白色LED的开发和应用

2008-04-17 09:59:32来源: 飞达光学网 关键字:发光机理  固体光源  高效节能光源  荧光粉层  量子效率  光谱分布  AlN  InGa

  摘要:固体光源白色发光二极管(LED)是第四代光源,将替代现在的白炽灯,荧光灯和高压气体放电灯。本文介绍了白色LED的发光机理、制造方法、结构和特性,还介绍了近年来开发的许多实用的LED照明系统及发展动向。随着白色LED的进一步开发和完善,白色LED将发展成为21世纪的高效节能光源

  关键词:白色发光二极管 固体光源 绿色照明 高效钇铝石 榴石 荧光粉

  1、前言

  多年来人类一直在寻找和开发固体发光光源,随着发光材料的开发和半导体制作工艺的改进,半导体照明用发光二极管效率不断提高。发光二极管(LED)是在半导体p-N结处施以正向电流时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件。目前实用化的化合物半导体发光材料是以Ⅲ-ⅤA族元素的材料为主要的发光材料。最近由于化合物半导体外延成长技术和发光器件制造工艺技术的急速发展,开发了光电转换效率非常高的发光二极管,发光范围遍及红色到蓝色的可见光,甚至可发出红外光和紫外光。特别是采用氮化物半导体InGaN的蓝色LED的实用化,将10cd以上的高亮度的蓝色LED与钇铝石榴石荧光粉(YAG:添加Ce的钇、铝石榴石)组合在一起,开发出光效达20lm/W以上的白色LED。这种光源将成为新世纪的节能照明光源,十分引人注目。不仅如此,对于发光在短波长区域的紫外光LED,通过与荧光粉的适当配合,改进器件的结构,也可开发出用于照明的白色LED。

  白色LED自开发成功4年来,发光效率不断地提高。从开发初期的5lm/W,到1999年达到相当于白炽灯的光效15lm/W,后又提高到相当于卤钨灯的光效25lm/W。最近又有极导美国Agilient实验室已研制开发成功光效为100lm/W的有色LED和光效达40~50lm/W的白色LED。日本自从1998年以来正在实施“高效率电光转换化合物半导体”开发计划,已投资50亿日元,计划至2005年使白色LED光效达到80~100lm/W。由于白色LED光效的迅速提高,加之它体积小、耐振动、响应速度快、方向性好、寿命长达数万小时、可低压驱动、光色接近白炽灯色、无汞和铅的污染,将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。本文主要介绍白色LED高效率化的技术进展、发光机理和特性,以及LED照明系统的实用化和及其节能效果。

  2、白色LED的开发及发光特性

  1960年开发成功发光二极管,在90年代采用气相生长法替代传统而烦杂的液相法,制成多层薄膜的LED简易结构,先后研制成功从红色到橙色的AlInGaP和蓝色系列的InGaN发光材料,在GaN系列的基础上又研制成功蓝色(470nm)、蓝绿色(550nm)和绿色(525nm)的LED。

  作为照明用的LED重要的特性参数是光亮度(能量)和光色(光谱能量分布)。对于LED来说单纯地增加输入功率,亮度会成比例地上升,但LED芯片的发势量会随之增加,过多的热将损坏它的结晶和封接而缩短寿命。因此使输入功率的电能高效地转换成光能是重要的关键技术。目前高输出型LED的外部量子效率仅为10%左右,而空穴和电子对的能量中的90%成为内部热被耗损掉,因此将这部分内部耗损的热能转换成光能就可提高光亮度。改进的途径有研究新的发光材料,提高发光层内部结合的几率,提高从芯片中取出光的效率。所以将现在的LED的光亮度提高3~4倍,达到荧光灯亮度的水平是完全可能的。日本日亚公司研制的以GaN为基础的LED芯片的光效以每年提高10~20%的速度不断地改进。表1为日亚公司各种LED的特性。

