现代照明及发光技术.ppt

,Xian Jiaotong University,理学院化学系,Department of Chemistry,Faculty of Science,现代照明及发光技术,周桂江西安交通大学理学院,自然界发光现象,白光的表征及产生,传统照明技术,有机电致发光照明技术,主 要 内 容,自然界的发光现象,物质的燃烧,有机物：,无机物：,石油,天然气,煤,.,活泼金属,与氧气发生,化学反应,光和热,能量,热发光,黑体辐射,：振动能量正比于振幅的平方，温度升高使分子振动,加剧，部分能量达到可见光区域。,化学发光,是一种特异的,化学反应,，有机分子,吸收化学能,后发生,能级跃迁，产生一种高能级的电子激发态不稳定的中,间体，当其返回到基态而发出光子，即为,化学发光,。,分类,闪光型,：时间很短零点几秒到几秒,辉光型,：时间长从几分钟到几十分钟，,或几小时至更久。,光,化学发光免疫测定是目前世界公认先进的标记免疫测定技术，化学发光免疫,分析技术具有高度的准确性和特异性，成为检验方法中最为重要的技术之一,生物发光,生物体内的化学反应将,化学能,转化为,光能,而发光的现象，,即生物发光。大部分生物发光都与,三磷酸腺苷,有关。是由,荧光素酶,与,荧光素,的化学反应引起的。,特点,颜色范围宽,，可从红光到深蓝光,氧,几乎是必需的条件,生物发光的化学反应似乎都是,酶,-,底物反应,典型的发光生物,萤火虫,琵琶鱼,栉水母,发光菌类,腰鞭毛虫,光致发光,一些物质在光的照射下，物质当中的电子吸收光能后,（,激发,）跃迁到更高的能量状态（,激发态,），处于激,发态的电子不稳定有返回原来的稳定状态（,基态,），,多余的能量以光的形式放出（,发射,），产生发光现象,叫,光致发光,光,典型的有机发光物质,典型的无机发光物质,稀土化合物,，其优点是吸收能力强，转换率高，色纯度高,目前,常见的无机荧光材料是以碱土金属的硫化物（如,ZnS,、,CaS,）,铝酸盐（,SrAl,2,O,4,CaAl,2,O,4,BaAl,2,O,4,）等作为发光基质，以稀土镧,系元素铕,(,Eu,),、钐,(,Sm,),、铒,(,Er,),、钕,(,Nd,),等作为激活剂和助激活剂,CaS:Eu,红,，,CaS:Ce,绿,，,SrS:Ce,蓝绿,InGaN,：蓝,电致发光,又可称电场发光，简称,EL,，是通过加在两电极的电压产生电场，,被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化,、复合导致发光的一种物理现象。,它由,背面电极层,、,绝缘层,、,发光层,、,透明电极,层和,表面保护膜,组成，利用,发光材料,在电场作用下产生光的特性,，将电能转换为光能。,目前电致发光的研究方向主要为,有机材料的应用,光的表征及白光的产生,光的表征,E=,h,c,/,表征一个光源的四个物理量：,看起来亮吗？,光度,什么颜色？,色度,被照明物体的颜色看起来真实吗？,显色指数,给人感觉是冷的还是暖和的？,色温,光,波和粒子二重性,电磁波：,速度,c,=3,10,8,m/s,c,=,nl,频率,n,(Hz),，,波长,l,(nm),:,长波,中波,短波,微波,远红外,近红外,可见光,紫外,真空紫外,622-700,597-622,577-597,492-577,455-492,400-455,(nm),光度,人对光亮度的视觉,光度与功率的不同在于它是,视觉响应,。,相关的量以光度学量表示,。,归一化的明视觉灵敏度曲线,实线，,V,(,l,),，据,1924CIE,和暗视觉灵敏度曲线,虚线，,V,(,l,),，据,1951CIE,色度,定量表述色彩,用称为,三色值,的数字表示颜色，基于多数色彩都可以用不超过,3,种适当的原色，例如红,R,，,绿,G,和蓝,B,来模仿的实验事实。,1931CIE,标准,配色函数,：,红,x,绿,y,蓝,z,CIE,色度图,自然界中存在的颜色，边界为,单色光,用,几种基色配色能够得到的色彩范围,用两种基色，能够得到色度图上两个基色的色坐标连线上的所有颜色；用三种或三种以上基色可以得到这些基色连线形成的多边形内的所有颜色。