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白光LED引发照明技术革命

发布日期:[2007-12-11]    共阅[2284]次
        白炽灯于1910年开始批量生产,此后,又有荧光灯等新光源出现。但近20年来,照明界深感有必要开发新世纪照明光源。欧洲专门制订了COST五年行动计划,它提出新型光源要符合三个条件:高效、节能;不使用有害于环境的材料;模拟自然光,其显色指数接近100。美国有专家提出,半导体已在电子学方面完成了一场革命,第二场革命将在照明领域进行,到2020年左右,固体光源的发光效率将达到200lm/w,能符合COST计划提出的对新光源的要求,这样,在国际上掀起了LED照明的热潮。

  全球白光LED研制进展
  白光LED分单芯片、双芯片和三芯片,以下将按这一分类介绍:
  A.单芯片:
  InGaN(蓝)/YAG荧光粉
  这是一种目前较为成熟的产品,其中1W的和5W的Lumileds已有批量产品。这些产品采用芯片倒装结构,提高发光效率和散热效果。荧光粉涂覆工艺的改进,可将色均匀性提高10倍。实验证明,电流和温度的增加使LED光谱有些蓝移和红移,但对荧光光谱影响并不大。寿命实验结果也较好,Φ5的白光LED在工作1.2万小时后,光输出下降80%,而这种功率LED在工作1.2万小时后,仅下降10%,估计工作5万小时后下降30%。这种称为Luxeon的功率LED最高效率达到44.3lm/w,最高光通量为187lm,产业化产品可达120lm,Ra为75-80。
  InGaN(蓝)/红荧光粉+绿荧光粉
  Lumileds公司采用460nmLED配以SrGa2S4:Eu2+(绿色)和SrS:Eu2+(红色)荧光粉,色温可达到3000K-6000K的较好结果,Ra达到82-87,较前述产品有所提高。InGaN(紫外)/(红+绿+蓝)荧光粉
  Cree、日亚、丰田等公司均在大力研制紫外LED。Cree公司已生产出50mW、385nm—405nm的紫外LED;丰田已生产此类白光LED,其Ra大于等于90,但发光效率还不够理想;日亚于最近制得365nm、1mm2、4.6V、500mA的高功率紫外LED,如制成白色LED,会有较好效果。
  ZnSe和OLED白光器件也有进展,但离产业化生产尚远。
  B.双芯片:
  可由蓝LED+黄LED、蓝LED+黄绿LED以及蓝绿LED+黄LED制成,此种器件成本比较便宜,但由于是两种颜色LED形成的白光,显色性较差,只能在显色性要求不高的场合使用。
  C.三芯片(蓝色+绿色+红色)LED:
  Philips公司用470nm、540nm和610nm的LED芯片制成Ra大于80的器件,色温可达3500K。如用470nm、525nm和635nm的LED芯片,则缺少黄色调,Ra只能达到20或30。
  采用波长补偿和光通量反馈方法可使色移动降到可接受程度。美国TIR公司采用LuxeonRGB器件制成用于景观照明的系统产品,用Lumileds制成液晶电视屏幕(22英寸),产品的性能都不错。
  D.四芯片(蓝色+绿色+红色+黄色)LED:
  采用465nm、535nm、590nm和625nmLED芯片可制成Ra大于90的白光LED。
  此外,Norlux公司用90个三色芯片(R、G、B)制成10W的白光LED,每个器件光通量达130lm,色温为5500K。
  照明用白光LED技术指标
  照明用白光LED不同于传统的LED产品,在技术性能指标上有一些特殊要求:光通量一个Φ5LED的光通量仅为1lm左右,而用作照明的白光功率LED希望达到1Klm。当然,光通量为0.1Klm和0.01Klm的功率LED也能达到要求较低的照明需求。由于15W白炽灯效率较低,仅8lm/w,所以一个15W白炽灯的光通量,与25lm/w的白光功率LED5W器件相当。
  发光效率目前产业化产品已从15lm/w提高到25lm/w,研究水平为32lm/w,最高水平已达44.3lm/w。
  色温在2500K-6000K之间,最好是2500K-3500K之间。
  显色指数Ra最好是100。
  稳定性波长和光通量均要求保持稳定,但其稳定性程度依照明场合的需求而定。
寿命5万小时至10万小时。

