解析兩種主流白光大功率LED制造方法的優(yōu)劣
從2012起,LED燈將成為唯一替代傳統(tǒng)燈具的照明光源,可替代的燈具包括高效熒光燈和高強(qiáng)度放電燈(HID)。然而,為了實現(xiàn)這一目標(biāo),LED行業(yè)將會面臨許多挑戰(zhàn),在美國市場調(diào)研公司(Strategies Unlimited)最新發(fā)布的報告中將對這些問題展開討論。
《LED照明燈具―市場分析和預(yù)測》針對LED照明燈具行業(yè)在普通照明市場上的市場驅(qū)動力和所面臨的挑戰(zhàn)做了一份詳細(xì)的評估。該評估對發(fā)展至2012年的9個照明市場做出了應(yīng)用分析和預(yù)測。 目前LED照明應(yīng)用主要包括一些小型市場,如出口標(biāo)志燈、建筑照明、重點照明、裝飾照明和娛樂照明,其中許多使用了紅色、綠色和藍(lán)色LED。 但是白光開始顯現(xiàn)其明顯優(yōu)勢和強(qiáng)勁潛力,白光有著巨大的市場前景。
白光LED的發(fā)展前景
白光LED燈具已開始在可選應(yīng)用領(lǐng)域中占領(lǐng)強(qiáng)有力的市場地位,比如消費者便攜式照明(如手電筒、頭燈)和太陽能景觀照明,而且,最近更多的白光LED已開始用于特定的照明應(yīng)用領(lǐng)域,如零售展示照明、商業(yè)和工業(yè)照明,以及戶外照明。
在2008年,白光LED燈具的數(shù)量在整個LED照明燈具市場中僅超過50%。白光LED燈具與傳統(tǒng)燈具相比,可提供量化的能源和成本節(jié)約,這樣將會加速白光LED照明燈具在普通照明中的應(yīng)用。
隨著LED發(fā)光效率的提升,以及成本的下降,LED將在2010年以后,逐漸切入室內(nèi)照明領(lǐng)域,以及戶外的路燈市場。LEDinside估計,到了2012年,LED照明規(guī)模可達(dá)13億美元左右,年度增長率高達(dá)33%。
性能的改善
近年來,LED技術(shù)已經(jīng)取得了引人注目的性能提升,繼而LED照明燈具的光效也得到了改善。據(jù)StrategiesUnlimited預(yù)測,在2008至2012年間,由于高性能白光LED作為商業(yè)應(yīng)用,其光效超過100lm/W,因此,白光LED燈具的市場份額將會有所增長。
進(jìn)一步改進(jìn)對LED照明燈具的設(shè)計,可以優(yōu)化LED的性能,預(yù)計這將會促進(jìn)LED照明燈具市場的發(fā)展。經(jīng)濟(jì)發(fā)展與大規(guī)模的生產(chǎn)都將會進(jìn)一步降低制造成本。下面介紹制作低色溫高顯色性大功率白光LED的方法 。
制作低色溫高顯色性大功率白光LED的方法
這里介紹用大功率藍(lán)光LED芯片作為發(fā)光源,用熒光粉轉(zhuǎn)換法和紅光LED補(bǔ)償法制備低色溫及高顯色性白光LED的方法,并從大功率器件的性能和應(yīng)用角度分析了兩種方法的優(yōu)缺點。
氮化鎵,基藍(lán)色、綠色及紫外發(fā)光二極管(LED),開辟了LED的新市場,大功率LED照明。大功率LED照明的核心在于白光大功率LED。制作白光大功率LED的方法有紅、綠、藍(lán)三基色LED合成、藍(lán)光LED+黃色熒光粉、紫外LED+三基色熒光粉以及多層有機(jī)電致發(fā)光(OLED)等??紤]到技術(shù)和成本的優(yōu)勢,目前,藍(lán)光LED芯片+熒光粉成為白光大功率LED技術(shù)的主流 。
大功率LED
通過熒光粉轉(zhuǎn)換的白光LED技術(shù),由于該熒光粉的發(fā)射光譜中缺少紅光成分,難以同時實現(xiàn)低色溫和高顯色性。但人們在日常生活中已經(jīng)習(xí)慣了低色溫(3000K左右)的照明光源,而且高顯色性光源在博物館、外科手術(shù)等特殊照明場所有其潛在的應(yīng)用前景。因此發(fā)展低色溫高顯色性白光大功率LED都有重要的意義。