多边形面积越大，能再现的色彩就越丰富。,显色性,不发光物体的颜色：,白光中一部分波长的光被物体吸收,不透明物体：反射,透明物体：透射,吸,收,反射,透射,入射,具有不同光谱而色坐标相同的光源称为,同分异构,光源,。,同分异构光源照明的物体可能产生不同的色觉,。,这种性质称为,显色性,，,用一个物理量,显色指数,R,a,来描述。,经过对光源测量、计算得到,显色指数,。,如果光源的性质与黑体辐射一致，显色指数,R,a,=100,色彩再现性最好；,R,a,越小,(,甚至为负值,),，用它照明时，看到的物体色彩就越失真。,用,蓝光和黄光配色成为白光，如果被照明物体是绿色或红色的，在这个光源下，看起来就会失真,400,500,600,700,高显色指数光的显色性,低显色指数光的显色性,色温,T,c,以绝对温度,K,来表示,即将一标准黑体,(,如,:,铁,),加热,温度升高到一定程度时颜色开始由,深红,-,浅红,-,橙黄,-,白,-,蓝,逐渐改变,利用这种光色变化的特性,某光源与黑体的颜色相同时,我们将黑体当时的绝对温度称为该光源所发光之色温。,色温越高，光色越偏蓝；色温越低，越,偏,红色,。,一天中的光色随时间变化而变化。,10000 K,早晨的阳光（偏蓝的光）,6000 K,中,午的阳光,5000 K,下午的阳光,2000 K,黄昏的阳光（偏红的光）,自 然 光,室内照明光,白,光的产生,白光的组成,白光棱镜折射,400 nm,700 nm,黑体辐射产生白光,粒子振动产生的辐射称为黑体辐射,黑体辐射的光谱,用,上面的方法求出色坐标,不同色温,T,下黑体辐射源色度点的轨迹,两互补色或三基色交叠，形成白色,400 nm,700 nm,430 nm,480 nm,490 nm,560 nm,500 nm,580 nm,595 nm,605 nm,配色产生白光,蓝,-,黄互补光混合,红,-,绿,-,蓝三基色光混合,满足照明要求白光的质量,色坐标,CIE,x,y,越接近（,0.33,，,0.33,）越好,显色指数,R,a,大于,80,色温,T,c,在,25006500K,之间,传统照明技术,照明的历史,照明需要光，科学技术发展使产生光的方法越来越方便，效率越来越高。但是，直到,200,多年前，照明技术发展极度缓慢，很多年、很多代的人一辈子,都看不到照明方法有什么变化。,照明所用能源的进步,50,万年,5,万年,200,年,100,年前,木柴,动植物或矿物油,煤气或其他可燃性气体,电,直到,19,世纪初，燃烧产生火焰一直是唯一的人造光。,燃烧是氧化过程，放出热量，高温使微粒中,C,原子热运动,(,振动,),加剧。原子热运动的能量按照一定规律分布,与温度有关。温度足够高时，部分能量达到可见光区域。,我们祖先,对,光,的认识,明也。从火在人上。光明意也,。说文,燧人氏,火,是人类历史上第一件伟大的发明。,由于它对人类发展的重要作用，在传说中，火的使用往往和民族的始祖或英雄相联系；在原始宗教中，火的发明者被作为神来供奉,。,50,万年以前，人类就已经广泛地使用火了。熟食在从猿到人的进化过程中起着重要的作用。原始人偶然拣起一片燃烧的木头用来照明，他们发明了第一个便携式光源,火把。,北京人已有控制火的能力，这是原始文化的一大转点。,匼,(,ke,),河及蓝田两遗址里，似乎都没有用火痕迹报导。,李济：踏入文明的过程,中国史前文化鸟瞰,作为对人类历史的回忆，火炬这种最古老的照明器具现在还应用在庆典中。,毛细作用,使燃料上升进入火焰，大大改善了热发光照明的效率。,考古发现表明，人类在七万到三万年以前开始使用石制的灯。之后是贝壳、陶和金属的灯。灯芯可能是人类有意识发明的第一个照明,器件,。,史前照明技术下一个重要进步,灯芯,考古发现蜡烛在公元前,8,世纪就已出现,(,古罗马,),。,原理和灯芯相同，固体燃料,(,蜂蜡、牛油，后来是石蜡,),在火焰中熔化。