  LED的发光色已经实现了从紫外,可见直到红外几乎所有的光色(表1),但是它们都是在色度图周围上色纯度高的光源色,属于色度图的内侧位置中间的LED没有一例,而且单芯片自发出复数光色的多彩色的LED也无一例,而要制成中间色的LED,以白色LED为例,则有两种方法,一是将LED与特殊的不同种荧光粉相结合,另一方法是将多芯片材料混合制成混合色芯片。

  在发光二极管中,当有正向电流流经半导体P-N结晶,在活性层注入的电子和空穴产生穴产生辐射再结合的过程而发光。通常在无关闭时为使电流变窄采用双异质(DH)接合的结构或量子阱(QW)的结构。

  一般LED的发光效率是由下式3个独立效率因子的乘积表示的:

  ywp=yv·yi·yext(1)

  这里:

  ywp为输出对输入的效率

  yv为电压效率

  yi为内部量子效率

  yext为光输出到外部的效率

  采用波长为λ0紫外(UV)LED与3基色荧光粉相结合得出激励白光的发光效率如下式:

  这里:P为UVLED的输出;yph为荧光灯效率;yuvph为变换效率;Fph(λ)为荧光粉的发光光谱;K(λ)为视感度系数。假定yuvph=95%,yph=90%则30W的LED可得到约为100lm/W的光效。

  炮弹型白色LED(10cd级)的发光光谱与温度的依存关系,LED为多重量子阱结构。室温下为峰值465nm的光是蓝色LED发出的;峰值555nm黄色光是由只有发出150nm的带状光谱的YAG与Ce3+离子的组合发出的;YAG:Ce3+的发出激励带是在460nm位置。当温度上升时,465nm的发光峰值向长波长方向转变,这里与InGaN半导体禁带的温度变化相同,而555nm的黄色光带几乎无变化。但发光强度在急剧减少,其原因是随着温度的上升蓝色LED的发蓝色光的峰值向长波长方向转变所致。因此,白色LED的发光特性与温度有关,当超过50℃时黄色光急剧减弱,使白色的显色性变差。为白色LED的发光效率与正向电流的依存关系,可看出在9×10-2mA开始观测白色光,当正向电流为1mA时发光效率约为45lm/W,当该电流分别为10、20mA时光效分别为27、23lm/W,详细机理目前还不太清楚。平均显色指数在3mA到100mA时几乎都为常数Ra=85,作为照明光源的显色性能是很好的。

  3、照明用白色LED的制造方法、结构和种类

  照明用白色LED的种类和原理如表2所示,主要方式有单芯片型和多芯片型(双芯片型和三芯片型),多芯片型是将不同光色的芯片装配在同一个包装内得到混色后发出白光。单芯片型制造方式又分:(1)将蓝色LEDInGaN芯片与钇铝石榴石荧光粉或三基色荧光粉组合在一起发出白色光;(3)用发出紫外光的InGaNLED发出的紫外光激励三基色荧光粉发出白色光。

  炮弹型白色LED的结构,是在蓝色GaN芯片的表面涂复YAG荧光粉制成的,荧光粉层的组成为(Ya、Gd1-a)3、(Alb,Ga1-b)5O12:Ce,制作时先将LED芯片放置在导线结构中用金线焊接,然后在芯片周围涂覆YAG荧光粉,最后用环氧树脂封接,树脂既起保护芯片的作用又起集光棱镜的作用。白色LED和普通白炽灯的光谱分布,光最初从LED发射出,入射到周围的荧光粉层内,经多重散乱地反射、吸收最后向外部发射出光,LED的光谱峰值为465nm,半峰值宽度30nm为非常尖锐的蓝色光谱,由蓝光激励YAG荧光粉发出峰值为黄色光555nm的平缓光谱线,黄、蓝光相混互衬后得到白色光。白色LED具有颜色的多样性和配光特性自由度大的特征。与普通LED灯相同。白色LED同样可通过改变树脂棱镜的曲率,棱镜与芯片间的距离来得到各式各样的配光特性。对于形状小的束状集光或广角的扩散光都易于进行配光控制。

