led光源的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用

led光源的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用

慈光是愛迪生發(fā)明藍(lán)色信號(hào)后人類歷史上的另一個(gè)重要發(fā)明。LED照明,被譽(yù)為現(xiàn)代的節(jié)能環(huán)保型“綠色照明”。LED照明產(chǎn)業(yè),不愧為21世紀(jì)的朝陽產(chǎn)業(yè)。如今,LED產(chǎn)品已用于照明行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域,如背光照明(手機(jī)、液晶電視等)、大屏幕顯示屏、汽車燈、交通信號(hào)燈、路燈、礦燈、景觀照明、影視及舞臺(tái)照明等等。本文重點(diǎn)闡述與影視、舞臺(tái)照明有關(guān)的問題及發(fā)展趨勢(shì),并作為本系列文章的一個(gè)小結(jié)。1led的光效LED是一種可將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體發(fā)光器件,屬于固態(tài)照明。事實(shí)上,從LED“電致發(fā)光”現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn),到其開始實(shí)際應(yīng)用,再到廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過程。1907年,科學(xué)家第一次從一塊碳化硅里發(fā)現(xiàn)了電致發(fā)光現(xiàn)象。由于其發(fā)出的黃光太暗,不能實(shí)際應(yīng)用,因而放棄了對(duì)這一現(xiàn)象的研究。1936年在研究硫化鋅粉末發(fā)光的報(bào)告中,出現(xiàn)了“電致發(fā)光”這一術(shù)語。世界上最早的LED是1965年用鍺材料制成的。此后不久,采用磷砷化鎵(GaAsP)材料制成的紅光LED問世。當(dāng)時(shí)其光效只有0.1lm/W。1968年,LED的光效達(dá)到了1lm/W,并出現(xiàn)了紅、橙、黃三種顏色的產(chǎn)品。20世紀(jì)80年代,紅光LED的光效達(dá)到了10lm/W。20世紀(jì)90年代中期,高亮度藍(lán)光LED問世。有了藍(lán)光,就可以用多種辦法得到白光。如此前LED系列文章所述,藍(lán)光是產(chǎn)生白光LED不可缺少的顏色。有了藍(lán)光,可以用紅、綠、藍(lán)三基色LED相加得到白光;也可以用藍(lán)光加黃光(藍(lán)光照射YAG熒光粉得到黃光)產(chǎn)生白光;與此同時(shí),研制出了發(fā)紫外線的LED,用紫外線LED激發(fā)三基色熒光粉也可以得到白光。白光LED的問世,是電光源發(fā)展史上的一大革命,它打開了通往LED功能性照明領(lǐng)域的大門。最近,超高亮度的白光LED在實(shí)驗(yàn)室的光效已經(jīng)超過200lm/W,商用產(chǎn)品已經(jīng)超過100lm/W。同時(shí),適用于影視、舞臺(tái)用的高顯色LED已經(jīng)開始在電視演播室及舞臺(tái)工程中使用。2等離子光照的分類LED光源被稱為第四代光源,這是怎么劃分的呢?人類用光的歷史可以追溯到很久以前?？脊虐l(fā)現(xiàn),50萬年之前,人類已經(jīng)知道舉起燃燒的木頭用做照明,并成為現(xiàn)在還在使用的火把;3萬7千年前,人類開始使用石制的油燈照明。后來,貝殼、陶器、金屬的油燈相繼出現(xiàn)。再后來,才出現(xiàn)了蠟燭等照明用具。但就電光源而言,從1879年愛迪生發(fā)明第一只燈泡算起,只有一百多年的歷史。如無特指,通常說的光源分類都是指電光源的分類。電光源按發(fā)光原理一般分為四代:(1)第一代光源——熱輻射發(fā)光(有人稱之為電阻發(fā)光),如白熾燈、鹵鎢燈。(2)第二代光源——利用弧光放電使氣體(含金屬蒸汽)發(fā)光,如高壓鈉燈、氙燈、金屬鹵化物燈。