,古文中的,烛,意为火炬，,蜡,烛最初是空心芦苇灌上,蜂蜡,做成的。,最早的文字记载见诸西京杂记,，,广泛应用经历了漫长的过程。,南越王献高帝,(,刘邦,),石蜜五斛，蜜烛二百枚，白鹇黑鹇各一双。高帝大悦，厚报遣其使。,西京杂记,(,晋 葛洪，伪托汉 刘歆,),蜡烛简史,（据百度百科,),现在一般认为蜡烛起源于原始时代的火把,，,原始人把脂肪或者蜡一类的东西涂在树皮或木片上，捆扎在一起，做成了照明用的火把。也有传说在先秦上古时期，有人把艾蒿和芦苇扎成一束，然后蘸上一些油脂点燃作照明用，后来又有人把一根空心的芦苇用布缠上，里面灌上蜜蜡点燃。,大约在公元前,3,世纪出现的蜜蜡 可能是今日所见蜡烛的雏形，在西方，有一段时期，寺院中都养蜂，用来自制蜜蜡，这主要是因为天主教认为蜜蜡是处女受胎的象征，所以便把蜜蜡视为纯洁之光，供奉在教堂的祭坛上。从现存文献看，蜜蜡在我国产生的时间大致与西方相同，日本是在奈良时代（公元,710,784,年）从我国传入这种蜡烛的。,蜡烛的普及经历了一个很长的历史时期，,西京杂记,中记载，汉朝时南越向高帝进贡的贡品当中有蜡烛，有说法认为当时在寒食节禁火的时候君王赏赐给侯爵以上的官员、上品官员以蜡烛，说明当时的蜡烛极为稀少。到了南北朝时期蜡烛稍微应用得普遍了一些，但也主要是在上层社会，而不是一般的百姓家照明用的。唐朝时也记载了在晋州上贡时的贡品当中有蜡烛，另外唐朝的官员还专门设置一个官员来管宫廷蜡烛。宋朝记载有当时和西夏的边境贸易中，交易的用品就有蜡烛。蜡烛作为外贸、对外交换的一种东西，说明虽然当时用的比较普遍，但还是比较珍贵的。到了明清，蜡烛才渐渐地走入了寻常百姓家，人们日常生活中使用的也比较多了。,和现代蜡烛相比，古代蜡烛有许多不足之处。唐代诗人李商隐有“何当共剪西窗烛”的诗句。诗人为什么要剪烛呢？当时蜡烛烛芯是用棉线搓成的，直立在火焰的中心，由于无法烧尽而炭化，所以必须不时地用剪刀将残留的烛心末端剪掉。这无疑是一件麻烦的事，,1820,年，法国人强巴歇列发明了三根棉线编成的烛芯，使烛,芯燃烧时自然松开，末端正好翘到火焰外侧，因而可以完全燃烧。,但蜡烛还有待进一步完善，它的材料一般是有许多缺点的动物油脂，解决这一难题的是法国化学家舍夫勒尔等人。,1809,年，他收到一家纺织厂的来信，请他分析、确定他们寄来的一个软皂样品的成份。他拿着这封信思索了很长时间，心想：要研究肥皂,，,看来还得从原料油脂入手。经过大量实验，他发现，在一切油脂中，不论其来源如何，脂肪酸的含量均占,95%,，其余的,5%,则是皂化过程中生成的甘油。通过研究他认识了皂化过程的本质，同时还发现当时用油脂做成的蜡烛，由于里面有甘油,，,燃烧时火焰带烟，气味难闻。若改用硬脂酸 做成蜡烛，燃烧时不仅火焰明亮，而且几乎没有黑烟，不污染空气。舍夫勒尔把他的发现告诉盖,吕萨克,（,Joseph Louis Gay-Lussac,），,并建议两人共同研究如何具体解决这个问题。他们用强碱把油脂皂化，再把得到的肥皂用盐酸分解，提取出硬脂酸。这是一种白色物质，手摸着有油腻感，用它制成的蜡烛质地很软，价钱更加便宜。,1825,年，舍夫勒尔和盖,吕萨克获得了生产石蜡硬脂蜡烛的专利。石蜡硬脂蜡烛的出现，在人类照明史上开创了一个新时代。后来，有人在北美发现了大油田，于是可从石油 中提炼出大量的石蜡，较理想的蜡烛因此在全球得到了普及、推广。,在古代尚未使用电力的情况下，蜡烛的照明作用尤为重要。但在高科技迅猛发展的今天，人们在日常生活中已经一般不再使用蜡烛了，蜡烛则更多的被赋予了感情色彩，例如情侣相约、生日晚餐、对亡灵的悼念、对未来的祈祷等等，特别是在纪念日和喜庆的日子里，人们便会点起蜡烛。,(,宋,),马麟,秉烛夜游图,现存台北故宫博物院,古诗十九首 生年不满百,(,汉,),生年不满百，常怀千岁忧。,昼短苦夜长，何不秉,烛,游？,摇曳的烛光，容易使人产生无尽的联想。蜡烛成了古代诗人表达感情的重要道具，出现在不少千古传唱的名句中。