白光LED的发展及其特点.doc

西安邮电学院
电子工程学院光电子技术系
科研训练报告

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白光LED的发展及其特点
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白光LED的发展及其特点
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摘要
高亮度白光LED已吸引了来自工业界和学术界了很多的关注，其疗效高，驱动简单，环保，寿命长。它成为可能的应用，以取代白炽灯泡，卤素灯泡，甚至紧凑型荧光灯泡，住宅，工业和商业照明。
关键词：白光LED；LED发光原理；绿色照明；未来前景
Development and characteristics of white LED
Author: Nini Bian (0803 class, Electrical Science & Technology Major, Dept. of Optoelectronic Technology, Electronic Engineering Institute of XUPT)
Instructor: Dong-dong Li (Dept. of Optoelectronic Technology, Electronic Engineering Institute of XUPT, Lecturer)
Abstract
High brightness white LED has attracted a lot of attention from both industry and academia for its high efficacy, simple to drive, environmentally friendly, and long lifespan. It becomes possible applications to replace the incandescent bulbs, halogen bulbs, and even compact fluorescent light bulbs in residential, industry and commercial lighting.
Index Terms -White LED; LED light principle; green lighting; future prospects
1引言
白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比，LED具有体积小(多颗、多种组合)、发热量低(没有热幅射)、耗电量小(低电压、低电流起动)、寿命长(1万小时以上)、反应速度快(可在高频操作)、环保(耐震、耐冲击不易破、废弃物可回收，没有污染)、可平面封装易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯泡高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞污染的问题等缺点，是被业界看好，在未来几年内，成为替代传统照明器具的一大潜力商品
2白光LED的发展及原理
LED技术在最近几年发展迅速，性价比不断提高，加上能源短缺问题的日益突出，白光LED以其高效、环保的优点正在逐步取代传统光源，使LED的应用领域跨足至高效率照明光源市场。白光LED的发展历程如图2.1所示。

图2.1白光LED的发展历程
目前已商品化的圆头柱状白光LED大多是利用色互补关系产生仿真白光，结合了蓝光与黄光之间的色差，加上模拟光容易使人产生一种不协调感，此外无法获得高演色性(Ra>90)，且大电流时会有色度偏差等问题。这些都是白光LED今后发展仍需努力的方向。
可见光光谱的波长范围为380～760nm，是人眼可感受到的七色光(红、橙、黄、绿、青、蓝、紫)，但这7种颜色的光都各自是一种单色光。例如，LED发出的红光的峰值波长为565nm。在可见光的光谱中是没有白色光的，因为白光不是单色光，而是由多种单色光合成的复合光。正如太阳光是由7种单色光合成的白光，而彩色电视机中的白光也是由三基色黄、绿、蓝合成的。由此可见，要使LED发出白光，它的光谱特性应包括整个可见光的光谱范围。但要制造这种性能的白光LED，在目前的工艺条件下是不可能的。根据人们对可见光的研究，人眼睛所能看见的白光至少需两种光的混合，即二波长光(蓝光+黄光)或三波长光(蓝光+绿光+红光)的混合模式[11]。用上述两种模式复合的的白光都需要蓝光，所以摄取蓝光已成为制造白光LED的关键技术，即当前各大LED制造公司追逐的“蓝光技术”。目前国际上掌握“蓝光技术”的厂商仅有少数几家，所以，白光LED的推广应用，尤其是大功率白光LED在我国的推广还有一个过程。
在1998年白光LED的光效只有5 lm／W，到了1999年已达到15 lm／W，这一指标与一般家用白炽灯相近。而在2000年时白光LED的光效已达25 lm／W，这一指标与卤钨灯相近。预计到2015年时，白光LED的光效可达到150～200 lm／W，其工作电流可达安培级。
普通照明用的白炽灯和卤钨灯虽价格低，但光效也低(灯的热效应白白耗电)，寿命短维护工作量大。若用白光LED照明，不仅光效高，而且寿命长(连续工作时间达10000h以上)，几乎无需维护[12]。将来，白光LED对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年白光LED开发成功，这种白光LED是通过将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成的。GaN芯片发蓝光(λp=465nm，Wd=30nm)，高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄光，峰值波长为550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层(200～500nm)。蓝光LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，便可以得到白光[13]。现在，对于InGaN-YAG白光LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温为3500～10000K的各种白光。白光LED的结构如图2.2所示。图2.3所示为白光LED和普通白炽灯的发光光谱，表1.1列出了目前白光LED的种类及其发光原理。

