新型LED光源的優(yōu)勢和應(yīng)用技術(shù)難題

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，不使用玻璃外殼，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。
（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(dá)100000h，開關(guān)次數(shù)大于100000次，并且啟動速度非?？?。
（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，可以回收利用。
（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。
（9）使用低壓直流電，具有負(fù)載小、干擾弱、安全的優(yōu)點。
（10）發(fā)出的光無紫外線，有利于人體的健康，且不吸引蚊蟲。

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(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80ｌｍ/Ｗ的白色LED，Ｌａｍｉｎａ?。茫澹颍幔恚椋悖蠊疽卜庋b出額定光通為120lm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(jìn)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。

LED應(yīng)用技術(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85ｌｍ/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(jìn)一步規(guī)范半導(dǎo)體照明市場。

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)，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密度。這些可能在某些條件下，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，因為這些的存在，會縮短芯片的連續(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)，了解晶格對ＬＥＤ芯片發(fā)光的影響機(jī)理從而更好地控制不利的產(chǎn)生，也就成為了當(dāng)前我們所必須面對的重要課題之一。

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；
θP-A——陰極插頭與空氣之間的熱阻；

LED芯片結(jié)點處的溫度TA直接影響到LED的壽命，因此LED的散熱能力強弱就限制了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前提。對于白光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，但是三種芯片性能的不同，使得它們因驅(qū)動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），同時還會產(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；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。

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全新照明時代的到來，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《ＬＥＤｓ　ｆｏｒ?。牵澹睿澹颍幔臁。桑欤欤酰恚椋睿幔簦椋铮睢分蓄A(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)造出一個節(jié)能而優(yōu)質(zhì)的照明光環(huán)境。