,当中国还沉湎于烛光的浪漫中时，欧洲开始了工业革命。工业革命带来了科学技术、也包括照明科学技术的进步,煤油灯,18,世纪末,Agrand,发明，标志着近代照明技术的开端,具有置于两个同心管中的管状灯芯,灯芯位置可调,火焰周围有一个玻璃灯罩,改善了燃烧的空气供应使燃烧效率提高，光增强了,10,倍。,技术发明得到推广的几个要素：,依据基础理论 拉瓦锡：燃烧是由于空气中的氧,争取权威支持 向英王乔治三世演示,寻求法律保护 一项英国专利,(1784),19,世纪，人们对这种灯提出了大量的改进，包括油的供给方式，灯芯和灯头的设计，矿物油的应用。,道光年间,(1821-1850),一盏这样的灯出口到中国，价值白银,1,斤，约相当于现在,3000,元。,“余于道光初在广州以银,1,斤买得大西洋铜灯用之，蓄油于上瓶而下注于横管，横管之末安为炷,(,灯蕊,),螺旋之，其光可大可小。”,阮元，时任两广总督,1850,年样式的煤油灯成为广泛使用的照明装置。如今，这种灯仍在没有电力供应的地区使用。,其实，用灯罩改善燃烧中空气供应的方法中国早在汉朝就有了,。,河北满城中山靖王墓中出土的长信宫灯就已采用了这种技术。,煤气灯,1772,，,Murdoch,发明,19,世纪初，用煤炭工业气体副产品,煤气燃烧照明迅速在城市中发展，用于家庭、工厂、公共场所以及街道照明。这种照明技术在西方应用了,100,多年。,我们对煤气灯的感性认识,(,如果有的话,),大多来自福尔摩斯探案的影视,，所以，它给我们的印象可能不是光明而是罪恶和恐怖。,据称上海是世界上第,3,个使用煤气灯的城市，但煤气灯从来没有进入中国广大地区，甚至没有进入上海的寻常百姓家。,灰光灯,(lime light)1826,，,Drummond,第一个,固态照明,装置,石灰,(,氧化钙,),圆柱,在氢氧焰喷管无色的火焰中发出耀眼的光。,发光来自,1820,年发现的一种新效应,非高温发光,：,离子被热激发，电子进入激发态，跃迁回到低能态时辐射发光。,在,1860,到,1870,年代，灰光灯用于剧院，直到为电弧灯取代。,工人们在剧场中安装,灰光灯,汽灯,Welsbach,用浸透了金属氧化物溶液的棉织物,(1,：,99,氧化铈和氧化钍,),的纱网作为发光体。,汽油喷灯不发光火焰高温加热纱网燃烧后保留的氧化物网状骨架，和灰光灯类似，产生非高温发光。,二十世纪的前三十年中广泛应用，后来逐步为电照明取代。,汽灯,电照明,，,先进的原理和滞后的能源技术,19,世纪初，英国人,Davy,用,2000,对伏打电池使两个碳棒电极之间产生电弧,(,气体放电效应,),；用电流加热一条导线使它炽热发光,(,电热效应,),。比静电在汞蒸气中放电发光的效应的发现得还要早。,尽管作为电照明基础的这两种效应那时就已为人所知，随后人们也进行了大量的科学和工程研究，但当时，依赖于电池的在仅经济上就是不可行的。,只有具备了一种经济地提供能源,电的技术，电照明才可能发展。这个时刻终于来到了,1870,年比利时人,Gramme,发明,发电机,。,1876,年，,Yablochkov,发明了第一个实用的电照明装置。由以绝缘石膏薄片分开的两条平行碳棒组成，寿命只有几小时。,这种装置很快被用来作为街道照明，并使电照明获得公众认可。,电照明开始实用,几年后，它们被高性能长寿命,(,可达,1000,小时,),的碳弧装置代替。电弧灯作为道路照明一直用到,20,世纪二十年代，在两次世界大战中都用作飞机强光照明灯。它是现代高强度放电灯的始祖。,白炽灯,Edison,和,Swan,是白炽灯丝灯最有成效、最卓越的发明家。,1878,年,研制电灯已有大量工作,灯泡抽成真空问题基本解决,.,英国人,Swan,致力于电灯研究已经,30,多年,研制成用碳丝做灯丝,.,当时,爱迪生的研究刚刚开始,他试用了上千种灯丝材料。