固态光源照明技术现状与发展趋势

张 涛 赵继永 姚庆文

(1.常州轻工职业技术学院 2.江苏省半导体照明技术应用工程技术研发中心 江苏常州 213164)

半导体照明具备显著的节能效果与提升GDP的潜力，LED产业已经引起各国家的高度重视，均作为本国的战略性新兴产业加以扶持，并作为节能减排的重要措施之一，加紧半导体照明产业的全球部署。美国2000-2010年投资5亿美元实施“国家半导体照明研究计划”;欧盟2009年投入4 000万欧元建设半导体照明共性技术研发平台，并在欧洲第七框架计划中将半导体照明技术列入优先发展主题;日本实施“21世纪光计划”(1998年)，我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》将半导体照明产品明确列为“重点领域及其优先主题”，提出了“重点研究高效节能、长寿命的半导体照明产品”的研发规划，我国是世界照明电器第一大生产国、第二大出口国，未来我国LED将面临巨大的发展机遇。

1 LED的技术现状及发展中需要解决的主要技术问题与发展趋势

1.1 LED照明的技术现状

发光二极管(light-emitting diode LED)作为新的发光器件自1962年成功地开发出红色发光LED以来，先后研制成功橙色、绿色、蓝色的发光二极管。在90年代取得了突出的进展，在结晶生长技术方面采用了气相生长法替代了过去繁杂的液相法，制成多层薄膜的简易结构，1998年又成功开发了发白光的LED，白色发光二极管的开发成功预示着人类照明光源一次新的变革，自1998年开发成功白光LED以来，短短4年时间发光效率有了明显提高。开发当初仅为5 lm/W，至2010年达到208lm/W，基本上所有的传统照明领域的“灯”有了可替代并节能率达标的产品。目前获得白色LED的技术途径主要有3个:①在蓝色超亮度InGaN芯片上涂复微量荧光粉物质，然后包封成形，通电发光时部分蓝色光激发涂复物转换成黄光，与透过涂复物的蓝光复合成白色光;②利用LED的红、绿、蓝三基色复合成白色光;③用ZnSe为基体制成单芯型白色芯片，与衬底发光中心发出的黄色光复合成白色光。

1.2 LED发展中需要解决的主要技术问题［1］

1)低成本无功耗的散热技术设计上有待进一步突破和提升。由于LED的发光效率随着LED温度的升高而下降，所以有效利用低成本无功耗的散热技术对芯片进行散热是大功率LED灯产业化需要重点解决的问题之一。大功率LED灯具亮度要求越高、发热量越大，并且使用环境本身比较苛刻，如果散热不良会直接导致LED快速老化，稳定性降低。

2)高效可靠的驱动电源设计。LED恒流驱动设计方案目前最基本的是利用线性或开关型DC/DC稳压器结合反馈电路来恒流驱动LED。大功率LED灯虽然是恒流驱动，冷态上电瞬间过高的起始峰值电压，很有可能将LED击穿或断开，所以驱动电路除了做到恒流外，电路故障率高，目前发现的有瞬间击穿现象，单颗短路击穿以及单颗开路击穿，则会造成整串灯死灯现象。

3)LED灯具二次光学设计难度大。LED照明属于点光源，因此其光学设计，包括初级透镜或反光装置的设计和二次光学的设计等是一大应用难点。

4)价格高、标准缺失阻碍产业发展。作为一个新兴产业，成长之路不是一帆风顺，最大的烦恼是成本居高不下。同时LED行业因为相关行业国家标准不全，出台的相关行业国家标准贯彻不力。LED行业成出口“碰壁”高发产业。目前我国LED产业70%的市场在海外，要想在激烈的竞争中谋求发展，企业必须高举技术创新大旗，严格执行相关国际标准，形成产业联盟，“组团”共同应对专利风险和其他技术性贸易壁垒。

1.3 LED的发展趋势

LED在向高光效、大功率功能性照明的方向发展的过程中，遇到的一个主要问题是提高LED光源的质量，减少光源的眩光效应，提高其显色指数和光的色温，同时还必须有效提高其使用过程中的可靠性和稳定性，在低成本和长寿命之间进行合理的折中，即不一味追求其长寿命。目前LED作为功能型照明的产品还不够成熟，技术上还存在一些亟待解决的问题，用户对LED产品还不够了解。由于产品生产批量小、制造成本高、广告费用大，造成产品售价较高、销售量有限，造成企业的盈利空间被压缩。LED是国家推广的高效照明产品之一。LED的应用应扬长避短，近期LED在非功能型照明领域里还会继续发展，但OLED、QLED的快速发展是对LED的最大挑战。