  白光LED应用展望
  白光LED亮度和功率的每一次提高,都进一步扩展了它的应用范围。从2000年开始,功率型LED已被用于特殊应用照明。2002年,三菱电机用它作为可拍照移动电话的闪光灯,将Lumileds作为液晶电视屏的背光源,提高了色彩保真度;小糸制作所用白光LED制作汽车头灯。此外,目前白色LED在景观照明,庭园灯等方面已大量应用。本人估计,若白光LED以1lm/个单位为基础,每单位降到1元将进入一般家庭的户外照明;当降到0.5元可望进入室内照明、走廊照明等市场;当降到0.25元时将开始置换荧光灯。从发光效率看,一旦跨进60lm/w,相当于20W的荧光灯,白光LED将迅速普及。未来5年到6年中,若发光效率突破80lm/W,再加上单价继续下降,则到2008-2010年,白光LED照明将逐渐普及至一般家庭的各种照明灯具,正式担当21世纪的照明新光源。
目前,白光LED技术主要有三种:一是利用三基色原理将红、绿、蓝三种超高亮度LED混合成白光;二是用InGaN蓝色LED管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉;三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其他荧光粉,产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产业化,后两种技术发展较快。由此制造出的半导体灯小巧、可靠、寿命长、低压、节能、无污染,堪称绿色光源,是照明方式的一次革命。白光LED与白炽灯相比可节省80%~90%的电能,且寿命可超过10万小时。目前主要问题是芯片成本高,但从电子产品性价比发展规律看,半导体灯进入普通家庭已为期不远。目前,高性能LED广泛用于一些特殊场所,如军用装置、矿山、潜水、探险等行业。可以肯定地说,高性能LED正在成为一种极有竞争力的新型光源,它的商业化必将带来照明技术的一场革命。

  白光LED照明效益分析
  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,每年仅节电就可达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。
  我国是仅次于美国的第二大发电大国,2002年我国发电总量为1.65万亿千瓦时,其中1.34万亿千瓦时(80%)为火力发电,燃烧大量的原煤和石油,产生大量的粉尘和SO、Co2等气体,环境污染严重。照明用电量已超过1500亿千瓦时,占总发电量的10%~12%(发达国家占20%左右),大大超过三峡水力发电站年总发电量840亿千瓦时。而半导体照明耗电量将是白炽灯的八分之一、荧光灯的二分之一,其寿命约为白炽灯的20倍到30倍、荧光灯的10倍,是节能与环保的“富矿”。所以,发展高效、环保并节能的白光LED照明光源是非常必要的。
  目前我们常见的支架式和片式LED由于热阻大、光衰减大、单个器件光通量小,而不能胜任替代传统光源的重任。大功率白光LED器件是LED光源进入普通照明领域的必由之路。因此,大功率白光LED器件的市场前景十分巨大。
此外,白光LED照明产业具有技术密集和劳动密集双重特点。因此,在我国发展白光LED照明产业,不仅可以形成新的产业和出口增长点,而且可以节约能源、减少环境污染并充分发挥我国劳动力资源优势,符合“十六大”提出的走新型工业化道路的指导思想。

  白光LED市场规模概况
  LED的最大潜在应用是普通照明。随着技术的进步,高亮度白光LED正一步步进军潜力巨大的灯光照明市场。根据Frost&Sullivan的统计,当前全球照明市场的年均增长率约为5.5%,2000年仅白炽灯、荧光灯的市场规模就达45亿美元。业界一般认为,白光LED照明市场可望在2010年左右趋于成熟。预计未来7年内,高亮度LED对全球照明工业将造成巨大的冲击。
  有预测认为,白光LED的增长率高达151.5%,未来几年内其平均年增长率将高达250%以上。ReedElectronicRe-search的统计数据显示,1998年全球白光LED的市场为7000万美元,估计去年增至2.7亿美元。 
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