LED的应用优势及存在问题

LED的应用优势及存在问题

摘要：文章对LED的优势以及其目前所面临的技术难题进行了简要的介绍、分析，并结合LED在照明设计领域内的应用提出个人的观点以供探讨。

关键词：LED；优势；技术难题；

1、前言

能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。

由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的１９％；英国布赖恩·爱德华兹在其编写的《可持续性建筑》中指出，在英国消耗的全部能源当中，大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的１５％～５０％；在我国照明用电约占全国总用电量的１２％，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为５％。从上面的数据我们可以看出，虽然因各国经济发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。

新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。ＬＥＤ，特别是白色光ＬＥＤ，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。笔者将就ＬＥＤ的性能、现状等作简要的介绍和分析。

2、ＬＥＤ的优势

正如上文所述，作为一种冷光源，ＬＥＤ具有很多传统光源所不能比拟的优势。

（1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输。
（2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
（3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明，如图1所示。
（4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上ＬＥＤ的发光效率大于２００ｌｍ/Ｗ，从而具有相当巨大的节能潜力。
（5）寿命更长，实验室寿命可达１０００００h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
（6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高，如图2所示。
（7）光源中不添加汞，有利于保护环境。
（8）ＬＥＤ发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的照明效率。比如，Ｃｈｉｐｓ　Ｃｈｉｐａｌｋａｔｔｉ在美国光电产业发展协会（ＯＩＤＡ）举办的半导体照明研讨会上发表的《ＬＥＤ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　Ｌｉｇｈｔｉｎｇ：Ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　Ｒｕｂｂｅｒ　Ｈｉｔｓ　ｔｈｅ　Ｒｏａｄ》指出：尽管１５Ｗ荧光灯的发光效能大约为６０lｍ/Ｗ，但是经过灯具的折减就变为了３５ｌｍ/Ｗ，如果再考虑照射到目标区域以外的光线，则只有３０ｌｍ/Ｗ。而半导体光源在这些环节上的折减则会少很多。
（9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。

与传统光源相比，ＬＥＤ特别是白光ＬＥＤ在一般照明领域中的优势和节能潜力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究领域以及照明产业中的热点。

继美国发起了Sｏｌｉｄ－Sｔａｔｅ　Lｉｇｈｔｉｎｇ（ＳＳＬ）　Ｒ＆Ｄ　Ｐｏｒ-ｔｆｏｌｉｏ以支持本国的ＬＥＤ研究、开发项目后，欧洲、韩国、日本也都纷纷制定了政府资助的研究计划以支持半导体照明产业的迅速发展。正是在各国政府的支持以及巨大的市场潜力引导下，各大照明企业也纷纷投入巨大的财力和研究力量，以期在这个新兴市场上获得先机。

也正是由于这种竞争，才促使半导体照明业取得了迅猛发展和突破：Ｃｒｅｅ公司开发出发光效能为７４ｌｍ/Ｗ的白色ＬＥＤ，Ｌａｍｉｎａ　Ｃｅｒａｍｉｃｓ公司也封装出额定光通为１２０lm的当前最紧凑的ＲＧＢ型ＬＥＤ光源……一系列技术上的突破向我们预示着一个新的照明时代的到来。

但是作为一个新兴的技术领域，半导体照明行业还处于一个快速发展阶段，科技进步令我们感到欣喜，但是我们还要意识到无论是技术环节还是行业的规章制度，与传统的光源相比，都还不成熟不健全。要真正实现用ＬＥＤ代替传统光源还有一段很长的路要走，还有很多技术难题需要解决。

3、ＬＥＤ技术难题

理论上ＬＥＤ的发光效能可以高达２００ｌｍ/Ｗ以上，而现有的白光ＬＥＤ则只有７０ｌｍ/Ｗ左右，与节能型荧光灯相比还有一定差距；而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势（见右上表）。

因此如何尽快把ＬＥＤ的优势真正发挥出来也就成为现在相关从业人员所必须要面对的技术难题。而要真正开拓出一个全新的半导体照明时代，我们还要从以下几个方面努力攻克技术难题以及进一步规范半导体照明市场。

3.１、ＬＥＤ芯片

芯片是ＬＥＤ的核心，它的内部量子效率的高低直接影响到ＬＥＤ的发光效能，非辐射复合率则决定着芯片产热的大小。可以说只有制造出具有良好质量的ＬＥＤ芯片，才可能有性能优越的ＬＥＤ光源。

