科技之窗 Technology Windows中外企業(yè)家2011年第9期(下】總第381期IED燈應(yīng)用及展望宋冬靈信息工程大學(xué)理學(xué)院河南鄭州450001)摘要:LED作為新一代燈具,具有環(huán)保高效節(jié)能靈活等特點(diǎn),是未來燈具發(fā)展的方向。從LED燈的發(fā)光特點(diǎn)、應(yīng)用面臨的技術(shù)問題、LED燈與太陽能的結(jié)合幾個方面綜逑了LED燈,指出未來社會的照明應(yīng)該是LED與太陽能的結(jié)合。關(guān)鍵詞:LED;芯片;封裝;節(jié)能中圖分類號:M923文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-8772(2011)18-0123-03引言本較低,缺點(diǎn)是發(fā)光效率低,不到40m/W,且紫外線照射下材料易老化。第三種方式是藍(lán)光LED加黃色熒光粉,優(yōu)點(diǎn)是演色性發(fā)光二極管LED,英文 Light Emitting Diode。近幾年,隨著和發(fā)光效率都高,可達(dá)80mW左右,成本低缺點(diǎn)是藍(lán)光LEDLED技術(shù)的飛速發(fā)展和LED燈無可比擬的優(yōu)勢,LED燈作為繼發(fā)光波長的偏移、強(qiáng)度的改變及熒光粉涂布厚度的改變都會影白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)之后的第四代燈具在響白光的均勻度,且光譜較窄,色彩不全,色溫偏高燈光對眼睛照明領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用,小到臺燈、手電筒、各種電器上的指示不柔和不協(xié)調(diào)所以這種白光還需要改進(jìn)第三種方式目前已經(jīng)燈、信號燈等,大到室內(nèi)外照明、路燈、裝飾燈、景觀照明、演播室比較成熟且已商業(yè)化。正是第三種獲得白光LED的方式帶來了燈、汽車燈具、液晶顯示背光模組等。到2011年年初,全球高亮LED燈的飛速發(fā)展。度LED的產(chǎn)值已達(dá)106億美元。(二)LED燈的特點(diǎn)相比前三代燈具,LED燈具具有許多優(yōu)勢和特點(diǎn)LED燈的發(fā)光及特點(diǎn)LED燈是直流電源驅(qū)動,驅(qū)動電壓低,功率小耗電量少(一川LED燈的發(fā)光節(jié)能省電。由于LED的發(fā)光部件是半導(dǎo)體PN結(jié)芯片,它具有ED是利用半導(dǎo)體PN結(jié)芯片發(fā)光的。PN結(jié)由P型半導(dǎo)體單向?qū)?反向截流的特點(diǎn),所以LED燈只能用直流電源供電,和N型半導(dǎo)體組成在他們的交界面兩側(cè)深層形成PN結(jié)。PN且需要的驅(qū)動電壓很低,單珠驅(qū)動電壓為3V-34V,功率很結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給PN結(jié)加正向電壓時,P區(qū)和N區(qū)的多小。以單珠白光LED為例,小功率LED為006W,電流不能超過數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散,由于電子的遷移率比空穴的遷移率大的20mA,大功率LED現(xiàn)在常用的有1W和3W的,再大功率的需多,就出現(xiàn)了大量電子向P區(qū)擴(kuò)散構(gòu)成P區(qū)少數(shù)電子的注入。要解決散熱問題,可以用多個芯片集成得到。常用的獲得較大功這些電子與價帶上的空穴復(fù)合,復(fù)合時釋放出光子而發(fā)光。這率LED燈具的方法是將多珠LED串聯(lián)或混聯(lián),這樣就可以獲就是PN結(jié)也即LED燈的發(fā)光原理。