LED應(yīng)用優(yōu)勢及存在問題

1、前言

能源危機、溫室效應(yīng)以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化時刻提醒著人們，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。

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middot;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）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)展對于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用，因為它可以降低電能消耗增長速度，進而減少新增電網(wǎng)容量的費用，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全新的技術(shù)領(lǐng)域，并為照明節(jié)能設(shè)計提供了更多的選擇。筆者將就ＬＥＤ的性能、現(xiàn)狀等作簡要的介紹和分析。

2、ＬＥＤ的優(yōu)勢

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。
（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，便于運輸。
（2）燈源單元較小，使得布燈更為靈活，而且能夠更好地實現(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照明，如圖1所示。
（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，實驗室壽命可達１０００００h，且光源可以頻繁地亮滅，而不會影響其壽命，并且啟動速度非常快。
（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，如圖2所示。
（7）光源中不添加汞，有利于保護環(huán)境。
（8）ＬＥＤ發(fā)光具有很強的方向性，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（ＯＩＤＡ）舉辦的半導(dǎo)體照明研討會上發(fā)表的《ＬＥＤＳｙｓｔｅｍｓｆｏｒＬｉｇｈｔｉｎｇ：ＷｈｅｒｅｔｈｅＲｕｂｂｅｒＨｉｔｓｔｈｅＲｏａｄ》指出：盡管１５Ｗ熒光燈的發(fā)光效能大約為６０l(fā)ｍ/Ｗ，但是經(jīng)過燈具的折減就變?yōu)榱耍常担欤?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)上的折減則會少很多。
（9）使用低壓直流電，具有負載小、干擾弱的優(yōu)點。
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。

繼美國發(fā)起了Sｏｌｉｄ－SｔａｔｅLｉｇｈｔｉｎｇ（ＳＳＬ）Ｒ＆ＤＰｏｒ-ｔｆｏｌｉｏ以支持本國的ＬＥＤ研究、開發(fā)項目后，歐洲、韓國、日本也都紛紛制定了政府資助的研究計劃以支持半導(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潛力引導(dǎo)下，各大照明企業(yè)也紛紛投入巨大的財力和研究力量，以期在這個新興市場上獲得先機。

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１２０l(fā)m的當(dāng)前最緊湊的ＲＧＢ型ＬＥＤ光源……一系列技術(shù)上的突破向我們預(yù)示著一個新的照明時代的到來。

但是作為一個新興的技術(shù)領(lǐng)域，半導(dǎo)體照明行業(yè)還處于一個快速發(fā)展階段，科技進步令我們感到欣喜，但是我們還要意識到無論是技術(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。

3、ＬＥＤ技術(shù)難題

理論上ＬＥＤ的發(fā)光效能可以高達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；而且其價格與傳統(tǒng)光源相比也有很大的劣勢。

因此如何盡快把ＬＥＤ的優(yōu)勢真正發(fā)揮出來也就成為現(xiàn)在相關(guān)從業(yè)人員所必須要面對的技術(shù)難題。而要真正開拓出一個全新的半導(dǎo)體照明時代，我們還要從以下幾個方面努力攻克技術(shù)難題以及進一步規(guī)范半導(dǎo)體照明市場。

3.１、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?？梢哉f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，特別是對于Ⅲ－氮的發(fā)光可能有利，但是就大部分情況而言，因為這些缺陷的存在，會縮短芯片的連續(xù)工作壽命，減少載流子密度進而降低發(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ＬＥＤ芯片發(fā)光的影響機理從而更好地控制不利缺陷的產(chǎn)生，也就成為了當(dāng)前我們所必須面對的重要課題之一

3.2、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。現(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，以減少因為紫外線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)動電流提升的一個重要因素。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)點與陰極插頭之間的熱阻；
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