,1879,年,10,月看到了,Swan,用碳丝灯的报道,受到启发,.,经历重重困难,他用,“,日本竹,”,纤维,制成了碳丝,.,把这种碳丝装入灯泡,又将灯泡抽成真空，接上电流后,灯泡亮了，寿命达到,45,个小时,.,Polygonum,cuspidatum,Japanese Bamboo,虎仗，别名 黄药子 竹节参 班庄根,多年生草本，原产中国及朝鲜、韩国、日本。根横走，木质化，黄色。茎直立中空，散生红色或紫红色斑点，节稍膨大。,苦，寒。入肝，胆，肺，大肠。活血散瘀，清热利湿，解毒，止咳，通便。,从历史来看,Swan,发明电灯比爱迪生早，,团队,技术研究需要各方面特长的人共同协作,Swan,经常只有一个助手,爱迪生 有整个研究所做后盾,.,经费,爱迪生为研制电灯花费了,4,万美元,大批购买各种实验材料,Swan,则望尘莫及,很快被爱迪生后来居上,.,为什么爱迪生成为成功者？,研究解决应用中的实际问题,应用,需要解决很多实际问题：灯泡在电路上要并联而不能串联,并联要求灯泡有高电阻,爱迪生研制生产了灯丝极细的灯泡,.,生产,爱迪生创办了第一个供电系统。炭丝灯随后迅速商品化催生发展了如今成为电力和照明,(,以及其他家用电器,),工业巨头的一些公司：如通用电气,(GE,前身为爱迪生电灯公司,),西门子，飞利浦等。,专利,技术发明的成果一般以获得专利权为准,爱迪生,1883,年已经获得有关电灯的,147,项专利,Swan,制成第一个碳丝灯泡的,32,年之后,(1880),年才第一次申请专利,.,20,世纪初的高新照明技术,碳丝灯是户内的照明装置,人们作了很大的努力用高熔点金属丝替代碳丝，使灯工作在更高温度并且寿命更长,(,减少蒸发,),。虽然高熔点金属韧性差、很难拉成线材，但通过逐步应用锇,(2700,C),、钽,(3000,C),最终是钨,(3410,C),而很快解决。,今天的白炽钨丝灯的设计在二十世纪初的,1903,年就已基本完成。,荧光灯,在整个,19,世纪,低压气体中的放电的研究一直没有中断。,1900,年，,Hewitt,获得汞灯的专利。这种灯启动时需要倾斜，而且发蓝绿色光，被照物体颜色失真。但效率比碳丝灯高得多。汞灯后来成为荧光灯的基础。,1938,年，通用电气和西屋电气将一种新型的灯投入市场，这种灯是内管壁涂有荧光粉的低压汞蒸气放电灯，汞的紫外发射激发荧光粉发光。,最早的荧光粉是天然矿物，很快就为合成的无机材料所替代。从,1948,年起，普通白色荧光灯用荧光粉是锑和锰激活的卤磷酸钙,Ca,5,(PO,4,),3,(F,Cl),。,常见的灯,钨丝白炽灯,效率,14.4 lm/W,显色指数,100,寿命,1000,小时,增加电压或电流，提高温度发光可能更白，发光效率也可能提高，但灯丝蒸发加快，使用寿命缩短。,效率,11.8 lm/W,显色指数,100,寿命,2000,小时,卤钨灯,提高色温，增加寿命,在,卤钨灯,中，在充入的气体中添加卤素,(Br,I),建立起一个循环：钨从热的灯丝上蒸发向冷的壁方向扩散时形成卤化,钨,；卤化钨向相反方向扩散，在灯丝上分解。这个过程大大减少了灯丝上钨的损失。,荧光灯,把紫外光转换为可见光,254 nm,555 nm,即使,量子效率,为,100%,辐射效率也只有,46%,总的转换效率约为,28%,，比,100 W,白炽灯高,4,到,5,倍。,发光效率,由低功率,(4,到,5W),灯的,35,至,50 lm/W,到大功率,(70,至,125W),灯的,75,至,100 lm/W,，,显色指数,78,寿命,24000,小时,节能灯,(,紧凑型荧光灯,+,一体化的电子镇流器,),效率,51 lm/W,显色指数,82,寿命,5000-10000,小时,E,(555 nm)/,E,(254 nm),=254/555=0.46,高压钠灯,效率高，显色性差，用于街道照明,钠发射,589.0,和,589.6 nm,组成的双线,(D,线,),，几乎是单色的黄光。,高压加剧离子碰撞，使光谱变宽，改善了显色性。,效率,108 lm/W,显色指数,22,寿命,24000,小时,硫灯,应用微波使硫蒸汽放电。,微波辐射用微波炉用的,2450MHz,磁控管产生。