得任意功率的IED燈具。由于這些特點(diǎn),LED燈具的耗電量非構(gòu)成PN結(jié)芯片的半導(dǎo)體材料有硅(Si)、氮(N)、磷(P)、砷常低。以一個路燈的電耗為例將高壓鈉燈、LED路燈以及太陽(As)、鋁〔Al)、鍺(G)、嫁(Ca)、鍶(Sr)、銦(ln)等元素構(gòu)成。具體能LED路燈進(jìn)行對比。若每天供電10小時,其中太陽能LED選擇何種材料則由需要的LED發(fā)光顏色決定。例如車燈系統(tǒng)中路燈為2小時加8小時太陽能供電,則三種燈具的年耗電量分常用的芯片材料有:藍(lán)色一nCaN、黃色一 AlInGaP、紅色一別為54750KW/h、21900KWh和4380KWh。LED的年耗電量僅AlGaAs不同的材料發(fā)出的光只覆蓋很小范圍的波長,所以是高壓鈉燈的40%左右,而太陽能LED路燈的年耗電量僅是高LED基本上只發(fā)出單色光,且大多在可見光區(qū)域LED燈發(fā)出壓鈉燈的8%左右。相比之下,使用后者作為路燈將大大節(jié)約電的光有紅、綠、黃、橙、藍(lán)等各種顏色?，F(xiàn)在單色LED已經(jīng)被廣泛能,節(jié)省電費(fèi)?，F(xiàn)在在我國已有大功率大規(guī)模的LED路燈和太應(yīng)用在信號燈系統(tǒng)中。陽能LED路燈系統(tǒng)投入使用。隨著LED技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)在不但有單色光LED,還出現(xiàn)了2LED燈具的發(fā)光效率高。表1是四代燈具發(fā)光效率對照白光LED。實(shí)現(xiàn)白光LED的方式主要有三種:第一種方式是利表。由表1可以看出四代燈具中LED燈的發(fā)光效率最高。LED用紅、綠藍(lán)三色LED混光產(chǎn)生白光優(yōu)點(diǎn)是紅、綠、藍(lán)三色混光燈具的發(fā)光效率理論值可達(dá)到250lm/W,而國內(nèi)現(xiàn)產(chǎn)的白光可簡單調(diào)出所要的色溫和色光,演色性高(大于90),發(fā)光效率LED燈低于100lm/W,國外的略高于100lmW,與理論值還有高(大于80mW),缺點(diǎn)是三種不同的發(fā)光源同時進(jìn)行,電源供定的差距。低功率的I燈在同筆昭明情況下可以代替高功應(yīng)設(shè)計復(fù)雜,且在某些距離有顏色不均勻現(xiàn)象第二種方式是利率的普通燈具中國煤化工100的白熾燈的亮用紫外線LED(UⅤLED)加紅綠藍(lán)熒光粉,優(yōu)點(diǎn)是演色性高,成度,30W的相CN MHGW收稿日期:201-09-02作者簡介:宋冬靈(1977-),女,河南新鄉(xiāng)人,講師,主要從事教學(xué)及科研工作123LED燈表1:各種燈具的發(fā)光效率IED雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但是也存在著許多不足和技術(shù)問題燈具種類發(fā)光效率(1m/W)有待進(jìn)一步改進(jìn)和解決,下面從幾個方面對之進(jìn)行了討論白熾5-10熒光燈40-801大功率LED技術(shù)。LED存在靜電釋放損害和熱膨脹系數(shù)鈉燈40-110等效能瓶頸和散熱問題使其功率不能做得很大,亮度低。目前LED燈60-250常用的性能比較穩(wěn)定的大功率LED芯片是1W和3W?？梢酝?注:表格來自參考文獻(xiàn)過集成芯片提高LED功率,但現(xiàn)在技術(shù)還不成熟,主要是需要3單珠LED體積小,使用壽命長,可實(shí)現(xiàn)照明智能化。LED解決散熱問題。也可以通過多珠LED的串、并聯(lián)或混聯(lián)實(shí)現(xiàn)大的體積小,封裝一般用樹脂而不是玻璃,不易損壞使用靈活方功率LED燈具。