2 OLED技术原理与产业发展态势分析

2.1 OLED的技术原理

OLED(Organic Lighting Emitting Display，有机发光显示)是指有机半导体材料在电场作用下发光的技术，为全固态结构，主动发光，无需背光源。OLED的基本结构是由一薄而透明具半导体特性之铟锡氧化物(ITO)，与电力之正极相连，再加上另一个金属阴极，包成如三明治的结构。整个结构层中包括:空穴传输层(HTL)、发光层(EL)与电子传输层(ETL)。有机发光二极体的发光原理和无机发光二极体相似。在一定电场驱动下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入电子发射层和空穴导电层，并在发光层中相遇，形成的激子最终导致可见光的发射。

2.2 OLED 的技术优势［2］

OLED技术被业内人士称为“梦幻般的发光显示技术”，是最有发展前景的新型显示技术之一，也是国际上高技术领域的一个竞争热点。与TFTLCD、LED相比，它具有许多优点，如高亮度、高对比度、超轻薄、响应时间短、无视角限制、低功耗、抗震性能好、工作温度范围宽、能实现柔软显示。根据驱动方式不同，OLED可分为两种:一种是无源驱动型OLED(PMOLED)，一种是有源驱动型 OLED(AMOLED)。由于具有可大面积成膜、功耗低等特性，OLED还是一种理想的平面光源，在节能环保型照明领域具有广泛的应用前景。

OLED技术的特点是:

①高光效，目前已达60 1m/w，预计可达200 1m/w以上;

② 环保、不含汞、无汞污染;

③工作时产生的热量低;

④耗电量少;

⑤反应速度快;

⑥抗震动、耐冲击性能好;

⑦视角广;

⑧ 重量轻，厚度薄，为平面型，可以卷起来;

⑨制造工艺比较简单，易于大规模生产;

⑩应用比较简单方便，成本低。

OLED的特点是OLED进入平板显示市场的基础。随着OLED的技术优势被不断发现和深入挖掘，OLED技术不断向前发展。OLED的技术优势主要来自主动发光以及固态显示两个方面［3］。其中，主动发光不仅使OLED能耗降低、显示效果更完美，而且使显示装置厚度变薄、重量减轻;固态显示不仅使得OLED低温特性变好，而且提高了抗震性，从而可胜任更为恶劣的工作环境。

2.3 OLED技术目前存在的主要问题

目前的OLED技术还存在不少需要改进的地方，主要表现在以下三个方面:

①OLED产品的寿命相对较短;

②OLED的色彩纯度不够;

③目前大尺寸的OLED实现量产比较困难。

解决上述OLED的技术问题是OLED占领平板显示市场甚至取代其他显示技术的关键，已成为平板厂商技术研发的重点。

2.4 OLED的发展趋势

OLED技术正处于一个发展与调整的关键时期，目前面临的状况类似于20世纪90年代上半期的TFT-LCD。TFT-LCD技术在20世纪70年代末开始研制，但是由于TFT基板制造及生产技术没能完全突破，产品迟迟进入不了市场。日本参与TFT的企业处于全面亏损状态，当时只有夏普等极少数公司坚持TFT-LCD的研发，并最终取得了成功，20世纪90年代末，日本的TFT-LCD企业开始大幅度获利，进而推动了全球TFT-LCD产业的大发展。韩国、中国台湾地区20世纪90年代中期才开始进入TFT-LCD产业，但他们摒弃了日本厂商的保守观念，在引进日本技术的基础上抓住机遇，大胆创新、大胆投入。OLED目前正处于产业化技术完全突破的前期，在LCD的打压下，市场进入速度减缓，大部分企业处于亏损状态，许多企业退出竞争。但是以Samsung、SONY为首的一批有远见的企业却正在抓住机遇，加大研发和投入的力度，使OLED市场出现了明显的转机［4］。如果能抓住这个历史的机遇、快速发展，就能在不久的将来成为OLED强国。

3 量子点发光二极管QLED技术综述与发展

发光二极管(LED)因耗能低、光效较高、寿命长等优点正逐步取代传统的照明材料，成为新一代的照明光源。目前，荧光粉发光材料已经被广泛地应用到白光LED照明和显示技术中，但是荧光粉的光衰大、颗粒均匀度差、使用寿命短，仍然不是最好的LED发光材料。OLED也是目前的研究热点，但其在高温环境下高分子涂层易老化，使用寿命也受到一定影响。量子点发光二极管(Quantum dot Light-Emitting Diode QLED or QDLED)技术的量子点比荧光粉的发光效率更高、使用寿命更长、颜色的纯度更好，成为目前新型LED发光材料的研究热点。

3.1 量子点的发光原理及其概念

量子点材料是通过镀膜法将纳米量子点均匀地涂覆在电子传导层和空穴传导层之间，通过改变量子点的种类和尺寸来控制材料发射光谱的范围，展示了量子点技术在LED领域的发展空间。量子点材料是一种尺寸为1～20 nm的半导体团簇，又称为半导体纳米晶体。量子点有一个与众不同的特性:每当受到光或电的刺激，量子点便会发出有色光线，光线的颜色由量子点的组成材料和大小形状决定，这一特性使得量子点能够改变光源发出的光线颜色。让LED光线变得柔和、高效。

