- LED與傳統(tǒng)光源的對(duì)比的優(yōu)勢(shì)
- LED的應(yīng)用技術(shù)難題
- LED芯片制程問(wèn)題
- LED封裝與散熱
能源危機(jī)、溫室效應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化時(shí)刻提醒著人們,地球已經(jīng)疲憊不堪,改變?nèi)藗兊哪茉传@取方式以及提高能源利用率已經(jīng)成為當(dāng)前世人的共識(shí)。
由于在世界電力的使用結(jié)構(gòu)中,照明用電約占總用電量的19%;英國(guó)布賴恩•愛(ài)德華茲在其編寫(xiě)的《可持續(xù)性建筑》中指出,在英國(guó)消耗的全部能源當(dāng)中,大約有一半與建筑有關(guān),而建筑的人工照明耗能則占其建筑耗能總量的15%~50%;在我國(guó)照明用電約占全國(guó)總用電量的12%,而且我國(guó)每年的照明用電增速(保守估計(jì))大約為5%。從上面的數(shù)據(jù)我們可以看出,雖然因各國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平不同,照明用電所占比重也有所差別,但是照明耗能已經(jīng)成為了各國(guó)能源消費(fèi)的重要組成部分。照明節(jié)能問(wèn)題也就成了各國(guó)政府及專(zhuān)業(yè)人員必須面對(duì)的棘手問(wèn)題。
新型高效光源,特別是白色光源(適用于一般照明)的發(fā)展對(duì)于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用,因?yàn)樗梢越档碗娔芟脑鲩L(zhǎng)速度,進(jìn)而減少新增電網(wǎng)容量的費(fèi)用,降低能源消耗以及減少向大氣中排放的溫室氣體及其他污染物。LED,特別是白色光LED,因其與傳統(tǒng)光源相比所具有的理論以及現(xiàn)實(shí)的優(yōu)越性,受到廣大專(zhuān)業(yè)人士的青睞。它的出現(xiàn)也為照明界開(kāi)拓出了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域,并為照明節(jié)能設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。
LED的優(yōu)勢(shì)
正如上文所述,作為一種冷光源,LED具有很多傳統(tǒng)光源所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。
(1)不需要充氣,不需要玻璃外殼,抗沖擊性好,抗震性好,不易破碎,便于運(yùn)輸。
(2)燈源單元較小,使得布燈更為靈活,而且能夠更好地實(shí)現(xiàn)夜景照明中“只見(jiàn)燈光不見(jiàn)光源”的效果。
(3)能夠較好地控制發(fā)光光譜組成,從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點(diǎn)照明。
(4)理論上具有與傳統(tǒng)光源相比更高的發(fā)光效率,理論上LED的發(fā)光效率大于200lm/W,從而具有相當(dāng)巨大的節(jié)能潛力。
(5)壽命更長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)室壽命可達(dá)100,000h,且光源可以頻繁地亮滅,而不會(huì)影響其壽命,并且啟動(dòng)速度非常快。
(6)可以通過(guò)控制半導(dǎo)體發(fā)光層半導(dǎo)體材料的禁止帶幅的大小,從而發(fā)出各種顏色的光線,且彩度更高。
(7)光源中不添加汞,有利于保護(hù)環(huán)境。
(8)LED發(fā)光具有很強(qiáng)的方向性,從而可以更好地控制光線,提高系統(tǒng)的照明效率。比如,Chipschipalkatti在美國(guó)光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(OIDA)舉辦的半導(dǎo)體照明研討會(huì)上發(fā)表的《LEDSystemsforLighting:WheretheRubberHitstheRoad》指出:盡管15W熒光燈的發(fā)光效能大約為60lm/W,但是經(jīng)過(guò)燈具的折減就變?yōu)榱?5lm/W,如果再考慮照射到目標(biāo)區(qū)域以外的光線,則只有30lm/W。而半導(dǎo)體光源在這些環(huán)節(jié)上的折減則會(huì)少很多。
