LED的应用优势及存在问题解答
发表时间：2013年09月11日 10:08:37 浏览量：0
1、前言
能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。
由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的19%；英国布赖恩·爱德华兹在其编写的《可持续性建筑》中指出，在英国消耗的全部能源当中，大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的15%～50%；在我国照明用电约占全国总用电量的12%，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为5%。从上面的数据我们可以看出，虽然因各国经济发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。
新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。LED，特别是白色光LED，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。笔者将就LED的性能、现状等作简要的介绍和分析。
2、LED的优势
正如上文所述，作为一种冷光源，LED具有很多传统光源所不能比拟的优势。
（1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输。
（2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
（3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
（4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上LED的发光效率大于200ｌｍ/W，从而具有相当巨大的节能潜力。
（5）寿命更长，实验室寿命可达100000h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
（6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高，如图2所示。
（7）光源中不添加汞，有利于保护环境。
（8）LED发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的照明效率。比如，Chips Chipalkatti在美国光电产业发展协会（OIDA）举办的半导体照明研讨会上发表的《LED Systems for Lighting：Where the Rubber Hits the Road》指出：尽管15Ｗ荧光灯的发光效能大约为60ｌｍ/W，但是经过灯具的折减就变为了35ｌｍ/W，如果再考虑照射到目标区域以外的光线，则只有30ｌｍ/W。而半导体光源在这些环节上的折减则会少很多。
（9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。
与传统光源相比，LED特别是白光LED在一般照明领域中的优势和节能潜力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究领域以及照明产业中的热点。
继美国发起了Solid-state Lighting(SSL) R&D Por-tfolio以支持本国的LED研究、开发项目后，欧洲、韩国、日本也都纷纷制定了政府资助的研究计划以支持半导体照明产业的迅速发展。正是在各国政府的支持以及巨大的市场潜力引导下，各大照明企业也纷纷投入巨大的财力和研究力量，以期在这个新兴市场上获得先机。
也正是由于这种竞争，才促使半导体照明业取得了迅猛发展和突破：Cree公司开发出发光效能为74ｌｍ/W的白色LED，Lamina Ceramics公司也封装出额定光通为120lm的当前最紧凑的RGB型LED光源……一系列技术上的突破向我们预示着一个新的照明时代的到来。
但是作为一个新兴的技术领域，半导体照明行业还处于一个快速发展阶段，科技进步令我们感到欣喜，但是我们还要意识到无论是技术环节还是行业的规章制度，与传统的光源相比，都还不成熟不健全。要真正实现用LED代替传统光源还有一段很长的路要走，还有很多技术难题需要解决。
3、LED技术难题
理论上LED的发光效能可以高达200ｌｍ/W以上，而现有的白光LED则只有70ｌｍ/W左右，与节能型荧光灯相比还有一定差距；而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势。
因此如何尽快把LED的优势真正发挥出来也就成为现在相关从业人员所必须要面对的技术难题。而要真正开拓出一个全新的半导体照明时代，我们还要从以下几个方面努力攻克技术难题以及进一步规范半导体照明市场。
3.1、LED芯片
芯片是LED的核心，它的内部量子效率的高低直接影响到LED的发光效能，非辐射复合率则决定着芯片产热的大小。可以说只有制造出具有良好质量的LED芯片，才可能有性能优越的LED光源。
为了能够尽量提高内部量子效率以及减少无辐射复合率，主要从两个方面来改善芯片质量，也就是选择合理的芯片结构和控制芯片的缺陷密度。
LED芯片的结构有单异质结构、双异质结构以及量子阱结构等，它对发光效率具有很大的影响。目前使用最为广泛且最有效率的芯片结构为多量子阱结构（Multi-Quantum Well Structure）。
对于LED而言，外延片与衬底的晶格常数以及热涨系数是否匹配、外延片制备工艺等都会直接影响晶格的缺陷密度。这些缺陷可能在某些条件下，特别是对于Ⅲ－氮的发光可能有利，但是就大部分情况而言，因为这些缺陷的存在，会缩短芯片的连续工作寿命，减少载流子密度进而降低发光输出，以及可能成为无辐射复合中心。