在充入硫和氩并放入一个腔中的灯泡内激起放电。目前上市的有,400,2000 W,的灯，这种灯是一种,无汞的放电型白光光源,。,无电极放电,放电灯失效的主要原因都是电极劣化。如果不用电极，就能够提高这种灯的寿命。虽然无电极放电早在,100,年,前就发明了，但只是到最近，可靠、廉价的高频电源的进步，才使无电极放电灯能够实用。,硫灯,发光效率,75-100 lm/W,，,显色指数,R,a,=79,。,寿命为,20000,小时,(,磁控管寿命,),。,目前常见的照明器件的技术水平,全球每年耗电量约为,10,13,kWh,，,其中,21%,用于照明。发光效率提高,1%,每年就能节约,20,亿美元。,但是，由于所采用的产生光的物理原理本质上是耗散型的，通常的灯泡和灯管未来不太可能显著改善。,热,大的,Stokes,位移,无辐射跃迁,因此，研发以其他物理原理为基础的高效新光源对于节能是十分重要的。,21,世纪初的照明技术,钨白炽灯仍在广泛使用，紧凑型荧光灯,(,节能灯,),由于效率比白炽灯高而正被积极推广,多数工作环境使用荧光灯,街道照明以高压钠灯为主,随着半导体科学技术的进步，高亮度可见光发光二极管已有很多应用，以它为基础的固态照明正在迅猛发展，照明技术又面临着一次革命，我们已处在,固体照明时代,的黎明,3.,固体照明,L,ight,E,mitting,D,iode,半导体发光二极管照明,1960,年 红外,GaAs,LED,1968,就有把红外,LED,的长波发射转换为可见光的尝试,1960,年代末 可见光,LED,1980,年代 超亮红、黄、绿光,LED,1997,高亮度蓝光发射,AlInGaN,LED,出现后实用的白光,LED,才成为现实。以短波,LED,为基础，发展了使用两种或三种颜色混合的白光,LED,。,白光光源是固体照明技术的最终目标。对于,LED,最富挑战的应用是替代普通白炽灯和荧光灯。,电子从低到高填充能带中密集的能级。如果恰好填满到某一能带，以上的能带都是空的，由于,满带不导电,，这些材料是,非导体,；如果,最上面一个能带只是部分填满，材料是,导体，,部分填满的能带能够起导电作用，称为,导带,。,半导体,和,绝缘体,都是非导体，它们的区别在能隙的宽窄，在,0K,下，它们都是绝缘体。半导体的能隙较小，升高温度，少数电子能够由最高的满带,(,价带,),顶激发到导带底，具有一定的导电性，电导率比导体小得多。,insulator,metal,0 K,semiconductor,绝缘体、金属和半导体的能带,3.1.,固体照明的基础,LED,半导体材料,禁带宽度,(,eV,)(RT),单质半导体,Si,1.14,Ge,0.67,二元化合物半导体,ZnO,3.2,ZnSe,2.6,GaAs,1.43,GaN,3.44,可见光区：,1.59,eV,3.27,eV,IIIV,B,N,Al,P,Ga,As,In,Sb,Tl,Bi,发光二极管光谱,III-V,族三元系或四元系材料,器件结构,(,异质结,量子阱,),3.2.,实现白光,LED,的方法,1),白色多芯片,(MC)LED,至少由两色,LED,组成，把不同芯片不同颜色的发射混色。,2),荧光粉转换,(PC)LED,用荧光粉把蓝色或紫外,LED,的发射转换为长波光。用蓝色,LED,时，,LED,发射的一部分蓝光也作为基色之一,),。,3.2.1,荧光粉转换,LED,发射蓝光的,AlInGaN,芯片和发射在黄区的荧光粉,蓝光芯片涂敷一层混有环氧树脂的荧光粉。整个结构嵌在透明树脂中。,部分蓝光在荧光粉层中被吸收转换为黄光。其余的蓝色发射漏入透明树脂。,YAl,5,O,12,:Ce,3+,460 nm/520,580 nm,光谱性质满足二色白光,LED,的要求,460nm,附近的激发峰与蓝光,AlInGaN,LED,的峰值波长一致,也接近最有效的二色体系短波分量所需的波长。,荧光粉的发射光谱与混色得到白光所需的互补分量符合,(570,到,590nm),。