为了能够尽量提高内部量子效率以及减少无辐射复合率，主要从两个方面来改善芯片质量，也就是选择合理的芯片结构和控制芯片的缺陷密度。

ＬＥＤ芯片的结构有单异质结构、双异质结构以及量子阱结构等，它对发光效率具有很大的影响。目前使用最为广泛且最有效率的芯片结构为多量子阱结构（Ｍｕｌｔｉ－Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｗｅｌｌ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）。

对于ＬＥＤ而言，外延片与衬底的晶格常数以及热涨系数是否匹配、外延片制备工艺等都会直接影响晶格的缺陷密度。这些缺陷可能在某些条件下，特别是对于Ⅲ－氮的发光可能有利，但是就大部分情况而言，因为这些缺陷的存在，会缩短芯片的连续工作寿命，减少载流子密度进而降低发光输出，以及可能成为无辐射复合中心。

因此如何选择合理的芯片结构，了解晶格缺陷对ＬＥＤ芯片发光的影响机理从而更好地控制不利缺陷的产生，也就成为了当前我们所必须面对的重要课题之一。

3.2、封装与散热

ＬＥＤ的封装必须要处理好：应该尽量减少光线在ＬＥＤ内部全反射，增加衬底基板反射率，从而使尽量多的光线能够透射出来，提高ＬＥＤ的外部量子效率，也就是增加ＬＥＤ的发光效能。现有技术包括衬底剥离技术（Ｌｉｆｔ－ｏｆｆ）、Ｆｌｉｐ－Ｃｈｉｐ技术等。

还应该选择新型的封装材料，以减少因为紫外线照射而引起的封装材料发黄等带来的颜色变化。

ＬＥＤ的散热问题是影响ＬＥＤ驱动电流提升的一个重要因素。根据下列公式：
ＴJ＝TA+PD（θJ-P+θP-A）=TA+PDθJ-A
其中，ＴJ——ｐ－ｎ结处的温度；
TA——环境温度；
PD——耗散功率；
θJ-P——结点与阴极插头之间的热阻；
θP-A——阴极插头与空气之间的热阻；

ＬＥＤ芯片结点处的温度TA直接影响到ＬＥＤ的寿命，因此ＬＥＤ的散热能力强弱就限制了ＬＥＤ功率的大小，以及安装使用环境的温度。

3.3、白光ＬＥＤ

如何能制备出具有高显色性、高发光效能的白光ＬＥＤ，是ＬＥＤ能够在一般照明中广泛使用的一个前提。对于白光ＬＥＤ而言，发光效能、显色性以及成本都决定着它在照明市场中的竞争力。当前制备白光ＬＥＤ的方法可以分为三种：红、绿、蓝（ＲＧＢ）多芯片组合白光技术，单芯片加荧光粉合成白光技术以及ＭＯＣＶＡ直接生长多有源区的白光ＬＥＤ技术。

几种技术相比而言，除了正在处于研究探索阶段的ＭＯＣＶＡ直接生长多有源区的白光ＬＥＤ技术外，虽然ＲＧＢ型ＬＥＤ具有发光效能高、显色性好等优点，但是三种芯片性能的不同，使得它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移，影响照明稳定性。

而对于单芯片加荧光粉合成白光技术，又分为了蓝光芯片与黄光荧光粉型ＬＥＤ和紫外线ＬＥＤ加ＲＧＢ荧光粉ＬＥＤ。蓝黄光ＬＥＤ缺失红光部分，因而有很难发出具有高显色性白光（Ｒ８５），同时还会产生Ｈａｌｏ效应（有方向性的ＬＥＤ出光和荧光粉的散射光角分布不一样）等缺陷；而紫外线ＬＥＤ加ＲＧＢ荧光粉ＬＥＤ则克服了这些不足，成为了当前性能较好的一种白光ＬＥＤ。

4、结束语

ＬＥＤ以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域。但是它也面临着上文所提出的诸多技术和制度上的障碍，使得ＬＥＤ产品的价格仍然非常的昂贵，性能容易受到外部环境条件的影响，而且由于对晶体性能的研究仍然未完全成熟，制约着ＬＥＤ的进一步推广。当然这一切都不能阻止一个全新照明时代的到来，ＬＥＤ是属于２１世纪的绿色光源。但它可能更多地属于未来，正如美国能源部２００２年编写的《Ｌｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅｓ（ＬＥＤｓ）　ｆｏｒ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ》中预期的，ＬＥＤ要到２０１２年左右才能够在照明中取代荧光灯。

在我们的照明设计过程中，我们应该以一种理性的态度去看待ＬＥＤ的应用，应该在真正了解ＬＥＤ性能前提下，根据环境的条件，合理地选择使用ＬＥＤ，才能真正创造出一个节能而优质的照明光环境。

来源：电子产品世界