白色LED照明系統(tǒng).doc

2001年第8期光機(jī)電信息白色LED與照明系統(tǒng)1前 言 白色發(fā)光二極管(LED)作為下一代節(jié)能照明光源已嶄露頭角。利用族化合物半 導(dǎo)體(InGaN,AlGaInP)開(kāi)發(fā)了電光轉(zhuǎn)換效率非常高的LED，從而使具有極高發(fā)光強(qiáng)度的固體光 源實(shí)用化，發(fā)光效率在10年中約提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。預(yù)計(jì)到2010年， 藍(lán)色、綠色LED的發(fā)光效 率將超過(guò)100lm/W。日本開(kāi)發(fā)出的AlInGaP琥珀LED的外部量子效率達(dá)到了50，發(fā)光效率 達(dá)到了100lm/W。 LED具有低電壓驅(qū)動(dòng)、小型、重量輕、耐用、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。紅色、綠色、藍(lán)色LED可代替白 熾燈，并可用于顯示板、交通信號(hào)燈等。另外，近幾年還開(kāi)發(fā)了由藍(lán)色LED和熒光體(摻鈰YA G)組成的白色LED，人們對(duì)這種新的節(jié)能照明光源給予了極大關(guān)注。 本文概括介紹了以GaN類化合物半導(dǎo)體和熒光體為基礎(chǔ)的白色LED光源的研發(fā)現(xiàn)狀，并闡述了 白色LED的照明特性及其應(yīng)用。 2 LED的發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率 2.1有色LED 發(fā)光二極管是一種將電流順向通到半導(dǎo)體pn結(jié)處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子 阱結(jié)構(gòu)。1962年GE(General Electric)公司用GaAsP首次將紅色LED商品化。最初的紅色LED 的光通量為0.1lm/W，約是普通燈泡的1/150，其發(fā)光效率大約每10年提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。最近 ，藍(lán)色、綠色LED已實(shí)用化，其發(fā)光強(qiáng)度超過(guò)AlGaAs類紅色LED。這種LED采用氮化物半導(dǎo)體( InGaN混晶)作活性(發(fā)光)層的量子阱結(jié)構(gòu)，其發(fā)光強(qiáng)度超過(guò)10cd，量子效率超過(guò)20。此外 ，還開(kāi)發(fā)了外部量子效率超過(guò)50的AlInGaP紅色LED(630nm）和琥珀LED(595nm)。InGaN 綠色、藍(lán)色LED的量子效率也接近上述值。 坎德拉(cd)是發(fā)光強(qiáng)度的單位，用以表示可見(jiàn)光LED發(fā)光強(qiáng)度的指標(biāo)。發(fā)光強(qiáng)度I可用光通量 和立體角表示。 I=d/d cd =KmV()Pd lm其中，Km為在波長(zhǎng)555nm范圍內(nèi)的最大可見(jiàn)度(683lm/W)，綠色對(duì)人眼是最亮的。V() 是在波長(zhǎng)為時(shí)的相對(duì)可見(jiàn)度V(555nm)=1，P為光譜輻射通量。 圖1 各種LED的發(fā)光效率(lm/W)和各種光源 亮度的比較圖1比較了已實(shí)用化的可見(jiàn)光LED及其照明光源的發(fā)光效率(lm/W)。圖中實(shí)線為可見(jiàn)度曲線。 該曲線的30是LED可能實(shí)現(xiàn)的發(fā)光效率的極限值，但在AlGaAs、AlInGaN和InGaN類器件中 ，這一效率有可能提高近50。每一個(gè)LED的光通量(lm)最多為1lm2lm，在一般照明用光 源中，則有必要集成多個(gè)LED。與其他光源相比,其LED的發(fā)光效率遠(yuǎn)超過(guò)白熾燈，也有超過(guò) 熒光燈的。 2.2白色LED 白色LED是一種由InGaN藍(lán)色LED和熒光體組成的新型LED。 在藍(lán)色LED芯片上涂敷熒光層，涂層是由(Ya,Gd1a)3(Alb,Ga1b)5O12 Ce3組成的YAG 熒光體。例如 ，炮彈型燈的制法是先將LED芯片裝在導(dǎo)架上，粘接金線(Au)，然后在燈表面 上涂敷熒光體，最后用環(huán)氧樹脂將芯片周圍密封。 日亞化學(xué)工業(yè)公司于1996年將其用藍(lán)色LED和YAG熒光體作成的白色LED 產(chǎn)品推向?qū)嵱没，F(xiàn) 歐美大型照明廠商對(duì)白色LED的開(kāi)發(fā)十分活躍，并制定了21世紀(jì)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)，預(yù)計(jì)2005年白 色LED的發(fā)光效率將超過(guò)50lm/W。