(3)第三代光源——熒光粉發(fā)光,例如生活中用的日光燈,電視演播室、舞臺(tái)用的三基色熒光燈等。(4)第四代光源——固態(tài)照明,利用半導(dǎo)體發(fā)光,以目前正迅速發(fā)展的LED光源為代表。第一代光源用的時(shí)間最長(zhǎng),到現(xiàn)在,它還在影視、舞臺(tái)上“唱主角”。這主要是因?yàn)樗墓庾V連續(xù)光滑、顯色性極好(最接近日光的顯色性)、點(diǎn)燃及調(diào)光特性好、價(jià)格低廉等。但它的缺點(diǎn)也非常明顯,易碎、壽命短、光效低、不節(jié)能,這在能源短缺的現(xiàn)代社會(huì)是一個(gè)致命的弱點(diǎn)。第二代光源氣體放電燈,比白熾燈的光效高幾倍,壽命也較長(zhǎng),金屬鹵化物燈的顯色性也較好。但它的致命弱點(diǎn)是燈內(nèi)含有汞(水銀),在生產(chǎn)過程中及廢棄燈泡中的汞都會(huì)污染環(huán)境、對(duì)人體造成傷害,不環(huán)保。順便說一下,近年出現(xiàn)的所謂“等離子光源”,其實(shí)就是沒有電極的金鹵燈,它是用微波聚焦使氣體放電(金鹵燈是有電極的等離子光源,只不過沒有人強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)而已)。其優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)、顯色性好,是理想的點(diǎn)光源。其顯色性可以做得很高,但光效較低(50lm/W左右),可以用于要求高顯色性而又是點(diǎn)光源的場(chǎng)所。第三代光源熒光燈已被廣泛用于日常生活中,但燈管中也含有汞,存在污染環(huán)境的問題。之所以說,第四代光源——LED是光源的一場(chǎng)革命,是因?yàn)樗哂性S多突出的優(yōu)點(diǎn)和非常廣闊的發(fā)展前景。3led光柵的特性大功率LED一般是指1W以上的LED光源。與前三代光源比較,具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)環(huán)保、無污染——在現(xiàn)代社會(huì),這是最重要的一條。LED為固態(tài)照明,不含汞等重金屬,不污染環(huán)境,對(duì)人體沒有不良影響。(2)高光效——在能源短缺的現(xiàn)在,這一點(diǎn)也至關(guān)重要。鹵鎢燈色溫為3200K時(shí),光效在24lm/W左右;高顯色的氣體放電燈及三基色熒光燈的光效不超過100lm/W;高顯色的LED光源,目前品牌產(chǎn)品白光LED的光效已超過100lm/W。400nm～700nm的等能量白光,理論光效值為241lm/W。在不久的將來,滿足影視、舞臺(tái)需要(主要指顯色指數(shù)及色溫)的LED光源光效完全可能超過200lm/W。(3)壽命長(zhǎng)——影視、舞臺(tái)常用的鹵鎢燈壽命只有200h～300h;電腦燈中的金屬鹵化物燈一般為幾百小時(shí);三基色熒光燈的壽命可達(dá)8000～10000h;而品牌的大功率LED光源在燈具中的壽命,目前已超過10000h。隨著燈具及驅(qū)動(dòng)電源散熱條件的改進(jìn),不久的將來,其壽命有可能達(dá)到30000h～50000h。(4)發(fā)光響應(yīng)時(shí)間快——前三代光源中,白熾燈的點(diǎn)亮?xí)r間最短,大約為100ms(毫秒,1ms=10-3s)。而LED的點(diǎn)亮?xí)r間僅為納秒(1ns=10-9s)級(jí),因此,高頻特性好。(5)適宜在低溫條件下工作——在景觀照明中,特別是像冰燈這樣的景觀,由于溫度很低,熒光燈往往難以啟動(dòng),而LED光源在低溫下壽命會(huì)更長(zhǎng)。(6)在影視、舞臺(tái)照明中需要多姿多彩的顏色時(shí),LED光源具有突出的優(yōu)點(diǎn):在一臺(tái)燈具中可放置多種顏色的LED,用加色法得到各種各樣的顏色,光通利用率高,顏色飽和度也高。4led光催化氧化技術(shù)的應(yīng)用(1)光效提高的空間還很大。