的開展，下面我們就去看看LED從誕生到現(xiàn)在所經(jīng)歷過的開展變遷之路。LED照明技術(shù)的開展歷程在LED剛剛出現(xiàn)的時(shí)候，其發(fā)光的顏色和效率都比較低。當(dāng)時(shí)主要使用的發(fā)光材料是“GaAsP〞，驅(qū)動(dòng)電流在20mA，只能發(fā)出紅色的光，而且發(fā)光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度僅僅能夠滿足一些儀表、電器上的指示之用，并沒有得到廣泛的使用和注意。而在隨后的幾十年里，一些新的發(fā)光材料被逐步引入到LED當(dāng)中，LED逐漸開始顯露出強(qiáng)勁的開展后勁。在70年代中期，通過引入元素In和N，使得LED可以發(fā)出波長(zhǎng)為555納米的綠光、波長(zhǎng)為590納米的黃光和波長(zhǎng)為610納米的橙光，同時(shí)發(fā)光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出現(xiàn)了使用GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效到達(dá)10流明/瓦。而進(jìn)入90年代后，能發(fā)出紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)出綠光、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙色光區(qū)域(波長(zhǎng)615納米左右)的光效到達(dá)100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域(波長(zhǎng)為530納米)的光效也可以到達(dá)50流明/瓦。不僅超過了傳統(tǒng)的白熾燈，而且和發(fā)光效率較高的熒光燈已經(jīng)非常接近。而按照材料科學(xué)的開展速度，發(fā)光效率能到達(dá)200流明/瓦的LED也將在較快的時(shí)間內(nèi)問世。而在LED發(fā)光技術(shù)的開展史上，白光型LED的出現(xiàn)，那么成為L(zhǎng)ED進(jìn)入快速開展階段的重要突破。在上世紀(jì)末，受到熒光燈發(fā)光原理的啟發(fā)，LED廠家通過在高亮度藍(lán)光LED管芯上加一層熒光粉，用藍(lán)光激發(fā)熒光粉發(fā)出白光的LED發(fā)光元件。此外，通過采用不同的熒光粉，可發(fā)出色溫為4500～10000K及色溫為2850～3800K的多種白光LED，也讓白光LED具備了成為新一代照明設(shè)備的能力。目前，白光LED的發(fā)光效率大都已超過30流明/W，某些產(chǎn)品已超過50流明/W的水平，具備了正式大規(guī)模實(shí)用化的根底。經(jīng)過這么多年的開展，LED照明發(fā)光技術(shù)已經(jīng)便成為一種相對(duì)成熟的事物，市面上不僅有能發(fā)出各種色彩的LED產(chǎn)品，也出現(xiàn)了大量可以用于直接照明的LED產(chǎn)品，此外，在顯示領(lǐng)域，LED產(chǎn)品也經(jīng)歷了從單色到彩色，從低分辨的文字到高分辨率圖像顯示的進(jìn)化過程，正在日益影響著我們的生活和工作。

白熾燈、熒光燈和LED燈光效率的開展趨勢(shì)LED產(chǎn)品一覽由于LED在最初是被當(dāng)作一種發(fā)光元件而生產(chǎn)的，因此，LED技術(shù)生來就和光明結(jié)下了不解之緣。而目前存在的各種LED產(chǎn)品，也可以按照用途的不同，大致可以分為：LED指示/照明設(shè)備和LED顯示成像設(shè)備兩大類。LED照明設(shè)備LED的最大價(jià)值還是表達(dá)在照明領(lǐng)域。