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摘 要:近年来我国半导体照明产业发展迅猛,从LED 在舞台的应用中便可见一斑.文章介绍了LED 照明技术的发光原理,考察、研究了LED 照明技术的发展及当今的LED 设计,论述了LED 照明产业及其广阔发展前景.
关键词:LED ;LED 照明;LED 设计;光源;情景照明;情调照明;智能照明;功能性照明
中图分类号:TN312 文献标识码:A 文章编号:1009-2374(2012)14-0039-03
央视2012龙年春晚上,LED(发光二极管)灯光的华丽亮相给人们留下深刻记忆.令人惊艳的不仅仅是舞台上的呈现,更为重要的是我国半导体照明产业发展迅猛.据统计,2011年,我国半导体照明产业规模已达1560亿元,年增长率为30%,相关企业约5000家,是全球这一领域发展最快的地区.
1. LED :第四代照明光源
L E D 即发光二极管( L i g h t E m i t t i n gDiode),是一种半导体固体发光器件.它是利用固体半导体芯片作为发光材料,在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射,直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光.LED被称为第四代照明光源或绿色光源,具有节能、环保、寿命长、体积小等特点,可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域.
火开始了人类照明领域的第一次革命,发明家爱迪生发明的白炽灯被公认为第二次照明领域的革命,而被称之为LED的半导体照明,无疑将引领人类照明领域第三次革命.在19世之前,人类实现照明的方式非常简单,那就是直接借助各种火源的直射光,例如蜡烛、油灯等.这些发光设备在人类的历史长河中点燃了漫漫黑夜,人类伴随它们度过了漫长岁月,但因极低的发光效率和发光质量,尘封在历史的博物馆.1879年10月21日,在美国新泽西州的一间实验室里,爱迪生把很细的碳化纤维丝封在一个玻璃泡里面,利用真空泵把玻璃泡里的空气抽走,再稳定地供给电压,使灯丝变成一个很稳定的明亮光源,电力照明的时代从此降临.1907年Henry Joseph Round 第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象.20世纪50年代,英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世.到70年代中期,磷化镓被使用作为发光光源,随后就发出灰白绿光.到80年代早期到中期对砷化镓磷化铝的使用使得第一代高亮度的LED的诞生,先是红色,接着就是论文范文,最后为绿色.到90年代中期,出现了超亮度的氮化镓LED,随即又制造出能产生高强度的绿光和蓝光铟氮镓LED.
2. LED 的发光原理
LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电能转化为光能.LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附着在一个支架上,是负极,另一端连接电源的正极,整个晶片被环氧树脂封装起来.半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子.但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个“P-N结”.当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理,而光的波长(光的颜色),是由形成P-N结材料决定的.下面稍作详细分析:
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)GaP(磷化镓)GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其核心是PN结.因此它具有一般P-N结的I-N特性,即正向导通,反向截止、击穿特性.此外,在一定条件下,它还具有发光特性.在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区.进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子复合而发光.假设发光是在P区中发生的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光.除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中间附近)捕获,而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不能形成可见光.发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大,光量子效率越高.由于复合是在少数载流子扩散区内发光的,所以光仅在靠近PN结面数μm以内产生.理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关,即:
论文范文d 自发光材质照明:格天照明 庭院灯 景观灯 草坪灯 路灯 LED中国结 LED发光石 LED树
λ≈1240/Eg(nm)
式中Eg的单位为电子伏特(eV).若能产生可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间.比红光波长长的光为红外光.现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管,但其中蓝光二极管成本、论文范文很高,使用不普遍.
3. LED 设计理念
LED的出现打破了传统光源的设计方法与思路,目前有两种最新的设计理念.
情景照明:2008年由飞利浦提出的情景照明,以环境的需求来设计灯具.情景照明以场所为出发点,旨在营造一种漂亮、绚丽的光照环境,去烘托场景效果,使人感觉到有场景氛围.
情调照明:是以人的需求来设计灯具.情调照明是以人情感为出发点,从人的角度去创造一种意境般的光照环境.情调照明与情景照明有所不同,情调照明是动态的,可以满足人的精神需求的照明方式,使人感到有情调;而情景照明是静态的,它只能强调场景光照的需求,而不能表达人的情绪,从某种意义上说,情调照明涵盖情景照明.情调照明包含四个方面:一是环保节能,二是健康,三是智能化,四是人性化.
当前LED室内照明产品的形态和功能没有跳出传统照明产品的思维和模式.产品单一,仍以替代白炽灯的球泡灯和替代荧光灯的LED管灯为主.LED有别于传统光源,有着体积小、响应快等特点,但也有光谱组成不连续,单个光源光通量不高等特点.在室内照明设计中,LED与传统光源应该是相互补充,优势互补,而不是相互替代、谁革谁的命的关系.所以,LED的“内在”特点品质决定外在“形态”,不应当是传统光源的替代形式.LED室内照明将凸显三大特色:
3.1 智能化照明控制
利用智能化控制可以根据环境变化、客观要求、用户预定需求等条件而自动采集照明系统中的各种信息,并对所采集的信息进行相应的逻辑分析、推理、判断,并对分析结果按要求的形式存储、显示、传输,进行相应的工作状态的信息反馈、控制,以达到预期的效果.LED的控制灵活、响应快、结构小巧等特点与智能化控制系统的有力结合体现出LED的特点.