日本通商產(chǎn)業(yè)省指導(dǎo)的“21世紀(jì)之燈”國(guó)家項(xiàng)目的目標(biāo)值 到2010年時(shí)將達(dá)到120lm/W。 3白色LED及其原理 用表1所述的兩種方式(單芯片型和多芯片型)可得到色調(diào)效果好(Ra85)的白光。一 是同時(shí)點(diǎn)亮紅色、綠色、藍(lán)色(R.G.B)或藍(lán)綠色和黃橙色2、3種LED；二是用輻射藍(lán)色或紫外 LED作激勵(lì)光源激勵(lì)熒光體的方式。第一種方式不僅在LED的驅(qū)動(dòng)電壓或發(fā)光輸出上有缺陷， 而且在溫度特性或器件壽命上也存在問(wèn)題，因此距實(shí)用化還有一段距離。第二種方式則用一 個(gè)器件即可，驅(qū)動(dòng)電路，易于設(shè)計(jì)。有兩種激勵(lì)方式：即(1)用藍(lán)色LED激勵(lì)發(fā)黃光的熒光體 ；(2)用紫外LED激勵(lì)R.G.B熒光體。激勵(lì)熒光體的白色LED照明光源因熒光體組合的不同可發(fā) 射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應(yīng)用于照明。如前所述，每一個(gè)LED的光通量(lm) 很弱，要作為照明光源必須配置多個(gè)LED。而開(kāi)發(fā)LED照明用光源，則必須對(duì)包括多個(gè)LED集 成器件光分布在內(nèi)的裝置系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，此外，研究人員還必須參加半導(dǎo)體發(fā)光器件和 照明光源的開(kāi)發(fā)及技術(shù)交流。預(yù)計(jì)今后將有各種型號(hào)的白色LED問(wèn)世。然而，現(xiàn)在單芯片型I nGaN藍(lán)色LED和YAG熒光體組成的白色LED僅處于產(chǎn)品化階段。美國(guó)LEDtronics公司、Gentex 公司正致力于用藍(lán)綠色LED和琥珀色LED開(kāi)發(fā)多芯片型LED光源的研究，但難以實(shí)現(xiàn)一樣的混 色，故很難達(dá)到實(shí)用化。用R.G.B三基色LED開(kāi)發(fā)了白色LED，現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室水平的發(fā)光效率已超 過(guò)40lm/W，近幾年內(nèi)可望超過(guò)100lm/W。 4白色LED的特性及其在照明統(tǒng)中的應(yīng)用作為熒光體激勵(lì)光源的多量子阱(MQW)LED的外部量子效率已提高了20其溫和色調(diào)優(yōu)異。受YAG熒光體壽命影響的白色LED的壽命已超過(guò)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。用具有上述優(yōu)異 特性的炮彈型LED在玻璃狀環(huán)氧基板上以大約7mm間隔串聯(lián)41個(gè)LED，并將17列并聯(lián)，一共用697個(gè)。白色LED裝置使用商用電源AC100V,60Hz及全波整流后的穩(wěn)壓電源(電容輸入型整流電 流)。為減少LED器件的耗電量，整流后電源的波形變動(dòng)最大峰值電壓為143V，最小電壓為12 6V。 在此狀態(tài)下，各LED上施加電壓最大約為3.49V，最小約為3.07V時(shí)，電流值最大約為17mA，最小為3mA，耗電約為20W。圖2為用41個(gè)LED組成的照明器具。圖3表示了AC100V，120Hz 驅(qū)動(dòng)時(shí)的發(fā)光光譜，該光譜與直流順向發(fā)光光譜特性相一致。用燈座插入方式，距發(fā)光面30cm處的光照度約為1200lx，耗電約為1W。無(wú)論哪種光源都無(wú)需裝配冷卻裝置。 地利用LED的光定向性，并在 明確產(chǎn)品需求的情況下，開(kāi)發(fā)出能應(yīng)用于各種領(lǐng)域(舞臺(tái)照明 、發(fā)光照明、手術(shù)照明、航空照明)的商品。 圖2為用41個(gè)LED組成的照明器具圖3交流照明時(shí)白色LED光源與白燈發(fā)光光譜日本開(kāi)發(fā)了一種夜間用的節(jié)能型照明裝置。該裝置用兩套排列700個(gè)白色LED的光源， 并用太陽(yáng)電池板(電功率109W)和蓄電池進(jìn)行充電以實(shí)現(xiàn)夜間照明。照片1為節(jié)能型太陽(yáng)能電 池白色LED路燈的外觀。其基本結(jié)構(gòu)是由太陽(yáng)能電池盒(PV)、充、放電及電流系統(tǒng)的控制裝 置、視覺(jué)傳感器和白色LED組成。