,Ce,3+,在钇铝石榴石中的能级,由,AlInGaN,LED,的蓝光和发射峰值波长略有不同的黄光荧光粉得到色温不同的白光,光谱的光视效能超过,300 lm/W,通用显色指数略小于,80,。,黄绿色、红紫色、深绿色和深蓝色显色性较差，深红色显色性特差,。,1997,年高亮度,AlInGaN,LED,发展起来不久，,AlInGaN,/YAG:,Ce,白光,LED,就商品化了。由于蓝色,LED,的效率不断提高，这种白光,LED,发光效率早已超过白炽灯，目前已接近甚至超过了荧光灯。,2000,年商品白光,LED,发光效率,14,。,2004,年国内商品发光效率,61 lm/W,显色指数,80,2006,年,7,月，日本日亚公司推出,100 lm/W,的白光,LED,，,12,月批量生产,完成了,150 lm/W,产品的研发,2008,年,6,月,Osram,136 lm/W,2008,年,9,月,Philips 141.1 lm/W,2008,年,12,月,Cree 161 lm/W,日本产业界提出的高效率型、高显色型白光,LED,产品发光效率目标：,高效率型,高显色型,2008,100 lm/W,80 lm/W,2010,130,120,2015,160,140,荧光粉转换形白光,LED,发光效率的理论上限是,270lm/W,白炽灯,14.4 lm/W,节能灯,51,三基色荧光灯,84,高压钠灯,108,3.2.2,白光多芯片,LED,与,荧光粉转换,LED,比较，白光多芯片由于不存在转换中的能耗，效率应该更高。多芯片,LED,也避免了荧光粉老化问题。缺点是电源较复杂，价格高；发射谱线窄，因此需要使用多种,LED,来得到高的显色指数值；不同颜色的芯片不再同一位置，不同视角上色度可能不同。,现有,LED,技术可以提供高效三色白光灯,(50,R,a,85),所需的基色,LED,：,用峰值波长,600nm,附近的,AlGaInP,LED+,峰值波长,450,和,540nm,的,AlInGaN,LED,，,装配出白光,LED,发光效率超过荧光灯。,4.,无机固态照明的应用和前景,1960,年代可见光,LED,开始商用,彩色指示灯，文字,-,数字显示器,后来，当大多数仪器的显示转用液晶，,LED,的应用空间又退缩到指示器。,1980,年代出现第一个透明基片的,AlGaAs,LED,起，高亮度,LED,逐渐进入了与人造光相关的所有应用领域。,这种技术正逐步占领白炽灯、荧光灯甚至还占有激光器的领地。在,交通信号,和,显示,方面的地位已很好地确立。在,医学,、,光合作用,研究和,光学测量,方面开创了新的应用领域。,信号灯,交通信号灯,多年以来，滤色的白炽灯在强光信号灯中占主导地位。滤色通过把不需要的波长部分的辐射转换为热，从宽光谱分布产生窄光谱分布,效率极低,(,红光,3 lm/W),。,已广泛应用,长寿命,(,减少维修,),、,效率高,(,节能,),、,在日光直射下也高得足以分辨信号。,安全：,没有强的反射,，,旧式信号灯,由于不能区分亮的红信号和低角度太阳照射下熄灭的绿信号灯而引起事故。用,LED,，,不亮的信号看上去总是黑的,。,铁路信号,：红、黄、绿、蓝和月白色，用固态照明技术都可得到,LED,交通信号灯,汽车信号灯,长寿命,(,寿命超过了汽车的有效寿命,),、低功耗、短开关时间,(,改善了前面的车刹车时驾驶员的反应时间,),、耐冲击和震动。已用于一些车型的,高位刹车灯,610nm LED,刹车,，,尾灯，后转向灯,610nm LED,尾灯和前转向灯,590nm LED,其他信号灯,:Exit,指示，安全警示灯，机场跑道照明,显示器,字符显示器,全色大屏幕电视,纽约时代广场巨型屏幕由,1680,万个发光二极管组成,。,每个像元,30,毫米,30,毫米，由,8,个发光二极管组成，,3,个红的，,3,个绿的和,2,个蓝的。显示器尺寸,36.6,米宽,27.4,米高，有,210,万个像元,。,照明,当前,LED,的性能,/,价格比已使它有效地应用于装饰照明,(,代替霓虹灯,),、安全和美化照明,.,通用照明应用处于初级阶段。