图2.2白光LED的结构示意图

图2.3白光LED和普通白炽灯的发光光谱

表2.1白光LED的种类及其发光原理
芯片数
激发源
发光材料
发光原理
1
蓝光LED
InGaN/YAG
InGaN的蓝光与YAG的黄光混合成白光
蓝光LED
InGaN/荧光粉
InGaN的蓝光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发光
蓝光LED
ZnSe
由薄膜层发出的蓝光和在基板上激发出的黄光混合成白光
紫外LED
InGaN/荧光粉
InGaN的外光激发红、绿、蓝三基色荧光粉发白光
2
蓝光LED
InGaN、GaP
将具有补色关系的两种芯片封装在一起构成白光LED
黄绿光LED
3
蓝光LED
InGaN
AllnGaP
将三原色的3种小片封装在一起构成白光LED
蓝光LED
红光LED
多个
多种光色的LED
InGaN、GaP、AllnGaP
将遍布可见光区的多种色光芯片封装在一起构成白光LED
从表2.1中可以看出，某些种类的白光LED光源离不开4种荧光粉，即三基色稀土红、绿、蓝粉和石榴石结构的黄色粉。在未来较被看好的是三波长光，即以无机紫外光晶片加红绿、蓝三基色荧光粉，但此三基色荧光粉的粒度要求比较小，稳定性要求也高，具体应用方面还在探索之中。
3白光LED的特点及应用
白光LED是最被看好的LED新兴产品，其在照明市场的发展潜力值得期待。与白炽灯及荧光灯相比，白光LED具有体积小(多只、多种组合)、发热量低(没有热辐射)、耗电量小(低电压、小电流启动)、寿命长(10000h以上)、反应速度快(可以高频操作)、环保(耐震、耐冲击，不易破，废弃物可回收，没有污染)、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，没有白炽灯高耗电、易碎及日光灯废弃物含汞等缺点。白光LED与现行照明设备的比较见表3.1白光LED是被业界看好的在未来10年内成为替代传统照明器具的一大潜力产品。

