LED在照明领域的应用研究

柴万东

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

LED在照明领域的应用研究

柴万东

（赤峰学院 物理与电子信息工程系，内蒙古 赤峰 024000）

自1969年第一盏红色LED灯发明到现在，短短的几十年时间里，LED产业伴随着半导体技术的发展而飞速发展，应用领域不断扩大，LED的需求量也越来越大.由于LED本身具有的鲜明特点也使得它在各种领域中扮演着重要的角色，特别是白光LED的发明使LED用于室内照明成为可能，被称为是继白炽灯照明发展历史120年以来的第二次革命.

LED；白光LED；光源；照明

自1879年爱迪生发明电灯开始，人类的生产生活揭开了新的一页，人们从黑暗中解放出来.历经一百多年的变迁，人类的照明光源也随着科技的进步在不断地发生着变化，从第一代的白炽灯到第二代荧光灯再到第三代高强度气体放电灯，这些变化无不是向着更节能，更高效，更环保，更安全等方面发展.与其它领域的发展变化一样，照明光源的每一次发展变化都让人们更深切地体会到科技的神奇与魅力，以及科技带给人类的轻松与便捷.在半导体技术飞速发展的今天，一种新的光源——LED以其它光源无可比拟的优势必将成为继白炽灯、荧光灯及高强度气体放电灯后的第四代照明新光源.

LED是light emitting diode的英文缩写，中文名：发光二极管，是一种固态的半导体器件.是由元素谱中的Ⅲ-Ⅳ族化合物，如 GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的.其核心是PN结，因此它具有一般P-N结所具有的伏安特性，即正向导通，反向截止、反向击穿特性.而我们用LED来做光源则是利用了它的另外一个重要特点，那就是在一定条件下，LED还具有发光的特性.

当PN结在外加正向电压时，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合，复合后多余的能量则以光能的形式释放出来，使LED具有发光的性质.假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光.除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，这种复合每次释放的能量不大，不能形成可见光.发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，发光效率越高，要想使LED进入照明领域并广泛应用，必须使发光效率达到一定的值（200lm/w）.

LED具有如下特征：1.体积小：LED基本上是一块很小的芯片被封装在环氧树脂里面，每个单元小片是3—5mm的正方形，所以可以制成各种形状的器件，并且适合于易变的环境.2.耗电量低：LED耗电非常低，一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A，这就是说它消耗的电不超过0.1W，较同光效的白炽灯减少80%.世界各国也正是看中了它的这个特点，大力发展半导体照明，用以替代传统的照明光源达到节能的目的.3.使用寿命长：在恰当的电流和电压下，LED的使用寿命可达10万小时，是传统光源的5倍.4.稳定性高：LED工作10万小时，光衰为初始的50%.5.高亮度、低热量，这也使得LED的光效非常高.6.环保：LED是由无毒的材料制成，制作过程不会对环境造成污染，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用.7.响应时间短：白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级，可以用于高频电路.8.坚固耐用：LED是被完全的封装在环氧树脂里面，它比灯泡和荧光灯管都坚固.灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED可以说是不易损坏的.9.更安全：LED灯不需要加反射器，工作电压低，没有紫外辐射，更适于在公共环境中使用.

LED光源的发光颜色多变，其发光颜色和发光效率与制作LED的材料和工艺有关，另外与LED所流过的电流的大小也有关系.目前广泛使用的LED有红、绿、蓝三种，而用来替代传统光源进入照明领域的LED则是发白光的白光LED，它相对于其它颜色的LED在制造上要特殊一些，在光效的要求上也更高些.

传统的LED的应用已经有很多年历史了，主要应用于显示屏，建筑景观照明，交通信号灯，小尺寸LCD背光源，汽车信号灯；近几年来则被用作中大尺寸LCD背光源，道路照明灯，室内普通白光照明.随着半导体技术的发展，LED在一些新兴的前沿领域也有了市场，如太阳能LED照明，农业生产用人工光源，医疗用光源等.在这些应用领域中，白光LED进入照明领域与我们的生活密切相关.

随着LED芯片制造与封装技术的进步以及效率的提升，结合LED自身所具有的其它传统光源无可比拟的优势，白光LED取代传统光源可为可能，可以说白光LED的开发是继白炽灯照明发展史120年以来的第二次革命.各国政府也纷纷投入巨资来研发，并取得了一度程度的成功.

白光LED相比于其它颜色的LED在制造工艺上有所不同，我们知道可见光光谱的波长范围为380nm-760nm，这个范围也正是人眼可感受到的七色光——红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的波长范围，这七种颜色的光都各自是一种单色光.在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光复合而成的复合光，正如太阳光是由七种单色光合成的白色光.彩色电视机中的白色光则是由三基色红、绿、蓝合成.由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见的光谱范围.但要制造这种性能的LED，在目前的工艺条件下是不可能的.根据人们对可见光的研究，人眼睛所能看见的白光，至少需两种光的混合，即二种波长发光（蓝色光＋黄色光）或三种波长发光（蓝色光＋绿色光＋红色光）的模式.

