LED技术推广的必要性
凌??峰
(江苏海事职业技术学院,南京??210001)
摘要:随着LED??lightemittingdiode(发光二极管)技术的不断提高,其用途越来越广泛,现在用于一般家庭的照明已经成为可能,如果每个家庭都用它的话,那么就可以节约大量的能源,也可以使照明灯具的使用寿命大大提高,因此加快推广LED技术就显得非常重要了。
关键词:LED技术;推广;必要性
1??LED的结构及发光原理
1)50年前人们已经了解半导体材料可产生光线的基本知识,第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
2)LED结构发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压,少数载流子难以注入,故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管,通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压),电流从LED阳极流向阴极时,半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线,光的强弱与电流有关。
2??LED光源的特点
1)电压:LED使用低压电源,供电电压在6-24V之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所。
2)效能:消耗能量较同光效的白炽灯减少80%
3)适用性:很小,每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境
4)稳定性:10万小时,光衰为初始的50%
5)响应时间:其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级
6)对环境污染:无有害金属汞
7)颜色:改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED,随着电流的增加,可以依次变为橙色,黄色,最后为绿色
8)价格:LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当,而通常每组信号灯需由上300~500只二极管构成。
3??单色光LED的种类及其发展历史
最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP,发红光(??p=650nm),在驱动电流为20毫安时,光通量只有千分之几个流明,相应的发光效率约0??1流明/瓦。70年代中期,引入元素In和N,使LED产生绿光(??p=555nm),黄光(??p=590nm)和橙光(??p=610nm),光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初,出现了GaAlAs的LED光源,使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初,发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功,使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年,前者做成的LED在红、橙区(??p=615nm)的光效达到100流明/瓦,而后者制成的LED在绿色区域(??p=530nm)的光效可以达到50流明/瓦。
4??单色光LED的应用
最初LED用作仪器仪表的指示光源,后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用,产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例,在美国本来是采用长寿命,低光效的140瓦白炽灯作为光源,它产生2000流明的白光。经红色滤光片后,光损失90%,只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中,Lumileds公司采用了18个红色LED光源,包括电路损失在内,共耗电14瓦,即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年,我国开始在汽车上安装高位刹车灯,由于LED响应速度快(纳秒级),可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况,减少汽车追尾事故的发生。另外,LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏,匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。
5??白光LED的开发
对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石(YAG)封装在一起做成。GaN芯片发蓝光(??p=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色光发射,峰值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,约200-500nm。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,可以得到白光。现在,对于InGaN/YAG白色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3500-10000K的各色白光。目前已商品化的第一种产品为蓝光单晶片加上YAG黄色荧光粉,其最好的发光效率约为25流明/瓦,;第二种是以ZnSe为材料的白光LED,不过发光效率较差。某些种类的白色LED光源离不开四种荧光粉: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R??G??B三颜色荧光粉,用于封装LED白光,预计三波长白光LED今年有商品化的机会。但此处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。
