固態(tài)照明光源:白光LED的現(xiàn)狀和未來
下來介紹一下光源參數(shù),包括色溫、顯色性,發(fā)光效率。我參加本次會議受到很多的啟發(fā),光源的壽命以及成本大家都比較熟悉?,F(xiàn)有的這些光源,它的一些指標都列在這里,由于時間關系就不說了,大家可以看一下。
現(xiàn)在主要存在的問題:真空器件體積大,易碎,發(fā)光效率低,原因是白熾燈低溫黑體輻射,日光燈短波紫外線激發(fā)波長更長的紅綠藍熒光粉發(fā)光,能量效率低,壽命短。 我們要分析一下對光有一個基本的要求,就是要適應我們眼睛的需要,要和我們眼睛的特性要匹配,眼睛的特性實際上是太陽光照射了以后長期形成了我們眼睛的特性,也就是說,我們照的這個光,光譜的分布要盡量接近太陽光的光譜?,F(xiàn)在有兩個途徑,一個是要通過黑體輻射,一個是通過不同色光的合成?,F(xiàn)在我們用的這個燈就正好是這兩個技術其中的一種。因為我們主要介紹了半導體的白光照明,所以主要介紹一下不同色光如何來合成白光。
根據(jù)黑體輻射原理制成的白熾燈,由于色溫不可能太高,大部分能量轉變成了紅外輻射,這部分對照明沒有貢獻,使發(fā)光效率降低,不同色光合成白光有不同的合成,可以是兩種、三種或更多種色光合成白光,色種用得多的話,它的象素就高,但是流明效率降低,這與對合成白光的質量要求有關。一般來說,用RGB三種色光合成白光可同時滿足發(fā)光效率、顯色指數(shù)、色溫等要求。 由理論處理可知,若色溫為6500K,顯色指數(shù)大于90,只有當三色波長分別為455、530和610納米時,所合成的白光流明效率最高可達300lm/W。 紅綠藍半導體LED的問世為實現(xiàn)固體白光照明提供了可能性。發(fā)光二級光(LED)是一種將電能直接轉換為光能的半導體電致發(fā)光(EL)器件?,F(xiàn)在由氮化物來產生紅光還是有困難的,現(xiàn)在實驗室正在做。氮化鉀基材料與器件的優(yōu)點,具有寬的直接帶隙,A1N 6.2eV、氮化鉀3.4eV。正因為這樣,白光LED的優(yōu)點直流驅動、相應快、體積小、壽命長、全固體、結構簡單、無毒、耐候性好、理論光效率高。白光LED被認為是二十一世紀的新光源,有可能代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導,全球的照明市場約為500億美元,若白光LED真正能用于日常的照明,由于其節(jié)能燈多種突出的優(yōu)點,所以被廣泛的應用。
白光LED發(fā)展的現(xiàn)狀我們在這里簡單介紹一下。一個是白光合成途徑研究進展,白光的合成途徑大體上有三條路可以走,第一條路是紅綠藍,LED是紅綠藍合成了白光,但這種辦法主要的問題是綠光的轉換效率,現(xiàn)在紅綠藍LED墻插入效率分別達30%、10%和25%,白光流明效率可達60lm/W。通過進一步提高藍綠光LED的流明效率,則白光流明效率可達200lm/W。由于合成白光所要求的色溫和顯色指數(shù)不同,對合成白光的各色LED流明效率有不同的。第二條路是用LED+不同色光熒光粉:第一個方法是用紫外或紫光(300-400納米)LED+RGB熒光粉來合成LED,這種工作原理和日光燈是類似的,但是比日光燈性能要優(yōu)越,令紫光(400納米)LED的轉換系數(shù)可達0.8,各色熒光粉的量子轉換效率可達0.9;還有一個辦法是用藍光LED(460納米)+紅綠熒光粉,藍光LED效率60%,熒光粉效率70%;還有是藍光LED+黃(YAG)再加上紅來構成白光,目前在市場上用的就是這種。第三條路是用單芯片形成白光,只要一個芯片,然后就可以形成白光,這種技術現(xiàn)在還在做,這條路到底能否走通,現(xiàn)在還不能下結論,但是已經(jīng)有一些結果了,有兩種方式,一種是光載的,一種是光子載束的。
我們來看看這三個途徑。
第一個途徑三色LED合成白光綜合性能最好,在高顯色指數(shù)下,流明效率有可能高達200lm/W,要解決的主要技術難題是提高綠光LED的電光轉換效率,目前只有13%左右,同時成本高。
