LED的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)及存在問題

一、前言

能源危機(jī)、溫室效應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化時(shí)刻提醒著人們，地球已經(jīng)疲憊不堪，改變?nèi)藗兊哪茉传@取方式以及提高能源利用率已經(jīng)成為當(dāng)前世人的共識(shí)。

由于在世界電力的使用結(jié)構(gòu)中，照明用電約占總用電量的19％；英國布賴恩•愛德華茲在其編寫的《可持續(xù)性建筑》中指出，在英國消耗的全部能源當(dāng)中，大約有一半與建筑有關(guān)，而建筑的人工照明耗能則占其建筑耗能總量的15％～50％；在我國照明用電約占全國總用電量的12％，而且我國每年的照明用電增速（保守估計(jì)）大約為5％。從上面的數(shù)據(jù)我們可以看出，雖然因各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的水平不同，照明用電所占比重也有所差別，但是照明耗能已經(jīng)成為了各國能源消費(fèi)的重要組成部分。照明節(jié)能問題也就成了各國政府及專業(yè)人員必須面對(duì)的棘手問題。

新型高效光源，特別是白色光源（適用于一般照明）的發(fā)展對(duì)于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用，因?yàn)樗梢越档碗娔芟脑鲩L速度，進(jìn)而減少新增電網(wǎng)容量的費(fèi)用，降低能源消耗以及減少向大氣中排放的溫室氣體及其他污染物。LED，特別是白色光LED，因其與傳統(tǒng)光源相比所具有的理論以及現(xiàn)實(shí)的優(yōu)越性，受到廣大專業(yè)人士的青睞。它的出現(xiàn)也為照明界開拓出了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域，并為照明節(jié)能設(shè)計(jì)提供了更多的選擇。

二、LED的優(yōu)勢(shì)

正如上文所述，作為一種冷光源，LED具有很多傳統(tǒng)光源所不能比擬的優(yōu)勢(shì)。

（1）不需要充氣，不需要玻璃外殼，抗沖擊性好，抗震性好，不易破碎，便于運(yùn)輸。
（2）燈源單元較小，使得布燈更為靈活，而且能夠更好地實(shí)現(xiàn)夜景照明中“只見燈光不見光源”的效果。
（3）能夠較好地控制發(fā)光光譜組成，從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點(diǎn)照明。
（4）理論上具有與傳統(tǒng)光源相比更高的發(fā)光效率，理論上LED的發(fā)光效率大于200lm/W，從而具有相當(dāng)巨大的節(jié)能潛力。
（5）壽命更長，實(shí)驗(yàn)室壽命可達(dá)100,000h，且光源可以頻繁地亮滅，而不會(huì)影響其壽命，并且啟動(dòng)速度非常快。
（6）可以通過控制半導(dǎo)體發(fā)光層半導(dǎo)體材料的禁止帶幅的大小，從而發(fā)出各種顏色的光線，且彩度更高。
（7）光源中不添加汞，有利于保護(hù)環(huán)境。
（8）LED發(fā)光具有很強(qiáng)的方向性，從而可以更好地控制光線，提高系統(tǒng)的照明效率。比如，Chipschipalkatti在美國光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)（OIDA）舉辦的半導(dǎo)體照明研討會(huì)上發(fā)表的《LEDSystemsforLighting：WheretheRubberHitstheRoad》指出：盡管15Ｗ熒光燈的發(fā)光效能大約為60lｍ/Ｗ，但是經(jīng)過燈具的折減就變?yōu)榱?5lm/Ｗ，如果再考慮照射到目標(biāo)區(qū)域以外的光線，則只有30lm/Ｗ。而半導(dǎo)體光源在這些環(huán)節(jié)上的折減則會(huì)少很多。
（9）使用低壓直流電，具有負(fù)載小、干擾弱的優(yōu)點(diǎn)。

與傳統(tǒng)光源相比，LED特別是白光LED在一般照明領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)和節(jié)能潛力，使它日益受到政府部門及相關(guān)專業(yè)人員的關(guān)注，也成為了當(dāng)前半導(dǎo)體研究領(lǐng)域以及照明產(chǎn)業(yè)中的熱點(diǎn)。

