摘 要:白光LED具有发光效率高、功耗低、寿命长、环保等很多其它传统照明光源无法比拟的优势,因此白光LED被认为是21世纪新一代的引人瞩目的绿色光源.白光LED是取代白炽灯及荧光灯最具潜力的照明光源。本文简要介绍了白光LED的发展历史、发光的原理及应用等相关知识,并对其发展前景做了进一步的展望。
关键词:白光二极管 照明 LED应用
一、前言
LED是英文light emitting diode的缩写,属于一种半导体元器件[1]。在1907年,H. J. Round首先报导了电致发光现象[2]。LED的发展史始于电致发光现象,白光LED是基于LED,是LED技术发展的产物。白光LED顾名思义就是能发出白光的LED,白光LED诞生于1998年。通过蓝光LED得到白光的方法,构造简单、成本低廉、技术成熟度高,时下运用最多。蓝色LED芯片发出的蓝光,部分被荧光粉吸收发出黄光,另一部分蓝光与黄光混合,便可得到白光。将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成白光LED,是目前最成熟的技术。GaN芯片发蓝光,高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受蓝光激发后发出黄色光。蓝光LED芯片安装在碗形反射腔中,覆盖以混有YAG的树脂薄层,约200-500nm[3]。现在,对于InGaN/YAG白色LED,通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度,可以获得色温3500-10000K的各色白光。
自白光LED诞生起,LED开始高速发展,向普通照明挺进。目前普遍所用的照明灯光源,白炽灯和卤钨灯,其光效为12～24lm/w[4];较高效的荧光灯和HID灯,光效为50～120lm/w[4]。白光LED在1998年时光效只有5lm/w,到了1999年已达到15lm/w[5],这一指标与一般家用白炽灯相近,而在2000年时,白光LED的光效已达25lm/w[5],这一指标与卤钨灯相近。随着LED芯片技术的发展,外量子效率的不断提高,白光LED的光效也在飞速上升。2005年,白光LED的光效可达50lm/w,2008年白光LED光效已达100lm/w,这一指标已接近荧光灯和HID灯。2008年7月德国欧司朗公司宣布,新研发的白光LED在350mA的电流下光效达到136lm/W,2008年10月美国科锐公司在瑞士召开的一家研讨会上宣布白光LED实验室水平达157lm/W[6]。LED在2009年10月29日举行的“Green Device 2009 Forum”上,日亚化学工业公开的开发蓝图显示,收纳在直径为5mm的炮弹型封装内的白色LED,在研究水平上发光效率将达249lm/W,2011～2012年将达到能够上市200lm/W产品的技术水平[7]。目前,Cree公司的白光大功率LED光效已实现186lm/W,此光效为业界研发成果汇报中的最高水平,但这种性能水平的LED目前在Cree公司还没有量产。
二、白光LED的发光原理
1.LED的发光原理
LED是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。实际上LED的基本结构是半导体的基础单元p-n 结,在 p 型材料中电子较少而存在大量的空穴,即占主导的载流子是空穴;而n型材料中空穴较少而存在大量的电子。当给p-n结加上正向偏压时,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[8]。复合时将释放能量,若大部分能量以光子的形式释放,便产生可见光。能把电能转化成光能释放出来的二极管被称为发光二极管(LED)。
2. 实现白光LED原理
白色光是一种复合光,至少需要两种以上的单色光混合。一般由二波长光(蓝色光和黄色光[9])或者三波长光(红色光、绿色光、蓝色光[9])混合而成。目前,LED实现白光的方法主要有三种:(1)、蓝色LED芯片激发黄色荧光粉合成白光LED:一部分蓝光被荧光粉吸收,激发荧光粉发射黄光,发射的黄光和剩余的蓝光混合得到白光。缺点是色温不易控制荧光粉涂覆难以及荧光粉高温易衰减[10];(2)、将红、绿、蓝三基色芯片组装在一起实现白光[11];(3)、紫外光LED芯片激发三基色荧光粉发出红、绿、蓝合成白光LED。此外,还可选用两基色,甚至四基色、五基色荧光体[12]。
三、白光LED的应用
由于具有固体化、体积小、寿命长、抗震、不易破损、启动响应时间快、耗电量小、无公害等传统光源所不具备的优势,白光LED被广泛的运用于各领域,如:液晶显示背光应用,彩色显示器,手机,交通信号灯[13],固态照明等。由于环境污染、能源短缺日益严重,世界各国纷纷倡导使用节能环保型光源[6],而被认为下一代高效的绿色照明光源的正是白光LED。随着价格的不断降低,发光亮度的不断提高[14],在家庭、机构、政府和工业应用中,高亮度白光LED取代传统光源是一个必然的趋势。据美国能源部的研究报告分析,到2010年,美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体LED 灯替代,每年节约电费达350亿美元[15]。白光LED被认为是取代白炽灯跟荧光灯最具潜力的照明光源。
2009年4月28日,科技部正式发189号文,同意在上海、成都、天津等21个城市开展半导体照明应用工程(简称“十城万盏”)试点工作。在“十城万盏”计划的21个试点城市中,已经安装的LED路灯(含隧道灯)大约为22.2万盏。我国以2008年北京奥运会和2010 年上海世博会为契机,推动半导体照明在城市景观、汽车、道路交通等方面的照明应用[15]。
四、展望
随着全球能源的短缺、电力的紧张以及环境污染的日益严重,开发和使用节能环保的照明产品得到了全世界人们的共识。事实证明,由于LED所具有的诸多优点和特性,使得LED产品在举世瞩目的2008年北京奥运会和“建国60周年庆典”上向世人成功展现了它的完美应用,对LED的广泛应用将行业在全球推至一个全新的高度。随着2010年“世博会”和“亚运会”在中国举办,以及全球对LED更多的认知及应用,中国将再次迎来LED行业的又一个应用高潮。LED产业在中国及全球得到飞跃发展,其市场前景十分可观。随着LED产品市场不断壮大及LED技术的不断创新,LED产业将会得到快速健康的发展,很多应用都将超越我们的想象,LED产业的价值链也将由制造延伸到应用,并进入到服务业,这将对于整个人类社会的发展产生更为广泛而有利的影响。LED行业将迎来前所未有的巨大历史发展机遇,我们深信LED产业在中国及全球的发展前景将不可限量。
参考文献:
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