由于LED發(fā)光技術(shù)全面超越傳統(tǒng)光源，因此許多人都看好未來LED在照明市場(chǎng)的時(shí)機(jī)，根據(jù)據(jù)CIR預(yù)測(cè)，全球LED市場(chǎng)將從2004年的32億美元，增長(zhǎng)至2021年的56億美元，其中，高亮度LED市場(chǎng)產(chǎn)值將由16億美元增至26.4億美元，超高亮度LED市場(chǎng)那么將從2006年起快速成長(zhǎng)，并于2021年占到全球市場(chǎng)22%的份額。而令LED擁有如此廣闊之商業(yè)運(yùn)營(yíng)前景的最關(guān)鍵原因，那么在于其高度節(jié)能的獨(dú)特特性。作為第三代半導(dǎo)體照明材料，LED的壽命是普通白熾燈的100倍，耗能卻遠(yuǎn)比白熾燈小，更換本錢也更低，并具備體積小、平安、無污染、免維護(hù)、響應(yīng)速度快等附屬優(yōu)點(diǎn)。由于體積小、配置靈活，理論上LED照明設(shè)備可以做成任意想要的形式。因此可以預(yù)見，在未來照明市場(chǎng)上，LED光源將成為人們的新寵。

只要將包翻開，內(nèi)置的LED燈泡就會(huì)自動(dòng)點(diǎn)亮，LED用途其實(shí)很廣泛LED成像設(shè)備在90年代中期，伴隨著高發(fā)光效率LED元器件的成熟，市場(chǎng)開始出現(xiàn)了一種新型的顯示設(shè)備——大屏幕LED顯示器，在各種公共場(chǎng)合，例如車站、證券交易大廳、我們都能看到這種LED顯示設(shè)備。最初的LED顯示設(shè)備原理比較簡(jiǎn)單：將每一個(gè)可以發(fā)出單色光的LED元件作為顯示設(shè)備的像素點(diǎn)，通過控制每一個(gè)像素點(diǎn)的亮于滅，來實(shí)現(xiàn)文字或者簡(jiǎn)單圖像的顯示。這種設(shè)備是所有LED顯示設(shè)備中最易實(shí)現(xiàn)、本錢最低的產(chǎn)品，但是因?yàn)殚L(zhǎng)壽命、高亮度，至今仍在很多場(chǎng)合得到使用。例如北京的大局部公交車和地鐵上，都有LED的提示器，可以滾動(dòng)顯示各種文字信息、站名、時(shí)間等等。

除了比較初級(jí)的LED電子顯示屏，還有一種比較常見的LED顯示設(shè)備，那就是用于組建大尺寸顯示的模塊化彩色LED顯示屏。

這種模塊化的LED顯示設(shè)備，主要是用來滿足永久或者臨時(shí)性的大面積顯示的需要。例如在一些演唱會(huì)、晚會(huì)、發(fā)布會(huì)的現(xiàn)場(chǎng)，為了更好的襯托的氣氛，就需要一整塊當(dāng)作背景使用的顯示設(shè)備，而在LED顯示器出現(xiàn)以前，這幾乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。而在戶外顯示方面，傳統(tǒng)的霓虹燈雖然亮度較好，也可以做出非常漂亮的效果，但是充其量也只是燈具而不是顯示設(shè)備，不能實(shí)現(xiàn)多樣化并且靈活的顯示功能，也受到了越來越多廣告主的不滿，因此模塊化大屏幕LED顯示屏的出現(xiàn)，正好滿足了他們的需求。正是基于這種需要，這種LED顯示設(shè)備采用了模塊化設(shè)計(jì)，一般一個(gè)矩形模塊的大小在0.25平米-1平米之間，通過假設(shè)干模塊的排列組合，可以組建出各種尺寸的顯示面積。除了組裝成面積不等的平面顯示器，通過合理的設(shè)計(jì)，還可以利用LED屏搭建出立體的顯示器，例如可以做成一個(gè)6面同時(shí)顯示的立方體顯示器，并且通過屏幕控制裝置，實(shí)現(xiàn)6面獨(dú)立顯示或者整體顯示的效果，使用起來非常靈活。和根本的LED顯示設(shè)備不同的是，模塊化LED可以顯示出完整的全彩色圖像，在一定的觀看距離上，觀眾可以得到接近傳統(tǒng)顯示器的圖像效果，而這主要得益于它的像素結(jié)構(gòu)。從微觀上看，模塊化LED顯示設(shè)備采用了和平板電視非常類似的像素結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)像素點(diǎn)都是由可以發(fā)出R/G/B單色光的LED元件組成，通過3種原色的排列組合，每個(gè)像素就可以發(fā)出各種色彩的光。U2vertigo演唱會(huì)中使用到的LED顯示屏，由于點(diǎn)距較大，所以圖像較粗糙。