前文已述,盡管現(xiàn)在的LED光效已超過前三代光源,但距理論最高值還相差很遠(yuǎn),也就是說它還有很大的發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)在,LED的內(nèi)量子效率(內(nèi)量子效率及外量子效率的定義見本刊2012年第1期《LED的封裝——LED知識(shí)(九)》)可以做得很高,一般都可以到90%以上(優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的內(nèi)量子效率可達(dá)99%),但外量子效率普遍很低。如果能大幅度提高外量子效率,就可以大大提高LED產(chǎn)品的發(fā)光效率。這是LED的重點(diǎn)研究課題之一。另外,在談及LED光源光效的時(shí)候,要區(qū)分幾個(gè)概念。首先,實(shí)驗(yàn)室內(nèi)LED光源達(dá)到的光效,不表示目前現(xiàn)有產(chǎn)品的光效,它還要解決生產(chǎn)工藝等一系列問題才能變成批量產(chǎn)品。因此,它代表的是未來產(chǎn)品的光效。其次,低顯色指數(shù)產(chǎn)品的光效,不代表高顯色指數(shù)產(chǎn)品的光效。有些廠家在宣傳其產(chǎn)品的時(shí)候,說產(chǎn)品的光效達(dá)到多少流明瓦(lm/W),是顯色指數(shù)比較低的LED光源的數(shù)值,高顯色指數(shù)的LED光源達(dá)不到所宣傳的數(shù)值。還有,目前的LED光源,高色溫光源比低色溫光源的光效高,5600K的LED比3200K的LED光效高。了解LED的這些特點(diǎn),便于正確選購(gòu)所需要的產(chǎn)品。(2)提高顯色指數(shù)是LED光源的重要課題之一。一般情況下,顯色指數(shù)高,光效往往低一些;光效高,顯色指數(shù)就差一些。有些應(yīng)用領(lǐng)域,例如影視、舞臺(tái)照明,對(duì)光源的顯色指數(shù)要求就很高。白熾燈光源是熱輻射發(fā)光,其光譜分布及顯色性很接近日光。氣體放電燈出現(xiàn)后,由于它的光譜分布呈梳狀(就像平常梳理頭發(fā)用的梳子),部分氣體放電光源的光譜連續(xù)但不光滑;部分氣體放電光源的光譜不但呈梳狀,而且不連續(xù)。在這種情況下,出現(xiàn)了顯色性的概念,并給出了顯色指數(shù)的計(jì)算公式?，F(xiàn)在的LED光源不同于以上兩種光源,它的光譜分布,從前述文章中的光譜分布曲線圖可以看出,有高峰和低谷。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),有些光源的顯色指數(shù)的“數(shù)值”較低,但看上去光色卻不錯(cuò);有的光源顯色指數(shù)的“數(shù)值”很高,但看上去顯色性卻不好。因此,如何把顯色指數(shù)的數(shù)值與感覺的效果統(tǒng)一起來,也是當(dāng)前研究的課題之一。(3)單顆LED光源功率還需要提高?，F(xiàn)在,單顆LED光源的功率一般為3W或5W。單顆10W的LED雖已出現(xiàn),但不普遍。更大功率的LED都是模組(一個(gè)基板上組裝多顆LED)的形式,例如100W及130W的LED都是模組發(fā)光器件。這主要是因?yàn)長(zhǎng)ED光源按發(fā)光體的體積計(jì)算,發(fā)熱量高,解決散熱的難度較大。(4)價(jià)格需要大幅度降低。LED光源產(chǎn)品的價(jià)格是影響其大規(guī)模使用的重要因素之一。隨著技術(shù)的日益成熟,生產(chǎn)批量的不斷增大,LED光源的成本和價(jià)格會(huì)大幅度降低。可以說,白光LED普及的前提是價(jià)格大幅度下降,而價(jià)格大幅度下降又必須在白光LED形成一定的市場(chǎng)規(guī)模后才有可能。毫無疑問,兩者的融合最終有賴于高新技術(shù)的“日新月異”?？傊?大功率白光LED光源現(xiàn)已成為具有非常廣闊的發(fā)展前景和極大影響力的高新技術(shù)產(chǎn)品。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及低碳社會(huì)進(jìn)程的加快,人們對(duì)新光源的需求與日俱增,LED光源必將為現(xiàn)代社會(huì)的節(jié)能、環(huán)保