6??LED技术推广的意义
导体发光二极管(LED)作为第三代半导体照明光源。这种产品具有很多梦幻般优点:
1)光效率高:光谱几乎全部集中于可见光频率,效率可以达到80%-90%。而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。
2)光线质量高:由于光谱中没有紫外线和红外线,故没有热量,没有辐射,属于典型的绿色照明光源。
3)能耗小:单体功率一般在0??05-1w,通过集群方式可以量体裁衣地满足不同的需要,浪费很少。以其作为光源,在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8-10。
4)寿命长:光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时。一个半导体灯正常情况下可以使用50年,即使长命百岁的人,一生最多也就用2只灯。
5)可靠耐用:没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件,非正常报废率很小,维护费用极为低廉。
6)应用灵活:体积小,可以平面封装,易开发成轻薄短小的产品,做成点、线、面各种形式的具体应用产品。
7)安全:单位工作电压大致在1??5-5v之间,工作电流在20-70mA之间。
8)绿色环保:废弃物可回收,没有污染,不像荧光灯一样含有汞成分。
9)响应时间短:适应频繁开关以及高频运作的场合。
10)节能,LED灯具电光转换率高,LED日光管比传统日光管省电75%-80%。寿命长,采用LED发光二极管为光源寿命长达6万小时,是传统日光灯管寿命的10倍。没有叠影,不会产生眩晕,LED日光灯管PC壳经过特殊处理和LED光源的特殊排列方式从根本上解决了这两大问题。
近年来,由于LED市场不断扩大,国际高亮度LED市场从1995年起每年以58??5%%的平均速度高速增长,行业进入了迅速发展的阶段。很多照明业巨头瞄准了巨大的市场潜力,纷纷改变经营策略,向LED领域迈进,一时间,市场上出现群雄逐鹿的局面。
7??存在的问题
1)目前LED技术仍然不太成熟,推广到普通照明领域尚需时日。目前问题集中在以下几个方面:首先就是要解决大功率LED散热的问题。LED由于发光的同时还产生大量的热,如不及时将热量驱散,芯片将迅速老化烧毁。目前大功率LED被广泛应用,但由于其通过的电流较以往的小功率LED大得多,所带来的散热问题就更为严重。目前已经有很多厂家和科研机构致力于这一技术的研究,并取得了一定的效果,但是仍处于实验阶段,还没有广泛地运用于产品中。因此如果能够突破这一瓶颈,将为LED产业化发展开辟道路。
2)光通量的问题。LED的光效与高强度气体放电灯相比仍有较大差距,如果采用LED作为照明光源,必须具有更高的能量转换效率,目前世界各国虽然已经着手研究LED发光效率,但是没有取得预期效果。
3)LED发出的光与自然光相比仍有一定的差距,自然光具有非常强的黄色光谱成分,给人一种温暖的感觉;而白光LED发出的白光带有较多的蓝光成分,在这种光的照明下,人们的视觉不很自然。就产品的可靠性而言,由于照明灯具需由多个LED单体组成,其参数离散性是一个重要的技术问题,除了通过预选、分类尽量保证一致性以外,还必须设计合理的灯具结构(包括LED单体的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路,防止偶然产生的能量集中而烧毁部分LED。
4)由于种种技术的限制,使得LED市场鱼龙混杂,无序竞争和低劣LED产品充斥着市场。质量不稳定造成消费者对LED失去信心,影响到整个行业的发展,这也是目前LED企业普遍面临的一个难题。据一家生产LED照明产品的企业负责人透露,近两三年不少客户反映LED价格昂贵,寿命却很短。有些客户高价买回去的LED产品,连几千小时也撑不到。而与此相应的是,目前LED市场充斥着众多生产低质产品的中小企业,行业格局仍未稳定。业界人士表示,由于LED照明属于新兴行业,竞争程度远远称不上白热化,市场上存在的大量企业,规模都很小,抗风险能力差。
5)目前LED产品标准缺席也放纵了一些不负责的厂商,这就引发了多米诺效应:由于各中小企业LED照明灯具的技术参数往往自行其是,这令维护更换灯具的费用庞大,LED节省费用一说更无从谈起。比如说,采用LED照明的路灯坏了,但提供这些灯具的原本的供应商却已经杳如黄鹤,这意味着作为市政工程业主无法找到新的灯具来更换,因为别的厂商的LED灯具接口很可能不一样。以上种种现象导致了消费者对LED产品不认可。因此,针对目前LED市场价格乱、竞争乱、产品质量较差的问题,一方面企业要加强自律,保证LED产品质量;另一方面是迫切需要行业管理规范LED市场,同时政府也应该适当投入经费,鼓励企业加强科研,进行技术创新。只有政府和企业的共同努力,才能促进市场规范和行业的发展。
8??结论
尽管LED技术目前还有一些瓶颈问题没有很好的解决,但必须看到资源越来越少,要求我们尽快克服困难,加快LED产品的研制,更好地节约宝贵的能源,认识LED技术推广的紧迫性。