由于定位于大面積顯示，所以模塊化LED顯示屏的每個(gè)像素之間的距離要比電視機(jī)、顯示器等設(shè)備大很多。因此在這類設(shè)備上，并不像一般顯示設(shè)備那樣用分辨率來表示清晰度，而是用每個(gè)像素點(diǎn)之間的點(diǎn)距來表示。通常來說，用于室內(nèi)的LED屏一般的點(diǎn)距在10毫米之內(nèi)，8毫米屬于中等偏上，而6毫米的那么是效果最好的產(chǎn)品，不過相應(yīng)的售價(jià)也比較高。室外用LED屏的點(diǎn)距那么要大不少，一般有10毫米、16毫米等規(guī)格，但是室外屏在防水防塵效果上要好于室內(nèi)屏。近幾年，模塊化LED顯示屏在全球范圍內(nèi)都得到了非常廣泛的應(yīng)用，其超高的顯示亮度、靈活的搭配方式得到了絕大多數(shù)人士的認(rèn)可，已經(jīng)成為戶外顯示設(shè)備的主力品種，并且在活動(dòng)、演出、展覽展示等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。LED在照明領(lǐng)域面臨的問題：(1)首先是發(fā)光效率問題。提高LED的發(fā)光效率最主要的方法是改良半導(dǎo)體發(fā)光材料與LED芯片的結(jié)構(gòu)和制造工藝。由于這局部工作需要強(qiáng)大的理論研究根底和先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝設(shè)備，因此要實(shí)現(xiàn)200流明/瓦的目標(biāo)路途依然比較艱難。(2)高功率問題。作為照明，單個(gè)LED輸出的光通量必須足夠大，欲加大LED的光通量，首先必須注入足夠的電功率。但LED芯片的溫升不能過高，否那么各項(xiàng)性能特別是使用壽命會(huì)受到很大的影響。顯然，設(shè)計(jì)較大輸入功率的LED器件和燈具，除需用面積較大的芯片外，還必須有良好的散熱結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在國(guó)外一些著名公司已設(shè)計(jì)研制了一些特殊的LED器件結(jié)構(gòu)，并已獲得了較好的效果。(3)由于LED照明需由多個(gè)LED管組成，其參數(shù)離散性也是一個(gè)技術(shù)問題。除了通過預(yù)選、分類，盡量保證一致性以外，還必須設(shè)計(jì)合理的燈具結(jié)構(gòu)(包括LED的排列和位置布局)和研究適宜的驅(qū)動(dòng)電路，防止偶爾產(chǎn)生的能量集中而燒毀局部LED。(4)此外，由于多個(gè)LED組成一只照明燈具時(shí)，免不了對(duì)LED進(jìn)行并聯(lián)、串聯(lián)。而在使用過程中只要有一個(gè)LED短路或開路，都將會(huì)導(dǎo)致整小片或整條LED熄滅，影響照明效果。為此，必須研究簡(jiǎn)單而廉價(jià)的保護(hù)電路，使這種不良影響降至最低限度。LED在顯示技術(shù)領(lǐng)域面臨的問題：(1)和在照明領(lǐng)域遇到的主要問題一樣，LED在作為新型背光源的同時(shí)，也面臨著發(fā)光效率的問題。目前傳統(tǒng)CCFL冷陰極熒光燈雖然耗電量大、發(fā)光質(zhì)量一般，但是其發(fā)光效率可到達(dá)50～100流明/瓦，而白光LED器件在剛起步時(shí)發(fā)光效率僅為20lm/W甚至更低，這就注定LED在開始時(shí)并不適合作為L(zhǎng)CD顯示器的背光源。不過，白光LED的發(fā)光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前為止，白光LED器件的發(fā)光效率突破50lm/W，開始到達(dá)實(shí)用化水平。(2)LED背光源系統(tǒng)的本錢要高于冷陰極熒光管。