新型照明光源：白光LED的研究進展

新型照明光源：白光LED的研究進展

LED是一種固體光源,它是利用半導體P-N結電致發(fā)光制成的發(fā)光器件，由于不同半導體材料的帶隙能量不同,因此激發(fā)光的波長也不同。所以,采用不同的材料可制成不同顏色的發(fā)光二極管.根據色度學原理,白光可以通過不同的顏色混合方案實現,例如,藍光和黃光混合,藍、綠、紅三基色光混合、以及多基色光混合等。

當前的主流方案是藍光LED芯片和可被藍光有效激發(fā)的發(fā)黃光熒光粉有機結合組成白光LED.LED芯片發(fā)射的藍光部分被熒光粉吸收,有效地激發(fā)熒光粉發(fā)射黃光,其余的部分藍光穿過熒光粉透出,黃光和藍光混合獲得白光.這種方法的優(yōu)點是白光LED結構簡單,容易制作,而且YAG熒光粉已經在熒光燈領域應用了許多年,工藝比較成熟.其缺點主要有:(1)藍光LED發(fā)光效率還不夠高;(2)短波長的藍光激發(fā)熒光粉產生長波長的黃光,存在能量損耗;(3)熒光粉與封裝材料隨著時間老化,導致色溫漂移;(4)不容易實現低色溫(一般照明用的白光都略微偏暖色),顯色指數一般也不高(70~80);(5)功率型白光LED還存在空間色度均勻性等問題。

第二種方案是采用高亮度的近紫外LED(~400nm)泵浦R、G、B三色熒光粉,產生紅、綠、藍三基色.通過調整三色熒光粉的配比可以形成白光,這也是當前發(fā)展的重點.相對于藍光LED+YAG熒光粉,采用這種方法更容易獲得顏色一致的白光,因為顏色僅僅由熒光粉的配比決定;此外,還可以獲得很高的顯色指數(>90).其缺點主要有:(1)高效的功率型紫外LED不容易制作;(2)由于Stocks變換過程中存在能量損失,用高能量的UV光子激發(fā)低能量的紅、綠、藍光子導致效率較低;(3)封裝材料在紫外光的照射下容易老化,壽命縮短;(4)存在紫外線泄漏的安全隱患.其他方案還有多基色LED組合、ZnSe白光LED、白光有機LED等。

發(fā)展趨勢

白光LED具有低壓、低功耗、高可靠性和長壽命等一系列優(yōu)點,是一種符合環(huán)保和節(jié)能的綠色照明光源.巨大的市場需求和顯著的經濟效益和社會效益的驅動,使世界各國均傾注了大量財力、人力和物力,來推動固體白光LED作為固態(tài)照明光源的研究和開發(fā),并成立了專門機構制定戰(zhàn)略目標和計劃,以確保推動固體白光LED發(fā)展處于領先地位.1998年日本政府制定“21世紀光計劃”,政府投資50億日元,組織13家公司和4所大學聯(lián)合執(zhí)行;美國政府決定從2000年至2010投入5億美元,實施“國家半導體照明研究計劃”,由12個重點實驗室、公司和大學共同執(zhí)行;2001年3月美國Sandia國家實驗室開始起草美國半導體照明技術發(fā)展藍圖,2001年7月美國能源部提出“新一代照明光源計劃”。

1999年,歐盟制定“彩虹計劃”,由歐盟執(zhí)委會研究總署6個大公司和2所大學共同執(zhí)行;韓國政府2000年制定“固態(tài)照明計劃”,成立光產業(yè)振興會負責計劃實施,計劃2000年至2008年政府投資4.72億美元,企業(yè)投入7.36億美元;中國臺灣制定“次世紀照明光源開發(fā)計劃”,由14個企業(yè)、研究機構和大學參加,將芯片加工、封裝、應用、建立信息平臺和測試平臺都囊括其中.1993年11月我國經貿委啟動中國綠色照明工程,1996年正式列入國家計劃.2003年科技部聯(lián)合信息產業(yè)部、中科院等8個部門,和北京、上海等15個地方政府全面啟動我國半導體照明工程.在材料、芯片、封裝和應用產業(yè)化支撐技術方面取得較大突破,共計突破關鍵技術20余項.申請專利171項,送審3項行業(yè)標準,制定企業(yè)標準17項,建立中國半導體照明及數據庫;產業(yè)化成效顯著,新增產值6.2億元,帶動行業(yè)創(chuàng)收133億元.科技部先后批準上海、廈門、大連、南昌、深圳五個國家半導體照明工程產業(yè)化基地,促進了區(qū)域技術集成創(chuàng)新和產業(yè)鏈的完善,初步形成了相對合理的產業(yè)格局。

在各國強有力的政策支持下,世界許多著名光源廠商和半導體材料器件公司紛紛聯(lián)盟,實行強強聯(lián)合,重組半導體照明新公司,搶占固態(tài)照明這一高新產業(yè)和市場.近年來,白光LED光源的進展速度比原來的預期要快得多,在質和量方面均取得可喜的進展。

目前白光LED光源的發(fā)光效率已經達到40lm/W,已超過白熾燈(7.4~16lm/W).但要取代日光燈(40~70lm/W)進入通用照明市場,其光效需要達到150lm/W.同時,還需解決發(fā)光亮度低、成本高、顯色指數差等問題.為此,人們正圍繞芯片、熒光體和封裝三大要素進行攻關,以進一步改芯片質量和結構,提高內量子效率,優(yōu)化取光率,降低色溫,爭取早日實現大規(guī)模的半導體照明。

應用前景

LED光源已在很多領域獲得應用:(1)各類交通工具的照明燈具.由于發(fā)光效率的提高,成本的不斷降低,供應鏈的完善和工藝的進步,使新生產的交通工具以高于75%的增長率安裝這種新出現的半導體LED光源.(2)交通指示燈.LED光源具有亮度高、光響應速度快、抗震耐沖擊、省電、壽命長、在濃霧和日光下可視性高等優(yōu)點.許多城市正在用高亮度的LED陣列替換交通信號的白熾燈泡,取得良好的效果.隨著LED燈性能的提高及價格的下降,將有更多的交通信號燈采用LED光源.(3)建筑泛光照明和裝飾彩燈.如上海東方明珠電視塔景觀照明工程.新建成奧運場館等的水立方。

保定市大功率半導體路燈照明取得成功應用,全長3.6km的高速引線兩側綠化帶內,安裝了泛光燈174盞,草坪燈447盞,使夜晚的高速引線成為一條美倫美奐的“光波帶”.哈爾濱市除樓房泛化照明外,主要街道上的200多處亮化景觀全部采用LED照明,居民游客普遍認為這種燈飾更漂亮,據相關管理門部說,這種燈飾理論上節(jié)電70%,由于今年在哈爾濱第一年使用,數據不完整,但保守估計能節(jié)電三分之一以上。

隨著LED發(fā)光功率和產量的不斷提高,預期LED將不斷地擴展其在傳統(tǒng)照明領域的應用.降低成本也是LED光源獲得廣泛應用的一個重要