采用大功率藍(lán)光LED芯片作為激發(fā)光源,分別用熒光粉轉(zhuǎn)換法和紅光LED補(bǔ)償法制備了低色溫及高顯色性白光LED,采用同一批大功率藍(lán)光LED芯片進(jìn)行實驗:采用大功率藍(lán)光LED芯片同時激發(fā)黃色熒光粉和紅色熒光粉,通過調(diào)整熒光粉中紅粉的比例,可以得到不同色溫和顯色指數(shù)的白光大功率LED。說明大功率LED的發(fā)光隨工作電流及紅色熒光粉含量的變化而變化。
用大功率藍(lán)光LED激發(fā)加黃色熒光粉,并用紅光LED進(jìn)行補(bǔ)償,調(diào)整大功率LED芯片及熒光粉的發(fā)光強(qiáng)度,結(jié)果出現(xiàn)低色溫和高顯色性白光LED。如果采用較高水平的LED芯片,實驗效果會更好。該白光LED以紅色熒光粉的發(fā)射光譜為主,光譜峰值波長610nm,色坐標(biāo)x0.4093,y0.3678。其色溫和顯色指數(shù)為3200K和83.2。調(diào)整兩種熒光粉的比例,得到不同色溫的白光LED。隨著熒光粉中紅粉含量的增加,更多的紅色熒光粉吸收大功率LED芯片產(chǎn)生的藍(lán)光后發(fā)生輻射躍遷并發(fā)出紅光,導(dǎo)致了相對光譜的紅移,同時大功率的色溫逐漸降低,而LED顯色指數(shù)升高。但是,由于所用紅色熒光粉的量子效率較低,要產(chǎn)生較多的紅光就必須吸收更多的藍(lán)光,這導(dǎo)致了器件光譜中的藍(lán)光和黃光成分減少,器件整體光輸出減少。
采用大功率藍(lán)光LED芯片激發(fā)黃色熒光粉,同時采用高亮度小功率紅光LED進(jìn)行補(bǔ)償也可制備白光LED。為使結(jié)構(gòu)更為緊湊,可以將小功率紅光LED芯片粘結(jié)在大功率LED芯片上,根據(jù)實際情況,兩者可以共用P電極或N電極。實驗中共用了1支大功率藍(lán)光LED芯片和5支小功率紅光LED芯片,在大功率藍(lán)光LED芯片上涂敷熒光粉時,應(yīng)盡量避免將熒光粉覆蓋到紅光LED芯片上,避免由于熒光粉的散射和吸收降低紅光LED的光輸出。
大功率藍(lán)光LED采用350mA直流驅(qū)動,消耗的電功率為1.15W,5支紅光LED的工作電流均為20mA,消耗的電功率之和為0.22W。其色溫和顯色指數(shù)分別為3450K和93.9,色坐標(biāo)x=0.3630,y=0.3721。器件的光通量和發(fā)光效率分別為26.6lm和19.42lm/W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用藍(lán)光LED同時激發(fā)黃色和紅色兩種熒光粉得到的器件水平。
采用藍(lán)光LED同時激發(fā)黃色和紅色兩種熒光粉,通過提高紅色熒光粉的含量,可以獲得低色溫和高顯色性白光LED。這種方法的優(yōu)點在于兩種熒光粉混合均勻,使得LED器件產(chǎn)生的藍(lán)光、黃光和紅光在整個空間比較容易均勻混色,可以預(yù)期器件的空間色度均勻性較好。其缺點在于,目前,紅色熒光粉的量子效率較低,致使整個器件的發(fā)光效率不高,加入紅色熒光粉后,器件的發(fā)光效率幾乎降低了一半。
用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉同時用紅光LED進(jìn)行補(bǔ)償,也可獲得低色溫和高顯色性白光LED。這種方法的優(yōu)點在于避開了低效率紅色熒光粉的使用,因此大功率LED的整體發(fā)光效率比較高。驅(qū)動電路相對復(fù)雜,不過技術(shù)上很容易實現(xiàn)。由于藍(lán)光LED、熒光粉和紅光LED構(gòu)成的是相對獨立的發(fā)光體,就單個器件來說可能存在空間顏色不均勻,但是可以通過適當(dāng)?shù)年嚵信挪挤绞浇鉀Q這一問題。低色溫,高顯色性白色大功率LED主要采用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉并用紅光LED進(jìn)行補(bǔ)償,隨著紅色熒光粉量子效率和穩(wěn)定性的不斷提高,采用藍(lán)光LED同時激發(fā)黃色和紅色熒光粉,甚至同時激發(fā)多種熒光粉也能得到性能優(yōu)良的白光LED,而且驅(qū)動電路比較簡單、成本較低。
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