目前LED背光模組零組件的價(jià)格為CCFL背光源的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技術(shù)的本錢就越高。不過LED產(chǎn)業(yè)也存在類似微處理器產(chǎn)業(yè)中的“摩爾定律〞——Haitz定律，以安捷倫(LED領(lǐng)域領(lǐng)導(dǎo)廠商)的前任技術(shù)科學(xué)家RolandHaitz命名。其內(nèi)容是LED的價(jià)格每10年將為原來的1/10，性能那么提高20倍。如果這個(gè)定律能夠不斷應(yīng)驗(yàn)，而隨著產(chǎn)能的增加，LED背光源的本錢將快速下滑。預(yù)計(jì)到未來一兩年LED背光的售價(jià)可降到CCFT背光的2倍左右，距離大規(guī)模普及僅有一步之遙。

大尺寸電視要使用大量的LED元件，因此散熱和價(jià)格都是比較棘手的問題(3)RGB-LED背光源中，發(fā)出每種原色的LED元件由于采用了不同的發(fā)光材料，因此在長(zhǎng)時(shí)間使用后，其性能的衰減將不一致，這也可能導(dǎo)致屆時(shí)顯示的效果出現(xiàn)比較大的偏差。總結(jié)：作為20世紀(jì)人類最重要的100項(xiàng)創(chuàng)造之一的LED技術(shù)，在經(jīng)歷了30多年的開展后，終于迎來了距離廣泛應(yīng)用不遠(yuǎn)的日子，相信通過本文的介紹，你也對(duì)LED將在哪幾個(gè)方面對(duì)我們的生活產(chǎn)生影響有了一定了解。無論LED技術(shù)走向何方，這一充滿前途的技術(shù)必將給我們的生活帶來巨大的改變。LED技術(shù)在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用由于LED的優(yōu)良發(fā)光特性，LED元件不僅可以做成直接顯示的設(shè)備，近年來，LED也被逐漸引入到現(xiàn)有的平板顯示技術(shù)中，特別是液晶顯示技術(shù)，非常有可能下一個(gè)被LED所壟斷的產(chǎn)業(yè)。LED背光源的色彩飽和度較佳，響應(yīng)時(shí)間極快，漏光效果較弱。如果通過增加比照、進(jìn)行區(qū)域控制等手段，性能要大大優(yōu)于冷陰極熒光燈(CCFL)。而且冷陰極熒光燈含有汞等有害物質(zhì)，LED相較之下更具環(huán)保優(yōu)勢(shì)。LED已經(jīng)在很多移動(dòng)設(shè)備所使用的小尺寸面板中普及。而筆記本電腦和液晶電視等大尺寸面板用背光源將是LED產(chǎn)業(yè)下一個(gè)重量級(jí)應(yīng)用。目前LED技術(shù)在液晶領(lǐng)域的應(yīng)用，主要是利用LED發(fā)光元件替代以前的CCFL熒光燈光源，作為液晶顯示設(shè)備的背光源。而如果要再次細(xì)分的話，又可以按照LED發(fā)出的光源色彩，分成白光LED背光源和RGB-LED背光源兩種。白光LED背光源技術(shù)在上文中，我們?cè)?jīng)提到過LED在開展過程中的突破之一就是實(shí)現(xiàn)了可發(fā)出白色光的目標(biāo)。在液晶顯示設(shè)備的成像原理中，背光源發(fā)出的白光，經(jīng)過液態(tài)晶體層后，再通過R/G/B彩色濾光膜，變成獨(dú)立的原色。在這一過程中，決定最后液晶顯示設(shè)備色彩的關(guān)鍵并不是液態(tài)晶體層，而是背光源的發(fā)光質(zhì)量。背光源的光譜中RGB每種原色光的純度越高，在最后才能復(fù)原出越純粹的原色，只有復(fù)原出純粹的RGB三原色，才能調(diào)配出純粹而且真實(shí)的色彩效果。傳統(tǒng)的CCFL光源在發(fā)光質(zhì)量上并不理想，因此復(fù)原不出非常純粹的色彩，用色域范圍來衡量的話，一般就在NTSC等比的72%左右，即使是通過采用改良型的CCFL光源，也只能到達(dá)NTSC等比90%左右的色域范圍，這就造成現(xiàn)實(shí)世界中鮮艷、真實(shí)的色彩無法在液晶電視上復(fù)原，從而影響了圖像質(zhì)量。