后兩種效率較低用的較少,多珠LED串聯(lián)是便。LED燈的實(shí)驗(yàn)室壽命可達(dá)1000,正常使用可達(dá)500h目前LED燈具在照明領(lǐng)域應(yīng)用的主流。但是單珠串聯(lián)有個致命以上,而且只要在額定電流范圍內(nèi)頻繁開關(guān)電源或通過挖制系弱點(diǎn),一顆損壞,整路不通。這是制約大功率LED燈具在照明領(lǐng)統(tǒng)調(diào)節(jié)電流,對LED壽命無影響。由于LED光源工作電流可以域應(yīng)用的一大瓶頸。提高LED燈具的功率,一是從芯片方面提控制所以通過電路設(shè)計,做成的燈具的亮度也是可以控制的,高功率另一是優(yōu)化電路設(shè)計提高功率?？蓪?shí)現(xiàn)燈光控制的智能化。根據(jù)以上特點(diǎn)可以把LED做成各種2散熱技術(shù)。溫度是影響LED的一個重要因素溫度升高裝飾燈、動態(tài)圖案等。對于LED路燈,根據(jù)夜間不同時間段需要會使LED的光衰減加快,而芯片結(jié)點(diǎn)處的溫度直接影響LED的路燈燈光亮度不同,可以設(shè)置為分時段調(diào)節(jié)亮度,這樣既能更的壽命,所以LED散熱能力的強(qiáng)弱限制了LED的功率大小。好地節(jié)能,又不影響其壽命,相比其它燈具,大大減少了更換率,LED內(nèi)部的熱量主要由LED芯片和印刷電路板工作時產(chǎn)生,對降低了維護(hù)成本且安裝維護(hù)簡便。于小功率LED,通過自然傳導(dǎo)對流的方式就可以把熱量散發(fā)出4顯色性高配光容易。顯色性是指光源對物體本身顏色顯去但對于大功率LED就要考慮多方面散熱。在散熱設(shè)計上,通示的程度。LED燈的顯色指數(shù)高達(dá)75%90%,非常接近自然常從LED封裝散熱、電路板散熱和增加散熱部件等方面考慮。光。在LED燈的照射下,人們可以比較容易識別物體的顏色適用導(dǎo)熱性能好的硅樹脂封裝,印刷電路板上采用導(dǎo)熱絕緣層金合在商品柜臺、醫(yī)院手術(shù)臺、美術(shù)室以及室內(nèi)照明、室外道路照屬基層等。對于大功率LED路燈解決散熱問題除了LED本身明等場所使用。LED燈的光色可人為控制,可以通過配光滿足有好的散熱結(jié)構(gòu)外,還要把路燈的外殼作為散熱的渠道將殼設(shè)不同照明領(lǐng)域的需求。計成散熱面在側(cè)上方且加散熱鰭片以利于空氣對流,或是將殼5LED燈無閃爍、無紫外線熱輻射極低,對人眼無危害。將設(shè)計成風(fēng)孔式對流散熱,風(fēng)扇輔助風(fēng)冷和毛細(xì)管水冷等散熱方LED燈用于室內(nèi)照明及工作學(xué)習(xí)場所,可保護(hù)眼睛。LED燈單式還在試驗(yàn)階段。汽車的LED前霧燈前大燈等在燈具設(shè)計時色性好,方向性強(qiáng),響應(yīng)速度快特別適合用于汽車燈具、舞臺燈增加鋁制電路板、支架等加快散熱。在LED燈具的結(jié)構(gòu)設(shè)計上,具等有人提出了在燈具中加熱管散熱器散熱。為了改善散熱效果,在6IED燈具中不含汞氙等有害氣體,廢棄物利于回收和再燈具設(shè)計上需要考慮多方面因素,如燈體散熱片的排列與布置利用,不會對環(huán)境造成污染。LED燈不需要鎮(zhèn)流器,不會產(chǎn)生電要考慮間距、方向、表面處理等,在燈具金屬外殼上涂上散熱涂磁輻射不會造成光污染,綠色環(huán)保。層等。目前LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)高功率高亮度、小尺寸的產(chǎn)總之,LED燈具有節(jié)能省電、綠色環(huán)保、靈活方便等優(yōu)點(diǎn),與品,使用的是陶瓷散熱基板作為其LED晶粒散熱的途徑。未來的節(jié)約型社會合拍,是未來最具有發(fā)展前途的燈具之一。3芯片技術(shù)和芯片封裝技術(shù)。芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是襯底二、LED燈的應(yīng)用及面臨的技術(shù)問題材料的選擇和外延片的生長技術(shù)。技術(shù)提升的關(guān)鍵都是圍繞著降低缺陷密度和如何研發(fā)出更髙效穩(wěn)定的器件進(jìn)行的,而如何(一)LED燈的應(yīng)用提升LED芯片的發(fā)光效率則是目前整體技術(shù)指標(biāo)的最重要衡由于LED燈有其它燈具無可比擬的優(yōu)點(diǎn),LED燈正以非常量標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的襯底材料有藍(lán)寶石、Si、SiC,目前比較熱門的材快的速度發(fā)展并逐漸取代其他燈具,現(xiàn)在LED燈已經(jīng)被廣泛應(yīng)料有ZnO、GaN等。制造外延片的主流方法是采用金屬有機(jī)物化用在各照明領(lǐng)域中。由于LED體積小應(yīng)用靈活,可以排列成各學(xué)氣相沉積。據(jù)2011年LED環(huán)球在線報道美國北卡羅來納州種形狀能夠用計算機(jī)程序進(jìn)行控制所以可以顯示出文字、圖大學(xué)提出了一種新的氮化鎵生長工藝,這一新工藝有望把材料像、動畫影視等靜態(tài)和動態(tài)的圖案。在2008年的北京奧運(yùn)會的缺陷減低千分之一,從而制造出更高亮度的LED發(fā)光二級管。開幕式上,IED燈就顯示了它無盡的魅力和優(yōu)勢。LED被大量單芯片封裝技術(shù)主要在于芯片的成品率、色溫控制和熒光使用在公眾顯示器中,如各種信號燈、景觀照明、廣場街道的美粉的涂布工藝等。多芯片集成封裝還要考慮散熱問題和電極分化、公共娛樂場所美化、舞臺效果照明、建筑照明等。在液晶顯布等問題。封裝材料的選擇主要考慮三個技術(shù)參數(shù)即熱導(dǎo)率示器中,LED被用作電腦、電視機(jī)和手機(jī)等顯示屏幕的背光源。熱膨脹系數(shù)和密度。通常熱導(dǎo)率高熱膨脹系數(shù)與芯片的熱膨脹在交通道路上,LED已經(jīng)用于可控節(jié)能型路燈照明、隧道燈照系數(shù)相匹配、密度低的材料是理想的封裝材料,鋁碳化硅明、立交橋照明、交通信號燈等。在汽車燈具方面現(xiàn)在許多轎(ASiC)電子封裝材料將金屬的高導(dǎo)熱性和陶瓷的低熱膨脹性車的制動燈,位置燈、轉(zhuǎn)向信號燈后霧燈倒車燈等燈具都開始結(jié)合起來同時具有這三個特性并且成本低是非常好的大功采用LED光源。隨著LED技術(shù)的不斷提高技術(shù)問題不斷得到率LED芯片封製中國煤化工技術(shù)展”上,索尼解決,大功率LED燈具的不斷出現(xiàn),LED在室內(nèi)照明、汽車燈化工與信息元州CNMHG片封裝的各向異具、演播廳、觀片燈等領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加普及性導(dǎo)電粘合劑“LEP000”,用這種粘合劑可大大提高光通量,(二)LED燈面臨的一些技術(shù)問題2011年該公司投入生產(chǎn)。1244光學(xué)設(shè)計技術(shù)。LED是點(diǎn)光源且方向性好,通過LED點(diǎn)陣種LED驅(qū)動,電感型LED驅(qū)動的驅(qū)動電流高,LED的端電壓設(shè)計、透鏡和反光裝置的設(shè)計及二次光學(xué)設(shè)計甚至三次光學(xué)設(shè)低適用于驅(qū)動多只LED的應(yīng)用。電容型LED驅(qū)動常用在大功計可以達(dá)到較理想的配光曲線,這也是光學(xué)設(shè)計的難點(diǎn)。在整體率LED燈具中,其LED的端電壓和電流高,可獲得高的功率和照明中,需要燈具有較大的照射面可以使用線性LED燈條配以發(fā)光效率。