目前研究的量子点材料大部分由Ⅱ－Ⅵ族或Ⅲ－Ⅴ族元素组成。量子点的结构特性和荧光机理使其荧光性能较好，量子点的应用主要是基于其特殊的光学性质［5］。

1)量子点纳米颗粒具有良好的线性光学性质，由于量子尺寸效应导致其能隙增大，量子点材料的吸收光谱易发生蓝移。

2)量子点荧光材料具有较高的发光效率，非常稳定，可以经受反复多次的激发。

3)根据量子点荧光材料的发光性质，可以通过改变量子点的尺寸来调控其发光性能。不同元素组成的量子点材料的发光范围不同。通过改变量子点荧光材料的尺寸和化学组成可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光区。量子点发光材料量子点的种类很多，如 ZnSe、CdS、CdSe等，量子点的合成方法主要有水热法、热胶体法以及热注入法等。量子点材料按照其荧光吸收范围可划分为红光量子点、蓝光量子点、绿光量子点。同时，已经有研究表明，三原色量子点材料经过复合可用于制备白光LED。

4)QLED具有与聚合物发光二极管(PLED)类似的器件结构和可溶液加工的特点，其发光层由半导体量子点胶体溶液旋涂制成，因而具有与 PLED同样的制备过程简单、成本低、可制成柔性器件等优点。同时，QLED与PLED相比，还具有发光色纯度高、发光颜色可通过控制量子点尺寸大小进行调节等突出优点。除此之外，QLED还是半导体纳晶的一个重要应用领域。

3.2 量子点发光二极管QLED研发现状

随着科技的发展，纳米技术已在IT等行业取得了一定发展，但与其广阔的应用空间相比，纳米科技依旧处于婴儿时期，从实验室突破到市场的纳米技术屈指可数。但在科技创新屡见不鲜的今天，应用于照明的量子点技术并不那么遥远。2005年创建QD Vision，短短5年时间取得45项技术专利，并得到美国能源部和国防部的大力资助。QD Vision和美国照明设备公司Nexxus Lighting合作生产的首批商用量子点LED灯，如图1，11 w的功率即可达到70 w白炽灯的光照效果(荧光灯大致需要15 w)，但其寿命却是后者的50倍以上［5］。

图1 世界上第一个采用量子点照明解决方案设计的LED照明灯具

QD Vision公司将与韩国LG显示器公司、比利时化学品公司Solvay合作，研发和制造这种新的QLED有源矩阵显示屏。QD Vision公司将提供量子点技术，而LG则负责产品生产。QD Vision并非唯一一家研发量子点显示屏技术的公司，位于美国硅谷的Nanosys公司也在研发相关新产品，其产品中的一个液晶显示屏背光灯上有很多量子点，以提高能效和色质。

3.3 量子点发光二极管QLED产业化面临的问题

QLED产业化目前面临着两方面的问题，其一是寿命短，目前最好的QLED寿命仅为1万多小时，这对大尺寸显示屏来说还不够。其二是需要确保色彩始终如一地再现有一定困难。

4 结束语

人类的生存、社会的发展要求人们节约资源、节省能源、减少环境污染、造福于子孙后代，因此研发与制造高光效、长寿命、少污染、光色好、低费用的光源，是电光源发展的方向与趋势。

根据以上对光源态势的分析，近期将是气体放电光源(T5、T8灯，节能灯)与固体光源(LED、OLED、QLED)优势互补、共同发展的趋势。2020年之后固体光源与陶瓷金卤灯将成为某些照明领域的主要光源，是电光源近期的发展趋势。同人类一样，电光源产品也有自己的生存期限，不过长短不一，因此，不可能期望某种产品在市场上永远畅销。社会在发展，科技在进步，加速了产品的更新换代、优胜劣汰。每一种产品皆是随着时间的推移发生变化，经历了投入期、成长期、成熟期、衰退期四个阶段的生命周期。这是事物发展的规律。因此，可以根据上述的情况来拟定区域及行业的电光源发展策略。

［1］ 李广安.电光源发展的趋势与我国的策略［J］.照明，2010(1):11-15.

［2］ 张德强.OLED技术与产业发展的机会与挑战［J］.化工新型材料，2010(8):1-3.

［3］ 泽隆二，田亚葵.固体光源在实际应用中的局限［J］.照明工程学报，2011(22):69-72.

［4］ 陈金鑫，黄孝文.OLED有机电致发光材料与器件［M］.北京:清华大学出版社，2007:1，7，242，255.

［5］ 赵寅生，向卫东，钟家松等.纳米量子点材料在LED中的研究进展［J］.材料导报 A，2011，25(3):28-30.