而通過采用高發(fā)光質(zhì)量的白色LED背光源，液晶電視的色域范圍可以輕松到達(dá)NTSC等比100%左右，對(duì)色彩效果提升作用明顯。采用白光LED的另一個(gè)好處是可以有效降低液晶面板的厚度，非常適合移動(dòng)設(shè)備對(duì)輕薄的追求。在介紹LED技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的時(shí)候，有一條就是LED的體積可以做的非常小。在液晶顯示設(shè)備中，LED背光燈板的形狀與尺寸會(huì)按照液晶面板的形狀及尺寸不同而不同。LED背光燈板根本上是長(zhǎng)方形或長(zhǎng)條形的。它有側(cè)部發(fā)光及底部發(fā)光兩種根本結(jié)構(gòu)。側(cè)部發(fā)光的結(jié)構(gòu)主要用于狹長(zhǎng)條形的背光燈板(一般長(zhǎng)度大于2倍的寬度);而底部發(fā)光結(jié)構(gòu)主要用于長(zhǎng)度與寬度相差不多的背光燈板。發(fā)光二極管點(diǎn)亮?xí)r，光線射入透明有機(jī)玻璃，使整個(gè)發(fā)光面都可以看到亮光，這稱為邊光效應(yīng)。有機(jī)玻璃頂部做成微珠粒狀，可使整個(gè)發(fā)光面的光線更均勻。有機(jī)玻璃的頂部有一層乳白色透明塑料膜，可使發(fā)出的光更為柔和。背光燈板兩側(cè)邊用銀色遮光膠帶封住。每個(gè)LED發(fā)光單元列有兩個(gè)串聯(lián)的二極管，假設(shè)干列組成LED陣列(視背光燈板的長(zhǎng)度而定)。以筆記本產(chǎn)品為例，采用白光LED作為液晶顯示屏的背光源后，LED背光源以多組排列于底部放置，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的CCFL細(xì)燈管，在SONYVAIOTX筆記本上，就使用了40個(gè)的LED發(fā)光元件。用LED代替細(xì)燈管后，原導(dǎo)光板厚且成楔形的設(shè)計(jì)被取消，轉(zhuǎn)而導(dǎo)光板可以用厚度均勻且可以把整體的厚度降底。LED的另一優(yōu)點(diǎn)——省電，也在應(yīng)用時(shí)得到了青睞。對(duì)于筆記本等移動(dòng)型產(chǎn)品而言，使用LED可以提高整機(jī)的使用時(shí)間，從而提升了移動(dòng)時(shí)的持久性。不過對(duì)于電視機(jī)而言，現(xiàn)階段使用LED背光并不能大幅度降低耗電量，主要是因?yàn)殡娨晫?duì)亮度的要求較高，為了滿足亮度的需求，就要提高LED元件的數(shù)量，從而導(dǎo)致整體功率沒有出現(xiàn)明顯降低。不過，相信隨著更高發(fā)光效率的LED元件的出現(xiàn)，液晶電視將使用數(shù)量較少的LED元件就能實(shí)現(xiàn)高亮度顯示，屆時(shí)耗電量將出現(xiàn)大幅的下降。

RGB-LED背光源技術(shù)由于RGB三原色可以調(diào)配出自然界中任何一種色彩，因此除了白光LED，在液晶顯示領(lǐng)域，還有一種采用可以發(fā)出R/G/B三種單色光的LED背光源技術(shù)。RGB-LED背光源，就是通過可以發(fā)出高純度紅色、綠色、藍(lán)色光的LED元件，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CCFL光源不能到達(dá)的寬廣色域范圍。目前主流的RGB-LED背光源已經(jīng)可以到達(dá)105%的NTSC色域范圍，而且只要采用性能更加強(qiáng)大的LED器件，目前已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)120%以上的NTSC色域范圍。這點(diǎn)對(duì)于以復(fù)原圖像為主的電視機(jī)而言，將是一個(gè)非常有效的提升畫質(zhì)的手段?？梢灶A(yù)見的是，RG