表3.1白光LED与现行照明设备的比较
照明方式
特点
白光LED
发热量低、耗电量小（白炽灯的1/8，荧光灯的1/2）、寿命长（数万小时以上，是荧光灯的10倍）、反应速度快、体积小、可平面封装等，易开发成薄、短、小的产品
荧光灯
省电、但废弃物有汞污染、易碎等问题
白纸钨丝灯
低效率、高耗电、短寿命、易碎
目前白光LED仍处于发展阶段，在使用寿命上仍待改进，但基本上没有自炽灯、荧光灯的缺点，价格过高是其未能普及的主要原因。
尽管半导体照明取代节能灯、走进千家万户可能还需5年、10年甚至更长的时间，但它早已和人们的生活密不可分。小到手机、电脑，大到汽车、城市夜景工程，LED无不显示出其独特的魅力。
据了解，目前我国在显示屏、交通信号、军用、防爆等领域已有大量的中低档LED产品在市场销售，并已形成一定的应用开发技术。如采用具有国内自主知识产权的导光技术，已开发出城市景观应用产品、交通指示灯、车用导光仪表等。迄今为止，LED已在多个领域大显身手：
景观照明市场：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等，主要用于重要建筑、街道、商业中心、名胜古迹、桥梁、社区、庭院、草坪、家居、休闲娱乐场所的装饰照明，以及集装饰与广告为一体的商业照明。
汽车市场：车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内的仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等。
背光源市场：LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪表盘等众多领域。
交通灯市场：由于红、黄、绿光LED有亮度高、寿命长、省电等优点，在交通信号灯市场的需求大幅增加。厦门市自2000年采用第一座LED交通信号灯后，如今全市100多座交通信号灯已有近70％更换为LED。上海市则明文规定，新上的交通信号灯一律采用LED。
户外大屏幕显示：由于高亮度LED能产生红、绿、蓝三原色的光，LED全彩色大屏幕显示屏在金融、证券、交通、机场、邮电等领域备受青睐。近两年，全彩色LED户外显示屏已代替传统的灯箱、霓虹灯、磁翻板等而成为主流，尤其是在全球各大型体育场馆几乎已成为标准配备。
特殊工作照明和军事运用：由于LED光源具有抗震性、耐候性、密封性好，以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外作业、矿山、军事行动等特殊工作场所或恶劣工作环境之中。
其他应用：LED还可用于玩具、礼品、手电筒、圣诞灯等轻工产品之中。作为全球轻工产品的重要生产基地，我国对LED有着巨大的市场需求。
未来白光LED的应用市场将非常广阔，不过最被看好的市场以及大的市场还是通用照明市场。
若白光LED以1流明／个为单位，则每单位降到l元时将进入一般家庭的户外照明市场，降到0.5元时可望进入室内照明、走廊照明等市场，降到0.25元时将开始置换荧光灯。从发光效率看，一旦达到60lm／W(相当于20W的荧光灯)，白光LED将迅速普及。在未来几年中，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。
4白光LED的特性参数
从目前白光LED产品的机理和结构来看，以下为用来衡量白光LED优劣的特性参数。
4.1白光LED的电流／电压参数(正、反向)
白光LED具有典型的PN结伏安特性，通过的电流直接影响白光LED的发光亮度和PN串并联方式组合在一起，相关的各个白光LED的特性必须匹配，在交流工作状态下还必须考虑其反向电特性。因此，必须测试它们在工作点上的正向电流和正向压降，以及反向漏电流和反向击穿电压等参数[14]。
4.2白光LED的光通量和辐射通量
白光LED在单位时间内发射的总电磁能量称为辐射通量，也就是光功率(W)。对于照明用白光LED光源，更关心的是照明的视觉效果，即光源发射的辐射通量中能引起人眼感知的那部分量，称之为光通量。辐射通量与器件的电功率之比表示白光LED的辐射效率。
4.3白光LED的光强分布曲线
光强分布曲线用于表示LED发出的光在空间各方向的分布状态。在照明应用中，计算工作面的照度均匀性和LED的空间布置时，光强分布是最基本的数据。对于空间光束为旋转对称型分布的LED，用一个过光束轴平面的曲线表示即可；对光束为椭圆形分布的LED，则用过光束轴及椭圆形长短轴的两个垂直平面上的曲线来表示；对于非对称的复杂图形，一般用过光束轴的6个以上截面的平面曲线来表示。
4.4白光LED的光谱功率分布
白光LED的光谱功率分布表示了辐射功率随波长变化的函数，它既确定了发光的颜色，也确定了它的光通量以及显色指数。通常相对光谱功率分布用文S(λ)表示，光谱功率沿峰值两边下降到其值的50%时，所对应的两个波长之差(Δλ=λ2-λ1)即为光谱带[21]。
4.5白光LED的色品坐标
对于三原色红(R)、绿(G)、蓝(B)，x=R/(R+G+B),y=G/(R+G+B),z=(R+G+B)。由于x+y+z=1，所以只需给出x和y的值，就能唯一确定一种颜色，这就是通常所说的色度图。若以若以x、y作为平面坐标系，用比色实验法测出自然界中各种色彩的x、y值，并将其绘在该坐标平面内，便可得到色度图。该色度图边沿舌形曲线上的任一点都代表某一波长光的色调，而曲线内的任一点均表示人眼能看到的某一种混合光的颜色。其中，白光区域的特征点A.、B、C、D、E的色坐标值的色温度值见表4.1。
表4.1 特征对点对应的色坐标值和色温
光源点
x坐标
y坐标
色温(K)
A
0.4476
0.4074
2854
B
0.3484
0.3516
4800
C
0.3101
0.3162
6800
D
0.313
0.329
6500
E
0.3333
0.3333
5500
4.6白光LED的色温和显色指数
对于白光LED等发光颜色基本为白光的光源，用色品坐标可以准确地表达该光源的表观颜色，但具体的数值很难与习惯的光色感觉联系在一起。人们经常将光色偏橙红的称为“暖色”，比较炽白或稍偏蓝的称为“冷色”，因此，用色温来表示光源的光色会更加直观。
4.7白光LED的热性能
照明用LED发光效率和功率的提高是当前LED产业发展的关键问题之一。与此同时，LED的PN结温度及壳体散热问题显得尤为重要，一般用热阻、壳体温度、结温等参数表示。
4.8白光LED的辐射安全
目前，国际电工委员会(IEC)将LED产品等同于半导体激光器的要求进行辐射安全测试和论证。因LED是窄光束、高亮度的发光器件，考虑到其辐射可能对人眼视网膜的危害，对于不同场合应用的LED，国际标准规定了其有效辐射的限值要求和测试方法。目前在欧盟和美国，照明LED产品的辐射安全作为一项强制性的安全要求来执行[31]。
4.9白光LED的可靠性和寿命
可靠性指标用于衡量LED在各种环境中正常工作的能力，寿命是评价LED产品可用周期的质量指标，通常用有效寿命或终了寿命表示。在照明应用中，有效寿命是指LED在额定功率条件下，光通量衰减到初始值的百分比(规定数值)时所持续的时间。
(1)平均寿命：一批LED同时点亮，当经过一段时间后，不亮LED的比例达到50％时所用的时间。(2)经济寿命：在同时考虑LED损坏以及光输出衰减的状况下，其综合输出减至某特定比例的时间，此比例用于室外光源时为70％，用于室内光源时为80％。
5结论
白光LED将会引发的未来照明领域的革命，半导体照明将迅速成为人类照明的主要方式，21世纪的夜空必将被发光芯片照得通彻明亮。
参考文献
[1]王华，照明领域的第三次革命——大功率LED照明；
[2]周志敏，纪爱华编著，《LED 照明与工程设计》，北京：人民邮电出版社2008；
[3]毛兴武等编著，《新一代绿色光源LED及其应用技术》，北京市：人民邮电出版社2008；