因此如何选择合理的芯片结构，了解晶格缺陷对LED芯片发光的影响机理从而更好地控制不利缺陷的产生，也就成为了当前我们所必须面对的重要课题之一。
3.2、封装与散热
LED的封装必须要处理好：应该尽量减少光线在LED内部全反射，增加衬底基板反射率，从而使尽量多的光线能够透射出来，提高LED的外部量子效率，也就是增加LED的发光效能。现有技术包括衬底剥离技术（Lift-off）、Flip-Chip技术等。
还应该选择新型的封装材料，以减少因为紫外线照射而引起的封装材料发黄等带来的颜色变化。
LED的散热问题是影响LED驱动电流提升的一个重要因素。根据下列公式：
TJ＝TA+PD（θJ-P+θP-A）=TA+PDθJ-A
其中，TJ——ｐ－ｎ结处的温度；
TA——环境温度；
PD——耗散功率；
θJ-P——结点与阴极插头之间的热阻；
θP-A——阴极插头与空气之间的热阻；
LED芯片结点处的温度TA直接影响到LED的寿命，因此LED的散热能力强弱就限制了LED功率的大小，以及安装使用环境的温度。
3.3、白光LED
如何能制备出具有高显色性、高发光效能的白光LED，是LED能够在一般照明中广泛使用的一个前提。对于白光LED而言，发光效能、显色性以及成本都决定着它在照明市场中的竞争力。当前制备白光LED的方法可以分为三种：红、绿、蓝（RGB）多芯片组合白光技术，单芯片加荧光粉合成白光技术以及MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术。
几种技术相比而言，除了正在处于研究探索阶段的MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术外，虽然RGB型LED具有发光效能高、显色性好等优点，但是三种芯片性能的不同，使得它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移，影响照明稳定性。
而对于单芯片加荧光粉合成白光技术，又分为了蓝光芯片与黄光荧光粉型LED和紫外线LED加RGB荧光粉LED。蓝黄光LED缺失红光部分，因而有很难发出具有高显色性白光（R85），同时还会产生Halo效应（有方向性的LED出光和荧光粉的散射光角分布不一样）等缺陷；而紫外线LED加RGB荧光粉LED则克服了这些不足，成为了当前性能较好的一种白光LED。
4、结束语
LED以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域。但是它也面临着上文所提出的诸多技术和制度上的障碍，使得LED产品的价格仍然非常的昂贵，性能容易受到外部环境条件的影响，而且由于对晶体性能的研究仍然未完全成熟，制约着LED的进一步推广。当然这一切都不能阻止一个全新照明时代的到来，LED是属于21世纪的绿色光源。但它可能更多地属于未来，正如美国能源部2002年编写的《Light Emitting Diodes（LEDs）for General Illumination》中预期的，LED要到2012年左右才能够在照明中取代荧光灯。
在我们的照明设计过程中，我们应该以一种理性的态度去看待LED的应用，应该在真正了解LED性能前提下，根据环境的条件，合理地选择使用LED，才能真正创造出一个节能而优质的照明光环境。
能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。
由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的19%；英国布赖恩·爱德华兹在其编写的《可持续性建筑》中指出，在英国消耗的全部能源当中，大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的15%～50%；在我国照明用电约占全国总用电量的12%，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为5%。从上面的数据我们可以看出，虽然因各国经济发展的水平不同，照明用电所占比重也有所差别，但是照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。
2、LED的优势
正如上文所述，作为一种冷光源，LED具有很多传统光源所不能比拟的优势。
（1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输。
（2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
（3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
（4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上LED的发光效率大于200ｌｍ/W，从而具有相当巨大的节能潜力。
（5）寿命更长，实验室寿命可达100000h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
（6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高，如图2所示。
（7）光源中不添加汞，有利于保护环境。
（8）LED发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的照明效率。比如，Chips Chipalkatti在美国光电产业发展协会（OIDA）举办的半导体照明研讨会上发表的《LED Systems for Lighting：Where the Rubber Hits the Road》指出：尽管15Ｗ荧光灯的发光效能大约为60ｌｍ/W，但是经过灯具的折减就变为了35ｌｍ/W，如果再考虑照射到目标区域以外的光线，则只有30ｌｍ/W。而半导体光源在这些环节上的折减则会少很多。