要求高光通量，目前价格仍过高,。,随着芯片价格下降、发光效率提高，必然在不久将来迅速发展。,几年前预测，,LED,技术在通用照明中的广泛应用预期将在发光效率接近,200lm/W,时出现。这个数值比荧光灯高两倍多。目前对绿色和低碳的要求增强，这个趋势可能在低一些效率时就出现。,目前白光,LED,效率,100 lm/W,价格约为,20,元,/W,和爱迪生灯泡说再见的,LED,灯泡出现了,。,电压,1,10120220240,灯座,E27/B22,颜色,白,/,红,/,绿,/,蓝,/,黄,/,紫,功率,5W,LED,57,个,寿命,60,000,小时,国家发改委,“,十一五”十大重点节能工程实施意见,2006,年,7,月,25,日,八、绿色照明工程,照明用电占全国用电量的,12%,左右。采用高效节能灯替代普通白炽灯可节电,60,80%,，节电潜力巨大。,主要内容,1,、节能照明产品生产线技术改造,2,、节能照明产品推广,3,、采用半导体（,LED,）,灯，改造大中城市交通信号灯系统。开展在景观照明中应用,LED,的示范。,2008,年北京奥运会大量应用了固体光源技术，总值接近,5,亿元。,4.4,万个,LED,组成的画卷展现了中国,5000,年文明历史,“梦幻五环”由,4.5,万个,LED,组成,盘古大观广场,LED,屏幕总面积达,3400,平方米，由,7,块,LED,屏组成，最大一块达,900,平方米,有机电致发光器件的原理,有机电致发光照明技术,历史背景,1963,年,，,Pope,首次观察到蒽单晶的电致发光现象。,1987,年,，,C.W.Tang,等人制得了第一个有实用意义的有机电致发光器件（,OLED,）。,1990,年,，剑桥的,Friend,等报导了低电压驱动的 有机聚合物电致发光器件。,1992,年,，,Heeger,等发明了柔性高分子显示器件。,1997,年,，,Forrest,等发现磷光电致发光现象，使有机电致发光器件照明成为可能。,2009,年,，,Leo,等将有机电致发光照明器件的效率提高到,100 lm/W,以上。,有机电致发光技术的优势,材料选择范围宽、可实现从红光到蓝光的全色显示,发光亮度和发光效率高,驱动电压低,(3,12V),、发光视角宽、响应速度快,超薄，重量轻，全固化的主动发光,工作温度范围宽,大面积柔性可弯曲显示,成型加工相对简便，可进行大规模生产,有机电致发光器件,显示器件,超大超薄超轻可卷曲显示器,照明器件,白光发射的实现,器件的制备技术,与其他主要照明技术对比,无可比拟的优势,具有生理作用的健康照明,褪黑素又称褪黑激素、松果体素，有,体内的安眠药,之美称，由位于脑内的一个叫松果体的微小器官分泌，且分泌非常有规律。白天，,光照相,可以通过眼球的光能变为电能，于是由神经冲动传达到睡眠起搏器，再传达到松果体产生对褪黑素分泌的抑制作用。而夜幕来临时，,光照相,转变为,黑暗相,，又由神经冲动传达到睡眠起搏器，再传达到松果体开始分泌褪黑素。褪黑素除了能够改善睡眠，提高睡眠质量外，还具有以下几种功能：调整时差，纠正时差反应；抗衰老；通过清除自由基，抗氧化和抑制脂质的过氧化反应保护细胞构，防止,DNA,损伤，降低体内过氧化物的含量；祛斑、美白；激活机体免疫功能，有效预防肿瘤的发生；,发光材料,光源发光波长,调控黑色素分泌,健康长寿,博物馆照明,医用照明,主要内容据,A.,Zukauskas,，,M.S.,Shur,R.,Gaska,Introduction to Solid State Lighting,Wiley,New York,2002,中译本,化工出版社，北京,，,2006,To our daughters,，,Kotryna,Agne,，,Natasha,，,and,Luba,and our sons,Danius,and,Ignas,，,who will live in the era of LED lighting,你们也将生活在,固体照明时代,