平常對(duì)各LED通lmA的電流，進(jìn)行低照度照明，但當(dāng)有人進(jìn) 入路燈半徑2m以內(nèi)時(shí)則有20mA的電流通過(guò)，并進(jìn)行額定運(yùn)行，因此可以說(shuō)它是一種完全自動(dòng) 化的節(jié)能路燈。這種在3m區(qū)域光照度約達(dá)660lx(耗電56W)的白色LED不久將達(dá)到實(shí)用化。由 于無(wú)電源且維修方便，所以最適宜于做城市辦公大樓、街道、郊外住宅區(qū)等人煙稀少處的夜照明。 5白色LED的今后的課題 5.1 價(jià)格和安全性 與熒光燈不同，白色LED照明裝置的照明電路簡(jiǎn)單，不需要逆變器電路和鐵芯型(或電 子型)穩(wěn)定器。另外，LED的壽命為熒光燈的10倍，且不需要維護(hù)費(fèi)。40W熒光燈的發(fā)光效率 約為60lm/W。 將發(fā)光效率約為60lm/W的40W熒光燈用40lm/W的白色LED來(lái)代替，要獲得相同 亮度需要約500個(gè)左右的LED。若能普及這種照明系統(tǒng)，設(shè)5年內(nèi)1只LED為5日元，那么整個(gè)照 明設(shè)備為5000日元左右。以GaN類半導(dǎo)體為基礎(chǔ)的LED與其他材料不同，在原料中不含有毒性 物質(zhì)，所以若能建立將LED重復(fù)使用技術(shù)，那么它將作為對(duì)地球環(huán)境友好的白色LED光源而加 以普及。 5.2 節(jié)能效果 據(jù)報(bào)道：日本家庭用電量約20(最近為40)為照明所用。若把日本的公共設(shè)施、公司、工 廠所使用的白熾燈、熒光燈換成LED照明設(shè)備，那將會(huì)節(jié)約多少電能呢?日本熒光燈使用量很 大，設(shè)大型建筑物的熒光燈數(shù)為15000套，一般一套為2只，因此熒光燈總數(shù)為30000只。使 用40W熒光燈的耗電量為1200kW，若用LED代替其20，那么節(jié)電240kW。因?yàn)長(zhǎng)ED照明設(shè)備的 耗電量為熒光燈設(shè)備的一半，所以等于節(jié)電480kW。若建筑物數(shù)量為5000棟10000棟，那么 總節(jié)電效果為240，0000kW480，0000 kW。 另外，若換掉霓虹燈的放電管，則可以節(jié)省一座發(fā)電廠。這等于一年節(jié)約100，0000kl的原 油，可以減少CO2氣體的排放量，這對(duì)地球環(huán)境和地球清潔化將是卓越的貢獻(xiàn)。 5.3LED的發(fā)熱 一般認(rèn)為L(zhǎng)ED不發(fā)熱，但pn結(jié)處通過(guò)的電流密度達(dá)幾十A/cm2，約40變?yōu)闊?。炮彈型LED 由于被環(huán)氧樹脂所覆蓋，故散熱很差。通過(guò)導(dǎo)線發(fā)熱，散熱很差時(shí)，發(fā)熱溫度達(dá)100。隨 著這種溫度的上升，使熒光體劣化。 圖4表示了圖3的照明設(shè)備隨著溫度的上升而色度值在色度圖上發(fā)生很大偏差，光源的色調(diào)效 果變差的情況。當(dāng)溫度超過(guò)100時(shí)則白色LED逐漸變藍(lán)，因此必須將其控制在50以內(nèi)。希 望今后開(kāi)發(fā)出新型密封式照明用白色LED光源。 5.4國(guó)外研發(fā)動(dòng)向 最近世界上一些大型照明、半導(dǎo)體制造廠家LumiLeds(Philips/Agilent),GELcore(GEL/ Emcore),Osram Opto(Osram/Infineon)均參與了LED在照明領(lǐng)域的實(shí)用化研究。以LumiLed s和Sandia研究小組為中心制定了“21世紀(jì)之燈”的計(jì)劃，并提出了到2020年用LED制成的照 明設(shè)備的發(fā)光效率達(dá)到200lm/W的目標(biāo)，10年間的經(jīng)費(fèi)需求為500億日元。德國(guó)Duisburg市用 白色LED照射橋闌側(cè)面以便為步行的人們提供方便，同時(shí)也用于室內(nèi)照明。 6結(jié)語(yǔ) InGaN類白色LED照明光源因其優(yōu)異的色調(diào)效果和光的定向性受到各國(guó)科學(xué)家的關(guān)注 。LED保持遠(yuǎn)高于白熾燈的發(fā)光強(qiáng)度，實(shí)際試制的LED照明光源具有與車燈相近的亮度。其綜 合發(fā)光效率(包括設(shè)備具有的利用效率)約為白熾燈的2倍3倍，即30lm/W左右。圖4 色度(x,y)值與溫度的變化關(guān)系 與普通的LED不同，白色LED多用于一般照明光源。然而，因?yàn)槠鋺?yīng)用需要1000lm的光 通量，所以要實(shí)現(xiàn)“21世紀(jì)之燈”的理想，必須要有半導(dǎo)體工程、發(fā)光器件工程、照明工程 方面的研究人員、技術(shù)人員的協(xié)作和新的構(gòu)思。另外，白色LED是否適應(yīng)于人的生活和環(huán)境 ，這與人的生理、心理