(9)使用低壓直流電,具有負(fù)載小、干擾弱的優(yōu)點(diǎn)。
與傳統(tǒng)光源相比,LED特別是白光LED在一般照明領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能潛力,使它日益受到政府部門(mén)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)人員的關(guān)注,也成為了當(dāng)前半導(dǎo)體研究領(lǐng)域以及照明產(chǎn)業(yè)中的熱點(diǎn)。
繼美國(guó)發(fā)起了Solid-StateLighting(SSL)R&DPor-tfolio以支持本國(guó)的LED研究、開(kāi)發(fā)項(xiàng)目后,歐洲、韓國(guó)、日本也都紛紛制定了政府資助的研究計(jì)劃以支持半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。正是在各國(guó)政府的支持以及巨大的市場(chǎng)潛力引導(dǎo)下,各大照明企業(yè)也紛紛投入巨大的財(cái)力和研究力量,以期在這個(gè)新興市場(chǎng)上獲得先機(jī)。
也正是由于這種競(jìng)爭(zhēng),才促使半導(dǎo)體照明業(yè)取得了迅猛發(fā)展和突破:Cree公司開(kāi)發(fā)出發(fā)光效能為74lm/W的白色LED,LaminaCeramics公司也封裝出額定光通為120lm的當(dāng)前最緊湊的RGB型LED光源等一系列技術(shù)上的突破向我們預(yù)示著一個(gè)新的照明時(shí)代的到來(lái)。[page]
但是作為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域,半導(dǎo)體照明行業(yè)還處于一個(gè)快速發(fā)展階段,科技進(jìn)步令我們感到欣喜,但是我們還要意識(shí)到無(wú)論是技術(shù)環(huán)節(jié)還是行業(yè)的規(guī)章制度,與傳統(tǒng)的光源相比,都還不成熟不健全。要真正實(shí)現(xiàn)用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源還有一段很長(zhǎng)的路要走,還有很多技術(shù)難題需要解決。
LED技術(shù)難題
理論上LED的發(fā)光效能可以高達(dá)200lm/W以上,而現(xiàn)有的白光LED則只有70lm/W左右,與節(jié)能型熒光燈相比還有一定差距;而且其價(jià)格與傳統(tǒng)光源相比也有很大的劣勢(shì)。
因此如何盡快把LED的優(yōu)勢(shì)真正發(fā)揮出來(lái)也就成為現(xiàn)在相關(guān)從業(yè)人員所必須要面對(duì)的技術(shù)難題。而要真正開(kāi)拓出一個(gè)全新的半導(dǎo)體照明時(shí)代,我們還要從以下幾個(gè)方面努力攻克技術(shù)難題以及進(jìn)一步規(guī)范半導(dǎo)體照明市場(chǎng)。
1、LED芯片
芯片是LED的核心,它的內(nèi)部量子效率的高低直接影響到LED的發(fā)光效能,非輻射復(fù)合率則決定著芯片產(chǎn)熱的大小??梢哉f(shuō)只有制造出具有良好質(zhì)量的LED芯片,才可能有性能優(yōu)越的LED光源。
為了能夠盡量提高內(nèi)部量子效率以及減少無(wú)輻射復(fù)合率,主要從兩個(gè)方面來(lái)改善芯片質(zhì)量,也就是選擇合理的芯片結(jié)構(gòu)和控制芯片的缺陷密度。
LED芯片的結(jié)構(gòu)有單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及量子阱結(jié)構(gòu)等,它對(duì)發(fā)光效率具有很大的影響。目前使用最為廣泛且最有效率的芯片結(jié)構(gòu)為多量子阱結(jié)構(gòu)(Multi-QuantumWellStructure)。
對(duì)于LED而言,外延片與襯底的晶格常數(shù)以及熱漲系數(shù)是否匹配、外延片制備工藝等都會(huì)直接影響晶格的缺陷密度。這些缺陷可能在某些條件下,特別是對(duì)于Ⅲ-氮的發(fā)光可能有利,但是就大部分情況而言,因?yàn)檫@些缺陷的存在,會(huì)縮短芯片的連續(xù)工作壽命,減少載流子密度進(jìn)而降低發(fā)光輸出,以及可能成為無(wú)輻射復(fù)合中心。