第二個途徑,LED激發(fā)熒光粉形成白光是一條綜合性能適中、成本較低、近期內可能實現(xiàn)化的途徑,尤其是藍光LED(460納米)和黃紅粉結合具競爭力,但流明效率難以達到長遠目標值,紫外LED(360納米)和技術較未成熟的紅率藍粉結合也是一條較易實現(xiàn)的。
固態(tài)白光最新進展,最新研制的藍光LED和熒光粉構成的固態(tài)白光器件:到今年為止國際上做的最好的就是碳化硅,它的流明效率可以做到75lm/W。還有是藍寶石做襯底,這個價格較便宜,流明效率可以做到每瓦61.4lm。
LED研究進展,研究目的:實現(xiàn)高效率、高功率、長壽命器件。技術難題:降低缺陷密度、改善歐姆接觸、電場均勻性、提高光引出率、降低溫升等。主要措施:側向生長、匹配襯底、封裝技術改進等。主要進展:藍光外量子效率:36-39%。
從芯片來說,襯底材料,一個是芯片外延技術,還有是LED器件的制作。現(xiàn)在這幾方面都取得了比較大的進展。在藍寶石上,因為它的襯底不匹配,所以采取了側向外延的技術,最后性能取得了比較大的改進。
在藍博士上LED的性能,盡管采取了很多措施,但還是不如在碳化硅上做的不光是藍寶石也好或者是碳化硅也好,都是不匹配的,匹配的工藝做起來難度比較大。大家看這個圖,這是在氮化鋁這個襯底上做的結果,所用襯底材料分別為AlN晶體和SiC晶體以及GaN和藍寶石,分別在其上制作多量子井紫外發(fā)光器件。
芯片研究的進展結果: 1、基于藍寶石襯底的藍、綠、紫及紫外LED目前所獲得的最佳性能是在采取側向生長等技術的基礎上取得的,目的在于減小位錯密度,藍、紫器件的外量子效率約40%,而綠、紫外器件約15%,離目標值分別相差2-6倍,基于該芯片的白光性能改進主要依賴于熒光粉和封裝技術的改進。
2、由于碳化硅上所做的器件具有更小的位錯密度,基于該襯底的各色光LED性能仍優(yōu)于上述藍寶石襯底側向生長的LED性能,但由于該襯底材料較藍寶石貴7-10倍,有關性能優(yōu)化的研究工作做的相對較少,也許還有較大的潛力可挖。但是碳化硅的價錢比較貴,買這個東西的投資太大了。
3、分別用碳化硅和氧化鋁以及GaN和藍寶石作為襯底材料所做的發(fā)光期間對比實驗表明,它們的紫外發(fā)光特性具有數(shù)量級的差別,說明基于匹配襯底所做的低缺陷密度LED有可能獲得最佳的發(fā)光性能。(包括流明效率和單管產生的數(shù)據(jù))。
熒光粉研究的情況,和芯片情況來比較說的話,不可做調整的熒光粉,黃分量子效率已提高至7%,紅色還繼續(xù)我們繼續(xù)來做。用溶膠凝膠法將厚度為2納米的二氧化硅包裹在直徑為數(shù)10納米的Zes熒光粉粒外面。
封裝技術研究進展,對功率型LED封裝的技術要求,1、盡可能實現(xiàn)良好的混色效果;2、盡可能提高光輸出效率;3、盡可能降低器件的溫度。倒封優(yōu)點--導電好,電場均勻,散熱好,有利于提高單管光功率輸出。
這一張是我們前幾天在大連開會的時候做的演示,發(fā)光效率達到100lm/W,單只LED的光通量達到100lm,可靠性2萬小時,成本是0.02元/lm在這個情況之下就可以走向市場。
各個國家都有照明發(fā)展計劃。這是美國的固體照明發(fā)展計劃,到2020年每W是200lm,和白熾燈、日光燈都有比較。 我國現(xiàn)在在大連、上海、南昌、廈門都有基地。
現(xiàn)在存在的問題:1、效率低,尚未達到和超過熒光燈的水平;2、價格高,目前難于在照明領域推廣。3、有一系列理論、技術和工藝問題亟待解決。
一個是一個Defect Density密度,還有就是剛才我們說的襯底材料,這個難度非常大,我今天沒有時間詳細說了,可以說這是國際上的一個難題,另外一個問題就是光抽取效率仍需提高,白光LED的顯色性差,目前已實用化的白光LED只有藍光LED+YAG熒光粉
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