（9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。
与传统光源相比，LED特别是白光LED在一般照明领域中的优势和节能潜力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究领域以及照明产业中的热点。
继美国发起了Solid-state Lighting(SSL) R&D Por-tfolio以支持本国的LED研究、开发项目后，欧洲、韩国、日本也都纷纷制定了政府资助的研究计划以支持半导体照明产业的迅速发展。正是在各国政府的支持以及巨大的市场潜力引导下，各大照明企业也纷纷投入巨大的财力和研究力量，以期在这个新兴市场上获得先机。
也正是由于这种竞争，才促使半导体照明业取得了迅猛发展和突破：Cree公司开发出发光效能为74ｌｍ/W的白色LED，Lamina Ceramics公司也封装出额定光通为120lm的当前最紧凑的RGB型LED光源……一系列技术上的突破向我们预示着一个新的照明时代的到来。
但是作为一个新兴的技术领域，半导体照明行业还处于一个快速发展阶段，科技进步令我们感到欣喜，但是我们还要意识到无论是技术环节还是行业的规章制度，与传统的光源相比，都还不成熟不健全。要真正实现用LED代替传统光源还有一段很长的路要走，还有很多技术难题需要解决。
3、LED技术难题
理论上LED的发光效能可以高达200ｌｍ/W以上，而现有的白光LED则只有70ｌｍ/W左右，与节能型荧光灯相比还有一定差距；而且其价格与传统光源相比也有很大的劣势。
因此如何尽快把LED的优势真正发挥出来也就成为现在相关从业人员所必须要面对的技术难题。而要真正开拓出一个全新的半导体照明时代，我们还要从以下几个方面努力攻克技术难题以及进一步规范半导体照明市场。
3.1、LED芯片
芯片是LED的核心，它的内部量子效率的高低直接影响到LED的发光效能，非辐射复合率则决定着芯片产热的大小。可以说只有制造出具有良好质量的LED芯片，才可能有性能优越的LED光源。
为了能够尽量提高内部量子效率以及减少无辐射复合率，主要从两个方面来改善芯片质量，也就是选择合理的芯片结构和控制芯片的缺陷密度。
LED芯片的结构有单异质结构、双异质结构以及量子阱结构等，它对发光效率具有很大的影响。目前使用最为广泛且最有效率的芯片结构为多量子阱结构（Multi-Quantum Well Structure）。
对于LED而言，外延片与衬底的晶格常数以及热涨系数是否匹配、外延片制备工艺等都会直接影响晶格的缺陷密度。这些缺陷可能在某些条件下，特别是对于Ⅲ－氮的发光可能有利，但是就大部分情况而言，因为这些缺陷的存在，会缩短芯片的连续工作寿命，减少载流子密度进而降低发光输出，以及可能成为无辐射复合中心。
因此如何选择合理的芯片结构，了解晶格缺陷对LED芯片发光的影响机理从而更好地控制不利缺陷的产生，也就成为了当前我们所必须面对的重要课题之一。
3.2、封装与散热
LED的封装必须要处理好：应该尽量减少光线在LED内部全反射，增加衬底基板反射率，从而使尽量多的光线能够透射出来，提高LED的外部量子效率，也就是增加LED的发光效能。现有技术包括衬底剥离技术（Lift-off）、Flip-Chip技术等。
还应该选择新型的封装材料，以减少因为紫外线照射而引起的封装材料发黄等带来的颜色变化。
LED的散热问题是影响LED驱动电流提升的一个重要因素。根据下列公式：
TJ＝TA+PD（θJ-P+θP-A）=TA+PDθJ-A
其中，TJ——ｐ－ｎ结处的温度；
TA——环境温度；
PD——耗散功率；
θJ-P——结点与阴极插头之间的热阻；
θP-A——阴极插头与空气之间的热阻；
LED芯片结点处的温度TA直接影响到LED的寿命，因此LED的散热能力强弱就限制了LED功率的大小，以及安装使用环境的温度。
3.3、白光LED
如何能制备出具有高显色性、高发光效能的白光LED，是LED能够在一般照明中广泛使用的一个前提。对于白光LED而言，发光效能、显色性以及成本都决定着它在照明市场中的竞争力。当前制备白光LED的方法可以分为三种：红、绿、蓝（RGB）多芯片组合白光技术，单芯片加荧光粉合成白光技术以及MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术。
几种技术相比而言，除了正在处于研究探索阶段的MOCVA直接生长多有源区的白光LED技术外，虽然RGB型LED具有发光效能高、显色性好等优点，但是三种芯片性能的不同，使得它们因驱动电流或温度等因素的影响而发生色漂移，影响照明稳定性。
而对于单芯片加荧光粉合成白光技术，又分为了蓝光芯片与黄光荧光粉型LED和紫外线LED加RGB荧光粉LED。蓝黄光LED缺失红光部分，因而有很难发出具有高显色性白光（R85），同时还会产生Halo效应（有方向性的LED出光和荧光粉的散射光角分布不一样）等缺陷；而紫外线LED加RGB荧光粉LED则克服了这些不足，成为了当前性能较好的一种白光LED。
4、结束语
LED以其巨大的节能潜力以及良好的照明性能为我们打开了一个全新的技术领域。但是它也面临着上文所提出的诸多技术和制度上的障碍，使得LED产品的价格仍然非常的昂贵，性能容易受到外部环境条件的影响，而且由于对晶体性能的研究仍然未完全成熟，制约着LED的进一步推广。当然这一切都不能阻止一个全新照明时代的到来，LED是属于21世纪的绿色光源。但它可能更多地属于未来，正如美国能源部2002年编写的《Light Emitting Diodes（LEDs）for General Illumination》中预期的，LED要到2012年左右才能够在照明中取代荧光灯。
在我们的照明设计过程中，我们应该以一种理性的态度去看待LED的应用，应该在真正了解LED性能前提下，根据环境的条件，合理地选择使用LED，才能真正创造出一个节能而优质的照明光环境。