因此如何選擇合理的芯片結(jié)構(gòu),了解晶格缺陷對(duì)LED芯片發(fā)光的影響機(jī)理從而更好地控制不利缺陷的產(chǎn)生,也就成為了當(dāng)前我們所必須面對(duì)的重要課題之一。
2、封裝與散熱
LED的封裝必須要處理好:應(yīng)該盡量減少光線在LED內(nèi)部全反射,增加襯底基板反射率,從而使盡量多的光線能夠透射出來(lái),提高LED的外部量子效率,也就是增加LED的發(fā)光效能?,F(xiàn)有技術(shù)包括襯底剝離技術(shù)(Lift-off)、Flip-Chip技術(shù)等。
還應(yīng)該選擇新型的封裝材料,以減少因?yàn)樽贤饩€照射而引起的封裝材料發(fā)黃等帶來(lái)的顏色變化。
LED的散熱問(wèn)題是影響LED驅(qū)動(dòng)電流提升的一個(gè)重要因素。根據(jù)下列公式:
TJ=TA+PD(θJ-P+θP-A)=TA+PDθJ-A
其中,TJ——p-n結(jié)處的溫度;
TA——環(huán)境溫度;
PD——耗散功率;
θJ-P——結(jié)點(diǎn)與陰極插頭之間的熱阻;
θP-A——陰極插頭與空氣之間的熱阻;
LED芯片結(jié)點(diǎn)處的溫度TA直接影響到LED的壽命,因此LED的散熱能力強(qiáng)弱就限制了LED功率的大小,以及安裝使用環(huán)境的溫度。
3、白光LED
如何能制備出具有高顯色性、高發(fā)光效能的白光LED,是LED能夠在一般照明中廣泛使用的一個(gè)前提。對(duì)于白光LED而言,發(fā)光效能、顯色性以及成本都決定著它在照明市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前制備白光LED的方法可以分為三種:紅、綠、藍(lán)(RGB)多芯片組合白光技術(shù),單芯片加熒光粉合成白光技術(shù)以及MOCVA直接生長(zhǎng)多有源區(qū)的白光LED技術(shù)。
幾種技術(shù)相比而言,除了正在處于研究探索階段的MOCVA直接生長(zhǎng)多有源區(qū)的白光LED技術(shù)外,雖然RGB型LED具有發(fā)光效能高、顯色性好等優(yōu)點(diǎn),但是三種芯片性能的不同,使得它們因驅(qū)動(dòng)電流或溫度等因素的影響而發(fā)生色漂移,影響照明穩(wěn)定性。
而對(duì)于單芯片加熒光粉合成白光技術(shù),又分為了藍(lán)光芯片與黃光熒光粉型LED和紫外線LED加RGB熒光粉LED。藍(lán)黃光LED缺失紅光部分,因而有很難發(fā)出具有高顯色性白光(R85),同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生Halo效應(yīng)(有方向性的LED出光和熒光粉的散射光角分布不一樣)等缺陷;而紫外線LED加RGB熒光粉LED則克服了這些不足,成為了當(dāng)前性能較好的一種白光LED。
LED以其巨大的節(jié)能潛力以及良好的照明性能為我們打開(kāi)了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域。但是它也面臨著上文所提出的諸多技術(shù)和制度上的障礙,使得LED產(chǎn)品的價(jià)格仍然非常的昂貴,性能容易受到外部環(huán)境條件的影響,而且由于對(duì)晶體性能的研究仍然未完全成熟,制約著LED的進(jìn)一步推廣。當(dāng)然這一切都不能阻止一個(gè)全新照明時(shí)代的到來(lái),LED是屬于21世紀(jì)的綠色光源。但它可能更多地屬于未來(lái),正如美國(guó)能源部2002年編寫(xiě)的《LightEmittingDiodes(LEDs)forGeneralIllumination》中預(yù)期的,LED要到2012年左右才能夠在照明中取代熒光燈。
在我們的照明設(shè)計(jì)過(guò)程中,我們應(yīng)該以一種理性的態(tài)度去看待LED的應(yīng)用,應(yīng)該在真正了解LED性能前提下,根據(jù)環(huán)境的條件,合理地選擇使用LED,才能真正創(chuàng)造出一個(gè)節(jié)能而優(yōu)質(zhì)的照明光環(huán)境。