白色LED照明系统

1、2001年第8期光机电信息白色LED与照明系统1前 言 白色发光二极管(LED)作为下一代节能照明光源已崭露头角。利用族化合物半 导体(InGaN,AlGaInP)开发了电光转换效率非常高的LED，从而使具有极高发光强度的固体光 源实用化，发光效率在10年中约提高一个数量级。预计到2010年， 蓝色、绿色LED的发光效 率将超过100lm/W。日本开发出的AlInGaP琥珀LED的外部量子效率达到了50，发光效率 达到了100lm/W。 LED具有低电压驱动、小型、重量轻、耐用、寿命长等优点。红色、绿色、蓝色LED可代替白 炽灯，并可用于显示板、交通信号灯等。另外，近几年还开发了由蓝色LED和

2、荧光体(掺铈YA G)组成的白色LED，人们对这种新的节能照明光源给予了极大关注。 本文概括介绍了以GaN类化合物半导体和荧光体为基础的白色LED光源的研发现状，并阐述了 白色LED的照明特性及其应用。 2 LED的发光强度和发光效率 2.1有色LED 发光二极管是一种将电流顺向通到半导体pn结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子 阱结构。1962年GE(General Electric)公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED 的光通量为0.1lm/W，约是普通灯泡的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近 ，蓝色、绿色LED已实用化，其发光强度超过AlGaA

3、s类红色LED。这种LED采用氮化物半导体( InGaN混晶)作活性(发光)层的量子阱结构，其发光强度超过10cd，量子效率超过20。此外 ，还开发了外部量子效率超过50的AlInGaP红色LED(630nm）和琥珀LED(595nm)。InGaN 绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。 坎德拉(cd)是发光强度的单位，用以表示可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量 和立体角表示。 I=d/d cd =KmV()Pd lm其中，Km为在波长555nm范围内的最大可见度(683lm/W)，绿色对人眼是最亮的。V() 是在波长为时的相对可见度V(555nm)=1，P为光谱辐射通量。 图

4、1 各种LED的发光效率(lm/W)和各种光源 亮度的比较图1比较了已实用化的可见光LED及其照明光源的发光效率(lm/W)。图中实线为可见度曲线。 该曲线的30是LED可能实现的发光效率的极限值，但在AlGaAs、AlInGaN和InGaN类器件中 ，这一效率有可能提高近50。每一个LED的光通量(lm)最多为1lm2lm，在一般照明用光 源中，则有必要集成多个LED。与其他光源相比,其LED的发光效率远超过白炽灯，也有超过 荧光灯的。 2.2白色LED 白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。 在蓝色LED芯片上涂敷荧光层，涂层是由(Ya,Gd1a)3(Alb,Ga

5、1b)5O12 Ce3组成的YAG 荧光体。例如 ，炮弹型灯的制法是先将LED芯片装在导架上，粘接金线(Au)，然后在灯表面 上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片周围密封。 日亚化学工业公司于1996年将其用蓝色LED和YAG荧光体作成的白色LED 产品推向实用化。现 欧美大型照明厂商对白色LED的开发十分活跃，并制定了21世纪的开发目标，预计2005年白 色LED的发光效率将超过50lm/W。日本通商产业省指导的“21世纪之灯”国家项目的目标值 到2010年时将达到120lm/W。 3白色LED及其原理 用表1所述的两种方式(单芯片型和多芯片型)可得到色调效果好(Ra85)的白光。一 是同时点

6、亮红色、绿色、蓝色(R.G.B)或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外 LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷， 而且在温度特性或器件寿命上也存在问题，因此距实用化还有一段距离。第二种方式则用一 个器件即可，驱动电路，易于设计。有两种激励方式：即(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体 ；(2)用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组合的不同可发 射白光以外的各种颜色的光，因而可广泛应用于照明。如前所述，每一个LED的光通量(lm) 很弱，要作为照明光源必须配置多个LED。而开发LED照明用光源，则必须对

7、包括多个LED集 成器件光分布在内的装置系统进行优化设计，此外，研究人员还必须参加半导体发光器件和 照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而，现在单芯片型I nGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅处于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex 公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究，但难以实现一样的混 色，故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED，现实验室水平的发光效率已超 过40lm/W，近几年内可望超过100lm/W。 4白色LED的特性及其在照明统中的应用作为荧光体激励光源的多量子阱(MQ

8、W)LED的外部量子效率已提高了20其温和色调优异。受YAG荧光体寿命影响的白色LED的寿命已超过数万小时。用具有上述优异 特性的炮弹型LED在玻璃状环氧基板上以大约7mm间隔串联41个LED，并将17列并联，一共用697个。白色LED装置使用商用电源AC100V,60Hz及全波整流后的稳压电源(电容输入型整流电 流)。为减少LED器件的耗电量，整流后电源的波形变动最大峰值电压为143V，最小电压为12 6V。 在此状态下，各LED上施加电压最大约为3.49V，最小约为3.07V时，电流值最大约为17mA，最小为3mA，耗电约为20W。图2为用41个LED组成的照明器具。图3表示了AC100V