鉴于这种原因，目前实现白光LED的方法有三种，第一种方法：用发蓝光的LEDGaM芯片和可被蓝光有效激发的发黄色光的荧光粉YAG（钇铝石榴石）封装在一起，GaM芯片发蓝光，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光，蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，LED基片发出的蓝光一部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，这样可以得到白光.第二种方法：将红、绿、蓝三基色LED封装在一起组成一个像素，也可得到白光.第三种方法：像三基色节能灯那样，发紫外光的LED芯片和可被紫外光有效激发而发射红、绿、蓝三基色的荧光体有机结合组成白光LED.在以上三种方法中第一种方法是目前制作白光LED的主导方案，并且通过改变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.这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多.在国内外已经形成产业化.

目前在照明领域广泛使用的光源是白炽灯、荧光灯、高压钠灯等.白炽灯具有安装简便的优点，但是它的光效低，耗电高，寿命短，易碎；荧光灯相对省电，但废气中有汞气污染，此外也有电磁污染，容易老化，怕振动，易碎；高压钠灯则成本高，安装及维护困难.光效低，耗电高，寿命短.白光LED比现行的光源寿命提高5倍以上，且生产过程无污染，更环保；白光LED体积小，发热低（没有热幅射），光效高，耗电量小，低电压低电流起动，更安全，反应速度快，可以用于高频电路，可平面封装，易开发成轻薄短小产品，不易碎，适用范围更广，基本不需要维护.除此以外还可以利用LED响应时间短的特点，通过相应的电路对LED进行控制，控制发光的亮度及开起的时间，从而达到更加节能的目的.可以说白光LED是绝对符合环保节能理念的绿色光源.

我国是仅次于美国的第二大发电大国，其中80%为火力发电，需要燃烧大量的原煤和石油，生产过程中产生大量的粉尘和SO2、CO2等气体，环境污染严重，在所发电量中照明用电占10—12%（发达国家占20%），我国是能源相对紧缺的国家，所以在我国发展白光LED对于走可持续发展的道路有重要的战略意义.

世界各国都将白光LED照明列为本国的重要课题.美国从2000年起投资5亿美元实施国家半导体照明计划，美国能源部预测，到2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯具替代，每年节电可达350亿美元.日本计划到2007年全国将有30%的白炽灯被置换为半导体照明灯.我国科技部在863计划的支持下，2003年6月首次提出发展半导体照明计划，经过短时间的科技攻关，已自主开发出在蓝色芯片上涂敷荧光粉以产生白光，形成了实现白光LED照明的成熟技术，并向国际市场推出了传统封装型和多芯片集成型的系列白光LED光源及普通照明灯产品.目前我国也有两千余家大小企业进入LED及白光LED生产领域.

在LED产业一片繁荣的背后，我们也清醒的看到，白光LED的普及及完全替代传统光源而进入照明领域还存在一些制约.首先，LED为半导体组件，价格与亮度会呈现同比例增加，而成熟的传统照明灯具则不会有此情况，这就使得白光LED灯具相比同效果的其它灯具的价格高出很多；其次，生产白光LED都需要发蓝光的蓝光芯片，而“蓝光技术”的掌握只有日本的日亚光学公司，日本的丰田合成公司，美国的CREE公司及德国的欧司朗公司等少数几家公司.所以它的普及涉及到知识产权等众多问题，这也是白光LED价格偏高的原因之一；第三就是目前的白光LED成本较高；第四是白光LED所用的电源的可靠性和控制电路需要完善，电源管理方案不但影响到节能，而且也大大影响LED的实际使用寿命.

我国的白光LED产业则突出表现为LED企业核心芯片技术缺失，LED行业尚无统一标准，封装技术落后，虽然有众多企业进入此领域，但是缺少自主知识产权，产品同质化、技术雷同化，大多数中小企业无核心竞争能力.成为我国白光LED产业的制约瓶颈，但是我国在稀土荧光粉方面有优势.

值得欣慰的是，国家开始下大力量发展此项产业，2009年初，中国科技部推出“十城万盏”半导体照明应用示范城市方案，该计划涵盖北京、上海、深圳、武汉等21个国内发达城市.由此可以看到我国在白光LED生产发展方面所下的决心.

近两年来白光LED的光效由1998年的5lm/w发展到了2008年的161lm/w，价格也由原来是传统灯具的10-20倍下降为2—5倍.我们有理由相信，在国家的重视下，在科技人员及众多企业的参与下，白光LED这一照明产品必将在不远的将来取代白炽灯、荧光灯而进入普通照明领域，成为真正的第四代环保节能光源.

TN383

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1673-260X（2010）01-0020-02