繼美國發(fā)起了Solid-StateLighting(SSL)RDPor-tfolio以支持本國的LED研究、開發(fā)項(xiàng)目后，歐洲、韓國、日本也都紛紛制定了政府資助的研究計(jì)劃以支持半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。正是在各國政府的支持以及巨大的市場(chǎng)潛力引導(dǎo)下，各大照明企業(yè)也紛紛投入巨大的財(cái)力和研究力量，以期在這個(gè)新興市場(chǎng)上獲得先機(jī)。

也正是由于這種競爭，才促使半導(dǎo)體照明業(yè)取得了迅猛發(fā)展和突破：Cree公司開發(fā)出發(fā)光效能為74lm/Ｗ的白色LED，LaminaCeramics公司也封裝出額定光通為120lm的當(dāng)前最緊湊的RGB型LED光源等一系列技術(shù)上的突破向我們預(yù)示著一個(gè)新的照明時(shí)代的到來。

但是作為一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明行業(yè)還處于一個(gè)快速發(fā)展階段，科技進(jìn)步令我們感到欣喜，但是我們還要意識(shí)到無論是技術(shù)環(huán)節(jié)還是行業(yè)的規(guī)章制度，與傳統(tǒng)的光源相比，都還不成熟不健全。要真正實(shí)現(xiàn)用LED代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源還有一段很長的路要走，還有很多技術(shù)難題需要解決。

三、LED技術(shù)難題

理論上LED的發(fā)光效能可以高達(dá)200lm/Ｗ以上，而現(xiàn)有的白光LED則只有70lm/Ｗ左右，與節(jié)能型熒光燈相比還有一定差距；而且其價(jià)格與傳統(tǒng)光源相比也有很大的劣勢(shì)。

因此如何盡快把LED的優(yōu)勢(shì)真正發(fā)揮出來也就成為現(xiàn)在相關(guān)從業(yè)人員所必須要面對(duì)的技術(shù)難題。而要真正開拓出一個(gè)全新的半導(dǎo)體照明時(shí)代，我們還要從以下幾個(gè)方面努力攻克技術(shù)難題以及進(jìn)一步規(guī)范半導(dǎo)體照明市場(chǎng)。

1、LED芯片

芯片是LED的核心，它的內(nèi)部量子效率的高低直接影響到LED的發(fā)光效能，非輻射復(fù)合率則決定著芯片產(chǎn)熱的大小。可以說只有制造出具有良好質(zhì)量的LED芯片，才可能有性能優(yōu)越的LED光源。

為了能夠盡量提高內(nèi)部量子效率以及減少無輻射復(fù)合率，主要從兩個(gè)方面來改善芯片質(zhì)量，也就是選擇合理的芯片結(jié)構(gòu)和控制芯片的缺陷密度。

LED芯片的結(jié)構(gòu)有單異質(zhì)結(jié)構(gòu)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)以及量子阱結(jié)構(gòu)等，它對(duì)發(fā)光效率具有很大的影響。目前使用最為廣泛且最有效率的芯片結(jié)構(gòu)為多量子阱結(jié)構(gòu)（Multi-QuantumWellStructure）。

對(duì)于LED而言，外延片與襯底的晶格常數(shù)以及熱漲系數(shù)是否匹配、外延片制備工藝等都會(huì)直接影響晶格的缺陷密度。這些缺陷可能在某些條件下，特別是對(duì)于Ⅲ－氮的發(fā)光可能有利，但是就大部分情況而言，因?yàn)檫@些缺陷的存在，會(huì)縮短芯片的連續(xù)工作壽命，減少載流子密度進(jìn)而降低發(fā)光輸出，以及可能成為無輻射復(fù)合中心。

因此如何選擇合理的芯片結(jié)構(gòu)，了解晶格缺陷對(duì)LED芯片發(fā)光的影響機(jī)理從而更好地控制不利缺陷的產(chǎn)生，也就成為了當(dāng)前我們所必須面對(duì)的重要課題之一。