9、，120Hz 驱动时的发光光谱，该光谱与直流顺向发光光谱特性相一致。用灯座插入方式，距发光面30cm处的光照度约为1200lx，耗电约为1W。无论哪种光源都无需装配冷却装置。 地利用LED的光定向性，并在 明确产品需求的情况下，开发出能应用于各种领域(舞台照明 、发光照明、手术照明、航空照明)的商品。  图2为用41个LED组成的照明器具图3交流照明时白色LED光源与白灯发光光谱日本开发了一种夜间用的节能型照明装置。该装置用两套排列700个白色LED的光源， 并用太阳电池板(电功率109W)和蓄电池进行充电以实现夜间照明。照片1为节能型太阳能电 池白色LED路灯的外观。其基本结构是由

10、太阳能电池盒(PV)、充、放电及电流系统的控制装 置、视觉传感器和白色LED组成。平常对各LED通lmA的电流，进行低照度照明，但当有人进 入路灯半径2m以内时则有20mA的电流通过，并进行额定运行，因此可以说它是一种完全自动 化的节能路灯。这种在3m区域光照度约达660lx(耗电56W)的白色LED不久将达到实用化。由 于无电源且维修方便，所以最适宜于做城市办公大楼、街道、郊外住宅区等人烟稀少处的夜照明。 5白色LED的今后的课题 5.1 价格和安全性 与荧光灯不同，白色LED照明装置的照明电路简单，不需要逆变器电路和铁芯型(或电 子型)稳定器。另外，LED的寿命为荧光灯的10倍，且不需要维

11、护费。40W荧光灯的发光效率 约为60lm/W。 将发光效率约为60lm/W的40W荧光灯用40lm/W的白色LED来代替，要获得相同 亮度需要约500个左右的LED。若能普及这种照明系统，设5年内1只LED为5日元，那么整个照 明设备为5000日元左右。以GaN类半导体为基础的LED与其他材料不同，在原料中不含有毒性 物质，所以若能建立将LED重复使用技术，那么它将作为对地球环境友好的白色LED光源而加 以普及。 5.2 节能效果 据报道：日本家庭用电量约20(最近为40)为照明所用。若把日本的公共设施、公司、工 厂所使用的白炽灯、荧光灯换成LED照明设备，那将会节约多少电能呢?日本荧光灯使

12、用量很 大，设大型建筑物的荧光灯数为15000套，一般一套为2只，因此荧光灯总数为30000只。使 用40W荧光灯的耗电量为1200kW，若用LED代替其20，那么节电240kW。因为LED照明设备的 耗电量为荧光灯设备的一半，所以等于节电480kW。若建筑物数量为5000栋10000栋，那么 总节电效果为240，0000kW480，0000 kW。 另外，若换掉霓虹灯的放电管，则可以节省一座发电厂。这等于一年节约100，0000kl的原 油，可以减少CO2气体的排放量，这对地球环境和地球清洁化将是卓越的贡献。 5.3LED的发热 一般认为LED不发热，但pn结处通过的电流密度达几十A/cm2

13、，约40变为热。炮弹型LED 由于被环氧树脂所覆盖，故散热很差。通过导线发热，散热很差时，发热温度达100。随 着这种温度的上升，使荧光体劣化。 图4表示了图3的照明设备随着温度的上升而色度值在色度图上发生很大偏差，光源的色调效 果变差的情况。当温度超过100时则白色LED逐渐变蓝，因此必须将其控制在50以内。希 望今后开发出新型密封式照明用白色LED光源。 5.4国外研发动向 最近世界上一些大型照明、半导体制造厂家LumiLeds(Philips/Agilent),GELcore(GEL/ Emcore),Osram Opto(Osram/Infineon)均参与了LED在照明领域的实用化研

14、究。以LumiLed s和Sandia研究小组为中心制定了“21世纪之灯”的计划，并提出了到2020年用LED制成的照 明设备的发光效率达到200lm/W的目标，10年间的经费需求为500亿日元。德国Duisburg市用 白色LED照射桥阑侧面以便为步行的人们提供方便，同时也用于室内照明。 6结语 InGaN类白色LED照明光源因其优异的色调效果和光的定向性受到各国科学家的关注 。LED保持远高于白炽灯的发光强度，实际试制的LED照明光源具有与车灯相近的亮度。其综 合发光效率(包括设备具有的利用效率)约为白炽灯的2倍3倍，即30lm/W左右。图4 色度(x,y)值与温度的变化关系 与普通的LED不同，白色LED多用于一般照明光源。然而，因为其应用需要1000lm的光 通量，所以要实现“21世纪之灯”的理想，必须要有半导体工程、发光器件工程、照明工程 方面的研究人员、技术人员的协作和新的构思。另外，白色LED是否适应于人的生活和环境 ，这与人的生理、心理