3.2 丰富多彩的功能性照明
人们对照明环境的要求和从事的活动密切相关,照明要满足人们不同视觉功能的需要.例如,在家居生活中,聚会时需要明亮的灯光;在欣赏古典音乐或轻音乐时,需要柔和的灯光.自然光从早晨、中午、傍晚不同色温,对人们的生理、心理有很大的影响.
3.3 建筑一体化的照明方式
照明产品与建筑材料融为一体,使得建筑物的一部分变为照明灯具的一部分.建筑一体化的照明方式是在建筑物的里面采用埋入、嵌入等方式隐藏安装上光源或照明灯具,充分利用建筑物的表面反射或透射,展示建筑物的形态、颜色等.这种方式不但隐藏各种照明管线或设备管道,而且可使建筑照明成为整个室内设计装修的有机组成部分,达到室内空间完整统一的效果.
4. LED 照明技术现状和广阔发展前景
4.1 发光效率不断提高和产品质量稳步提升目前发光效率正以年均15%的速度稳步提高,有望达到并超过200lm/W,估计达到200lm/W的白色LED将于近两三年面世.以整体LED照明市场来看,虽2011年渗透率仅6.6%,但未来成长潜力大.各国于LED照明发展纷纷推出相关政策及优惠措施,其中,2015年日本计划LED占一般照明市场将达50%、南韩为30%、中国大陆为20%,为达上述2015年目标,在此之前数年将先达阶段性任务;另外,LED本身技术不断进展,以美国DOE所订定目标来看,2014年白光LED组件发光效率将达200lm/W,且论文范文将降至约$2/klm,而厂商技术进程将超越上述数值.
4.2 制造成本的降低和销售论文范文的下调
LED的论文范文将以年均30%或更高的速度下降.届时,LED照明走进千家万户也将水到渠成.随着LED芯片技术的提升,LED发光效率提高后,单颗LED芯片所需的成本不断下降.同时,上游投资带动的大规模产能释放,引发较强的市场竞争也将带动芯片论文范文下降,这有效推动LED照明产品成本的下降.主流LED照明产品成本结构中灯珠成本占比约为40%、驱动电源为30%、机械/散热材料为20%,其余成本约为10%左右.可见灯珠成本、驱动电源和机械/散热材料成本基本占总成本90%左右,是影响LED照明产品成本的主要因素.未来随着上游原材料论文范文的进一步下调,LED照明产品有望加速对传统白炽灯、节能灯照明产品的替代.
4.3 高压LED 将成为未来的一个重要方向
高压LEDs(HV LEDs)有两大优势,一是有效降低了LED照明灯具的成本和重量,二是大幅降低了对散热系统的设计要求,这将解决照明市场的最大技术障碍.它的VF高电压、IF小电流的工作条件完全颠覆了传统的低压LED(LV LED)的VF低电压、IF大电流的工作要求.LED照明灯具由于采用HV LEDs的SOP而有可能降低发热,灯具结构造型有可能更加趋向节省散热材料、大于270度发光、低成本、轻重量等.而且高压LED芯片组的高电压、小电流,与通用的低压LED的低电压、大电流的工作环境相比,HVLEDs工作时发热明显降低;HVLEDs只需要高压线性恒流源就能很好的工作,高压线性恒流电源无变压器、无电解电容器解决了低压LED的驱动电源和电解电容器的寿命问题.
4.4 COB 封装技术的日趋成熟
COB封装有三点技术优势:低成本、应用便利性和设计多样化.目前COB封装的球泡灯已经占据LED灯泡的40%左右的市场,日本及国内很多企业都开始走COB封装模式.从成本和应用角度来看,COB成为未来灯具化设计的主流方向.COB封装的LED模块在底板上安装了多枚LED芯片,使用多枚芯片不仅能够提高亮度,还有助于实现LED芯片的合理配置,降低单个LED芯片的输入电流量以确保高效率.而且这种面光源能在很大程度上扩大封装的散热面积,使热量更容易传导至外壳.在成本上,与传统COB光源模块在照明应用中可以节省器件封装成本、光引擎模组制作成本和二次配光成本.在相同功能的照明灯具系统中,总体可以降低30%左右的成本,这对于半导体照明的应用推广有着十分重大的意义.在性能上,通过合理地设计和模造微透镜,COB光源模块可以有效地避免分立光源器件组合存在的点光、眩光等弊端,还可以通过加入适当的红色芯片组合,在不降低光源效率和寿命的前提下,有效地提高光源的显色性(目前已经可以做到90以上).在应用上,COB光源模块可以使照明灯具厂的安装生产更简单和方便.在生产上,现有的工艺技术和设备完全可以支持高良品率的COB光源模块的大规模制造.随着LED照明市场的拓展,灯具需求量在快速增长,我们完全可以根据不同灯具应用的需求,逐步形成系列COB光源模块主流产品,以便大规模生产.
参考文献
[1] 2011年度盛典之2012 LED产业规划.中国半导体照明网,http://focus.china-led.net/2012yuce/yuce.shtml.
[2] 2012 年全球高亮度LED 市场产值预估101 亿美元.中国半导体行业协会.http://www.csia.net.cn/Article/ShowInfo.aspInfoID等于24364.
作者简介:张兴科(1964-),男,陕西眉县人,东营职业学院建筑与环境工程学院副教授,硕士,研究方向:LED、光伏和能源.
(责任编辑:周加转)
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