白色LED照明系统.doc
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1、2001年第8期光机电信息白色LED与照明系统1前 言 白色发光二极管(LED)作为下一代节能照明光源已崭露头角。利用族化合物半 导体(InGaN,AlGaInP)开发了电光转换效率非常高的LED,从而使具有极高发光强度的固体光 源实用化,发光效率在10年中约提高一个数量级。预计到2010年, 蓝色、绿色LED的发光效 率将超过100lm/W。日本开发出的AlInGaP琥珀LED的外部量子效率达到了50,发光效率 达到了100lm/W。 LED具有低电压驱动、小型、重量轻、耐用、寿命长等优点。红色、绿色、蓝色LED可代替白 炽灯,并可用于显示板、交通信号灯等。另外,近几年还开发了由蓝色LED和
2、荧光体(掺铈YA G)组成的白色LED,人们对这种新的节能照明光源给予了极大关注。 本文概括介绍了以GaN类化合物半导体和荧光体为基础的白色LED光源的研发现状,并阐述了 白色LED的照明特性及其应用。 2 LED的发光强度和发光效率 2.1有色LED 发光二极管是一种将电流顺向通到半导体pn结处而发光的器件,通常采用双异质结和量子 阱结构。1962年GE(General Electric)公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED 的光通量为0.1lm/W,约是普通灯泡的1/150,其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近 ,蓝色、绿色LED已实用化,其发光强度超过AlGaA
3、s类红色LED。这种LED采用氮化物半导体( InGaN混晶)作活性(发光)层的量子阱结构,其发光强度超过10cd,量子效率超过20。此外 ,还开发了外部量子效率超过50的AlInGaP红色LED(630nm)和琥珀LED(595nm)。InGaN 绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。 坎德拉(cd)是发光强度的单位,用以表示可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量 和立体角表示。 I=d/d cd =KmV()Pd lm其中,Km为在波长555nm范围内的最大可见度(683lm/W),绿色对人眼是最亮的。V() 是在波长为时的相对可见度V(555nm)=1,P为光谱辐射通量。 图
4、1 各种LED的发光效率(lm/W)和各种光源 亮度的比较图1比较了已实用化的可见光LED及其照明光源的发光效率(lm/W)。图中实线为可见度曲线。 该曲线的30是LED可能实现的发光效率的极限值,但在AlGaAs、AlInGaN和InGaN类器件中 ,这一效率有可能提高近50。每一个LED的光通量(lm)最多为1lm2lm,在一般照明用光 源中,则有必要集成多个LED。与其他光源相比,其LED的发光效率远超过白炽灯,也有超过 荧光灯的。 2.2白色LED 白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。 在蓝色LED芯片上涂敷荧光层,涂层是由(Ya,Gd1a)3(Alb,Ga
5、1b)5O12 Ce3组成的YAG 荧光体。例如 ,炮弹型灯的制法是先将LED芯片装在导架上,粘接金线(Au),然后在灯表面 上涂敷荧光体,最后用环氧树脂将芯片周围密封。 日亚化学工业公司于1996年将其用蓝色LED和YAG荧光体作成的白色LED 产品推向实用化。现 欧美大型照明厂商对白色LED的开发十分活跃,并制定了21世纪的开发目标,预计2005年白 色LED的发光效率将超过50lm/W。日本通商产业省指导的“21世纪之灯”国家项目的目标值 到2010年时将达到120lm/W。 3白色LED及其原理 用表1所述的两种方式(单芯片型和多芯片型)可得到色调效果好(Ra85)的白光。一 是同时点
6、亮红色、绿色、蓝色(R.G.B)或蓝绿色和黄橙色2、3种LED;二是用辐射蓝色或紫外 LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷, 而且在温度特性或器件寿命上也存在问题,因此距实用化还有一段距离。第二种方式则用一 个器件即可,驱动电路,易于设计。有两种激励方式:即(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体 ;(2)用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组合的不同可发 射白光以外的各种颜色的光,因而可广泛应用于照明。如前所述,每一个LED的光通量(lm) 很弱,要作为照明光源必须配置多个LED。而开发LED照明用光源,则必须对
7、包括多个LED集 成器件光分布在内的装置系统进行优化设计,此外,研究人员还必须参加半导体发光器件和 照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问世。然而,现在单芯片型I nGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅处于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex 公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究,但难以实现一样的混 色,故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色LED,现实验室水平的发光效率已超 过40lm/W,近几年内可望超过100lm/W。 4白色LED的特性及其在照明统中的应用作为荧光体激励光源的多量子阱(MQ
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