2、封裝與散熱

LED的封裝必須要處理好：應(yīng)該盡量減少光線在LED內(nèi)部全反射，增加襯底基板反射率，從而使盡量多的光線能夠透射出來，提高LED的外部量子效率，也就是增加LED的發(fā)光效能?，F(xiàn)有技術(shù)包括襯底剝離技術(shù)（Lift-off）、Flip-Chip技術(shù)等。

還應(yīng)該選擇新型的封裝材料，以減少因?yàn)樽贤饩€照射而引起的封裝材料發(fā)黃等帶來的顏色變化。

LED的散熱問題是影響LED驅(qū)動(dòng)電流提升的一個(gè)重要因素。根據(jù)下列公式：
ＴJ＝TA+PD（θJ-P+θP-A）=TA+PDθJ-A

其中，ＴJ——ｐ－ｎ結(jié)處的溫度；
TA——環(huán)境溫度；
PD——耗散功率；
θJ-P——結(jié)點(diǎn)與陰極插頭之間的熱阻；
θP-A——陰極插頭與空氣之間的熱阻；

LED芯片結(jié)點(diǎn)處的溫度TA直接影響到LED的壽命，因此LED的散熱能力強(qiáng)弱就限制了LED功率的大小，以及安裝使用環(huán)境的溫度。

3、白光LED

如何能制備出具有高顯色性、高發(fā)光效能的白光LED，是LED能夠在一般照明中廣泛使用的一個(gè)前提。對(duì)于白光LED而言，發(fā)光效能、顯色性以及成本都決定著它在照明市場(chǎng)中的競爭力。當(dāng)前制備白光LED的方法可以分為三種：紅、綠、藍(lán)（RGB）多芯片組合白光技術(shù)，單芯片加熒光粉合成白光技術(shù)以及MOCVA直接生長多有源區(qū)的白光LED技術(shù)。

幾種技術(shù)相比而言，除了正在處于研究探索階段的MOCVA直接生長多有源區(qū)的白光LED技術(shù)外，雖然RGB型LED具有發(fā)光效能高、顯色性好等優(yōu)點(diǎn)，但是三種芯片性能的不同，使得它們因驅(qū)動(dòng)電流或溫度等因素的影響而發(fā)生色漂移，影響照明穩(wěn)定性。

而對(duì)于單芯片加熒光粉合成白光技術(shù)，又分為了藍(lán)光芯片與黃光熒光粉型LED和紫外線LED加RGB熒光粉LED。藍(lán)黃光LED缺失紅光部分，因而有很難發(fā)出具有高顯色性白光（R85），同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生Halo效應(yīng)（有方向性的LED出光和熒光粉的散射光角分布不一樣）等缺陷；而紫外線LED加RGB熒光粉LED則克服了這些不足，成為了當(dāng)前性能較好的一種白光LED。

四、結(jié)束語

LED以其巨大的節(jié)能潛力以及良好的照明性能為我們打開了一個(gè)全新的技術(shù)領(lǐng)域。但是它也面臨著上文所提出的諸多技術(shù)和制度上的障礙，使得LED產(chǎn)品的價(jià)格仍然非常的昂貴，性能容易受到外部環(huán)境條件的影響，而且由于對(duì)晶體性能的研究仍然未完全成熟，制約著LED的進(jìn)一步推廣。當(dāng)然這一切都不能阻止一個(gè)全新照明時(shí)代的到來，LED是屬于21世紀(jì)的綠色光源。但它可能更多地屬于未來，正如美國能源部2002年編寫的《LightEmittingDiodes（LEDs）forGeneralIllumination》中預(yù)期的，LED要到2012年左右才能夠在照明中取代熒光燈。

在我們的照明設(shè)計(jì)過程中，我們應(yīng)該以一種理性的態(tài)度去看待LED的應(yīng)用，應(yīng)該在真正了解LED性能前提下，根據(jù)環(huán)境的條件，合理地選擇使用LED，才能真正創(chuàng)造出一個(gè)節(jié)能而優(yōu)質(zhì)的照明光環(huán)境。