白光LED用于照明的技术分析

　　摘要：作为第四代照明器具，白光LED受到了人们的广泛关注。本文从白光LED的技术原理出发，分析了其应用于照明的优点和劣势，并对白光LED目前存在的问题和今后的发展趋势进行了讨论。

　　《》是公开发行的学术类期刊。报道国内光电行业技术动态，内容涵盖了平板显示、光纤通信、红外(紫外)摄像、电真空器件、薄膜、激光技术、自动化、计算机及各种测试技术等涉及光电转换的新工艺、新材料、新设备、新产品以及相关的器件、整机、生产线的应用。后期会逐步介绍光电领域产业界的动态信息。

　　关键词：白光LED；照明；节能

　　Abstract: As the fourth generation lighting apparatus, the white LED has received extensive attention. This article analyzed the technology principle of white LED and its advantages and bottlenecks in lighting application field. The current problems and future development trend of the white LED were discussed.

　　Key words: White LED; Lighting; Energy Saving

　　中图分类号：[TU88]文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2013）

　　一、引言

　　自爱迪生发明白炽灯以来，人造照明光源经历了三个发展阶段：白炽灯、气体放电灯、荧光灯。如今，白光LED作为一种新型的半导体发光器件日益受到人们的关注，因其具有绿色、节能、长寿命的特征而被称为第四代照明灯具。特别是随着研究的不断加强，白光LED的光效持续得到提高，至今已达160 lm/W，这不禁引发了人们关于白光LED将全面取代白炽灯、金卤灯和荧光灯等传统电光源的呼声。本文即对白光LED用于照明的相关技术特点进行了分析，并对其相应的优缺点和今后的发展方向进行了讨论。

　　二、白光LED的技术特征

　　白光LED的核心技术在于LED芯片。虽然LED作为一种电致发光的半导体器件已成熟应用于信号指示和户外大屏幕等领域，但真正意义的白光LED，或者称能用于照明的白光LED出现才不超过20年时间。

　　为了应用于照明，光源必须有很好的显色性，所以照明用LED必须发白光。一种方案是发明一种多能级载流子复合的复合型杂质半导体，使之直接产生多色光，从而混合后发白光，然而此种方案迄今未获成功。另一种方案是将发射红、绿、蓝三种基色的发光二极管芯片做在同一个管芯中，混光成为白色，但是由于所发光束的某些部分仍然呈现原光色，致使整体光色较差，此种方案已被放弃。

　　目前采用的方案是在GaN基或GaInN基的蓝光或近紫外区LED芯片上涂覆黄色或全色荧光粉，从而得到白光LED。荧光粉的质量、涂层厚度稍有影响均将严重影响其显色指数、色温、光效和光衰。白光LED的寿命主要受限于GaN基或GaInN基LED芯片本身的寿命。鉴于LED为PN结发光，散热不好将导致芯片寿命剧烈下降。而具有实用价值的高亮度、大功率白光LED不可避免会遇到更严重的PN结温升问题。并且，单个白光LED的照度有限，在照明应用时往往采用阵列的形式，而制作工艺的均一性差别也将降低整体产品的使用性能。

　　如此，鉴于白光LED本身的技术特点，在应用于照明时需详细分析其固有的优点和劣势，并采取相应的措施才能使白光LED更好的用于照明，实现绿色照明。

　　三、白光LED应用于照明的优点及劣势分析

　　作为第四代照明器具，白光LED用于照明的优点在于：

　　（1）光效高。目前的实用光效可达70～90lm/W，据报导，美国实验室数据达160lm/W，而且还有增加的趋势，预期在未来3～5年，实用光效达到150～200lm/W是可能的，到那时有可能成为最高效的光源。

　　（2）起动性能好。只有毫秒级的响应时间，能达到全光通输出，快捷可靠。

　　（3）可控性强。低电压器件，调光方便，容易实现数字化控制。

　　（4）全固态。具有耐震动，耐气候性良好的优点。

　　（5）环保。白光LED不含汞，环保性能优。

　　（6）点光源。白光LED在一定光束角内定向辐射，用于射灯、筒灯等灯具时,有利于提高下射光通比。

　　由于白光LED自身的原理和特点，目前白光LED的劣势在于：

　　（1）价格高。成本高成为白光LED照明进入应用的主要障碍之一，初次购买成本是传统灯具的5~10倍，对普通用户来说成本劣势非常明显。有限的节能本身无法弥补其高价格，今后主要靠量产来降低成本。

　　（2）实际寿命偏低。由于PN结自身寿命对温度的敏感性和实际产品设计、制造、使用方面的原因，LED照明灯具的实际寿命往往只有其标称寿命的几分之一甚至几十分之一。这主要是受散热条件的影响。

　　（3）光衰大。LED的PN结温度升高时阻抗降低，发光特性也将变化，发光效率也会降低，加以在高温长期烘烤下荧光粉光衰较快，数个月后白光LED辐射的光通量将大幅下降，照度相应降低，光线昏暗，达不到设计要求。

　　（4）光谱质量低。人的眼睛习惯太阳光，目前白光LED光源存在光谱的不连续性，尤其是荧光粉转化的白光LED存在色温偏高，显色性不够高等问题。这可依靠荧光粉技术的改进来解决。

　　（5）电压匹配问题。白光LED是典型的低电压（1.8~3.9V）器件，在用市电供电时还需专配降压器件，无论是采用变压-整流或是采用开关电源降压，都会产生额外的转化损耗（约15~30%），从而消弱白光LED的低功耗优势。有必要开发新的驱动芯片技术，以降低电压转化损耗。

　　四、白光LED应用于照明的问题及展望

　　从目前的市场情况来看，白光LED已在景观照明、便携式灯具、LCD背光照明、局部照明等领域展现优势，但整体来看，白光LED仍处于照明应用的初级阶段，其性价比提升还有很大空间。

　　为了满足人们对高效照明和绿色照明的迫切需要，白光LED在今后的发展过程中首要解决的核心问题是降低流明成本和改善散热。而散热问题的改善本身就会从根源上缓解目前白光LED存在的寿命、光衰等问题，从而也会间接起到降低价格的作用。

　　其次，关于电压匹配的问题也促使人们提出了采用AC直接驱动LED的新思路，相关的LED驱动芯片也日益完善和丰富。日后，借助于荧光粉技术的继续改进和完善，高显色指数和宽光谱的LED光源将能够满足人们对室内照明对光源质量的更高要求。

　　我们有理由相信，随之研发力量的不断投入，灯具行业相关器件的完善，市场对白光LED产品认可程度的提高，国家政策的大力导向，以及人们对节能、绿色照明的主动关注都会使得白光LED产品获得更广泛的应用，而用量的增多又必然使得白光LED的价格持续下降，最终促使白光LED产业走向性能提升、价格降低的良性循环发展之路。

　　参考文献

　　1. 颜重光. 发展迅速的AC直接驱动LED光源技术. 电子产品世界，2009,2:64-66.

　　2. 张琳琳. 室内白光LED的节能优势及技术瓶颈. 智能建筑电气技术，2011, 5(3): 53-56.