LED是一种固体光源,它是利用半导体P-N结电致发光制成的发光器件，由于不同半导体材料的带隙能量不同,因此激发光的波长也不同。所以,采用不同的材料可制成不同颜色的发光二极管.根据色度学原理,白光可以通过不同的颜色混合方案实现,例如,蓝光和黄光混合,蓝、绿、红三基色光混合、以及多基色光混合等。

当前的主流方案是蓝光LED芯片和可被蓝光有效激发的发黄光荧光粉有机结合组成白光LED.LED芯片发射的蓝光部分被荧光粉吸收,有效地激发荧光粉发射黄光,其余的部分蓝光穿过荧光粉透出,黄光和蓝光混合获得白光.这种方法的优点是白光LED结构简单,容易制作,而且YAG荧光粉已经在荧光灯领域应用了许多年,工艺比较成熟.其缺点主要有:(1)蓝光LED发光效率还不够高;(2)短波长的蓝光激发荧光粉产生长波长的黄光,存在能量损耗;(3)荧光粉与封装材料随着时间老化,导致色温漂移;(4)不容易实现低色温(一般照明用的白光都略微偏暖色),显色指数一般也不高(70~80);(5)功率型白光LED还存在空间色度均匀性等问题。

新型照明光源：白光LED的研究进展

第二种方案是采用高亮度的近紫外LED(~400nm)泵浦R、G、B三色荧光粉,产生红、绿、蓝三基色.通过调整三色荧光粉的配比可以形成白光,这也是当前发展的重点.相对于蓝光LED+YAG荧光粉,采用这种方法更容易获得颜色一致的白光,因为颜色仅仅由荧光粉的配比决定;此外,还可以获得很高的显色指数(>90).其缺点主要有:(1)高效的功率型紫外LED不容易制作;(2)由于Stocks变换过程中存在能量损失,用高能量的UV光子激发低能量的红、绿、蓝光子导致效率较低;(3)封装材料在紫外光的照射下容易老化,寿命缩短;(4)存在紫外线泄漏的安全隐患.其他方案还有多基色LED组合、ZnSe白光LED、白光有机LED等。

发展趋势

白光LED具有低压、低功耗、高可靠性和长寿命等一系列优点,是一种符合环保和节能的绿色照明光源.巨大的市场需求和显著的经济效益和社会效益的驱动,使世界各国均倾注了大量财力、人力和物力,来推动固体白光LED作为固态照明光源的研究和开发,并成立了专门机构制定战略目标和计划,以确保推动固体白光LED发展处于**地位.1998年日本政府制定“21世纪光计划”,政府投资50亿日元,组织13家公司和4所大学联合执行;美国政府决定从2000年至2010投入5亿美元,实施“国家半导体照明研究计划”,由12个重点实验室、公司和大学共同执行;2001年3月美国Sandia国家实验室开始起草美国半导体照明技术发展蓝图,2001年7月美国能源部提出“新一代照明光源计划”。

1999年,欧盟制定“彩虹计划”,由欧盟执委会研究总署6个大公司和2所大学共同执行;韩国政府2000年制定“固态照明计划”,成立光产业振兴会负责计划实施,计划2000年至2008年政府投资4.72亿美元,企业投入7.36亿美元;中国台湾制定“次世纪照明光源开发计划”,由14个企业、研究机构和大学参加,将芯片加工、封装、应用、建立信息平台和测试平台都囊括其中.1993年11月我国经贸委启动中国绿色照明工程,1996年正式列入国家计划.2003年科技部联合信息产业部、中科院等8个部门,和北京、上海等15个地方政府全面启动我国半导体照明工程.在材料、芯片、封装和应用产业化支撑技术方面取得较大突破,共计突破关键技术20余项.申请专利171项,送审3项行业标准,制定企业标准17项,建立中国半导体照明及数据库;产业化成效显著,新增产值6.2亿元,带动行业创收133亿元.科技部先后批准上海、厦门、大连、南昌、深圳五个国家半导体照明工程产业化基地,促进了区域技术集成创新和产业链的完善,初步形成了相对合理的产业格局。

在各国强有力的政策支持下,世界许多**光源厂商和半导体材料器件公司纷纷联盟,实行强强联合,重组半导体照明新公司,抢占固态照明这一高新产业和市场.近年来,白光LED光源的进展速度比原来的预期要快得多,在质和量方面均取得可喜的进展。

目前白光LED光源的发光效率已经达到40lm/W,已超过白炽灯(7.4~16lm/W).但要取代日光灯(40~70lm/W)进入通用照明市场,其光效需要达到150lm/W.同时,还需解决发光亮度低、成本高、显色指数差等问题.为此,人们正围绕芯片、荧光体和封装三大要素进行攻关,以进一步改芯片质量和结构,提高内量子效率,优化取光率,降低色温,争取早日实现大规模的半导体照明。

应用前景

LED光源已在很多领域获得应用:(1)各类交通工具的照明灯具.由于发光效率的提高,成本的不断降低,供应链的完善和工艺的进步,使新生产的交通工具以高于75%的增长率安装这种新出现的半导体LED光源.(2)交通指示灯.LED光源具有亮度高、光响应速度快、抗震耐冲击、省电、寿命长、在浓雾和日光下可视性高等优点.许多城市正在用高亮度的LED阵列替换交通信号的白炽灯泡,取得良好的效果.随着LED灯性能的提高及价格的下降,将有更多的交通信号灯采用LED光源.(3)建筑泛光照明和装饰彩灯.如上海东方明珠电视塔景观照明工程.新建成奥运场馆等的水立方。

保定市大功率半导体路灯照明取得成功应用,全长3.6km的高速引线两侧绿化带内,安装了泛光灯174盏,草坪灯447盏,使夜晚的高速引线成为一条美伦美奂的“光波带”.哈尔滨市除楼房泛化照明外,主要街道上的200多处亮化景观全部采用LED照明,居民游客普遍认为这种灯饰更漂亮,据相关管理门部说,这种灯饰理论上节电70%,由于今年在哈尔滨**年使用,数据不完整,但保守估计能节电三分之一以上。

随着LED发光功率和产量的不断提高,预期LED将不断地扩展其在传统照明领域的应用.降低成本也是LED光源获得广泛应用的一个重要方面.从发光效率来看,白光LED一旦跨过60lm/W的门槛,白光LED照明灯具便会开始迅速普及化.未来3~4年内,技术突破可望使发光效率达到80lm/W以上,再加上单价持续下降,白光LED照明将渐渐普及至一般家庭的各种照明灯具,进而完全占领现有照明市场。