LED驅(qū)動電路的設(shè)計根據(jù)具體的需要可能會很復(fù)導(dǎo)光板等技術(shù)使之成為面光源。IED汽車信號燈可由反射鏡和雜,但是在電路設(shè)計時必需考慮電源要有高的可靠穩(wěn)定性以及配光鏡組成通過合理的設(shè)計可達(dá)到法規(guī)配光要求的光形分布。電路要有浪涌保護(hù)等多種因素。下面給出一個可以直接驅(qū)動5驅(qū)動技術(shù)。LED恒流驅(qū)動一般有電感型和開關(guān)電容型兩LED燈串LED燈光等產(chǎn)品的LED驅(qū)動電路圖,見圖1ndC2A0VACLED: 1ILED圖1LED驅(qū)動電路(注來源于電子工程專輯網(wǎng))LED燈具面臨的技術(shù)問題除了上述還有系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)等研究與管理,2009,(1)6467問題有待進(jìn)一步提高。此外,在LED行業(yè)還沒有形成統(tǒng)一的相[2]黃瑩劉崢LED技術(shù)及其在車燈系統(tǒng)中的應(yīng)用]技術(shù)導(dǎo)向,關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2009,(12):28-31三、LED燈與太陽能的結(jié)合3]照明用LED技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展現(xiàn)代顯示,2008,9458-61[4]侯駿LED燈在道路照明方面的應(yīng)用安徽建筑,008,(4)LED節(jié)能環(huán)保使用壽命長、直流驅(qū)動、可回收再利用,太陽能16l-163綠色環(huán)保無污染太陽能電池提供的電壓是直流電壓若把太陽能(5張邦偉高樓照明和裝飾用燈中外建筑200(3):149-153與LED燈結(jié)合起來使用LED燈具在應(yīng)用中就不再需要將交流電6]唐國慶從室內(nèi)照明發(fā)展趨勢論LED技術(shù)提升關(guān)鍵半導(dǎo)體變?yōu)橹绷麟?從而使使用方便簡單。而且我們的社會能源問題和環(huán)技術(shù),200,34(3):201-204境污染問題將會得到大大的改善。所以將LED與太陽能結(jié)合起來譚功偉,王恩波LED汽車燈具的設(shè)計和試驗(yàn)研究門汽車科可能是將來照明事業(yè)的必然之路現(xiàn)在這方面的應(yīng)用還很少已經(jīng)技,2009,(5):41-45有太陽能LED路燈、太陽能LED樓道燈、太陽能LED草坪燈等。{8]譚功偉發(fā)光二極管(LED)在汽車燈具上的應(yīng)用源與照小結(jié)9吳琦LED技術(shù)及應(yīng)用分析門大眾科技,2009(11):26-2LED節(jié)能環(huán)保壽命長,隨著LED技術(shù)水平的不斷提升,高010陳建林吳青呂植勇等車用LED燈線性疊加光學(xué)模型研功率、高亮度、小尺寸LED燈的不斷出現(xiàn)LED燈具在各照明領(lǐng)究武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理L程版,200,31(2293-295域的應(yīng)用必然會普及LED燈具必定會深到人們的日常室內(nèi)[胡紅麗,劉斐LED燈散熱及余熱回收系統(tǒng)中國照明電器照明、生活交通之中。LED燈具及LED與太陽能的結(jié)合,將會2009,(1)69成為未來照明領(lǐng)域的主力軍。[12]李鵬.LED燈具的熱分析與散熱設(shè)計.中國照明電器2008,(12):17-19參考文獻(xiàn):[3]文茂強(qiáng)LED技術(shù)全功率-工程師必備手冊M[劉艾廖曉惠LED燈具一未來節(jié)能燈具的發(fā)展方向能源(責(zé)任編輯陳麗敏中國煤化工CNMHG125