  4、白色LED照明系统的开发和应用

  白色LED具有低电压驱动、体积小、重量轻、显色性好、调光性能好、寿命长(达2万小时以上)、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差。LED的光效仍在不断地提高,目前已达25lm/W,不久将来将达到80~100lm/W,是照明的理想光源。然而由于单只LED功率小,光亮度低,不宜单独使用,为此必须将多个LED组装在一起设计成为实用的LED照明系统,则具有广阔的应用前景。目前世界大的照明公司都在开发不同应用范围和品种规格的LED照明系统。光学系统设计内容如下:(1)根据照明对象、光通量的需求,决定光学系统的形状、LED的数目和功率的大小;(2)将若干个LED发光管组合设计成点光源、环形光源或面光源的“二次光源”,根据组合成的“二次光源”,计算照明光学系统;(3)构成照明光学系统设计的“二次光源”上的每只LED管子配光分布控制十分重要,构成炮弹型LED的透明树脂的凸圆形保护头子起凸透镜作用,是决定单个LED发出聚光还是散光光束的重要部件。

  现将几种实用的白色LED照明系统介绍如下:

  白色LED可以小至1mm装配在包装表面仪器上,采用5U直流的电源驱动,线路简单,适用于便携式电话,数字摄像机、数字录像机、汽车音响等液晶用背光/正光照明。图5为使用白色LED作背光照明的结构,使用于具有特殊效果的05~2.5英寸小型TFT彩色液晶的场合,2~6个白色LED可得到(在导光板上)300cd/m2的亮度。图6分别为超小型聚光灯的光路和配光曲线,将51个白色LED布置在一个凹球面内,光束先会聚再发散投射到一个菲涅尔透镜上,制成光束扩散角可变化的小型聚光灯,功率仅9W、采用ABS树脂作灯体,灯体长×高为58mm×58mm,直径为50.8mm、重130g,适用于小面积上增强光照用,当移动凹面时,系统的出射光会发生聚光、散光的光束分布变化。图7为射出平行光束的LED照明系统的光路,该系统将LED增多布在一个凸半球上,用来模拟一个点光源发光的情况,从LED发出的光线投射到抛物镜经反射后而得到平行光。图8为圆形导光板周围配置LED的平板器具。图9为在普灯玻壳内配置LED制成的电球形LED灯。最近又研制成利用太阳能的白色LED照明系统。

  白色LED照明系统除可用电能、太阳能作能源外还可以用风能、燃料电池等作为辅助能源,起到节电节能的作用。白色LED小巧轻量、驱动电压低、有不同的光色、寿命长、耐振动、易于控光等特性,对设计用于不同场所和目的的照明系统提供了优越条件。同一照明系统可选用不同光色的LED组合在一起,将驱动线路与调光线路相结合,可实现可调光,调色的色可变照明系统,作为舞台照明有很好的演出照明效果。小巧轻量的LED可与灯具一体化,灯具既起支撑LED的作用又起供给LED的驱动电源作用,使照明系统薄形化可嵌入在顶棚内,粘贴在墙壁上等处,形成无照明器具感的照明系统,具有良好的室内照明效果。长寿命的LED可多次重新使用位置在新的照明系统中,使照明系统的更新简单、快速、方便。白色LED照明系统还可将驱动点灯线路通过电脑与因特网相连,实现信息控制,如外出办事或旅游,可通过手机发出指令对室内LED照明系统进行监控和信息化管理。

  5、白色LED的开发动向

  白色LED作为第四代光源将在21世纪替代白炽灯和荧光灯,这已引起世界各国的重视。1998年日本开发实施国家的“21世纪照明计划(高效电光变换的化合物半导体开发设计)”;目前已投资50亿日元,2000年已年产白色LED1亿只,目前正在实施使白色LED光效达80~100lm/W的开发计划。美国在2000年4月召开了“LED发展战略研讨会”,目前美国实验室有色LED的光效达100lm/W,白色LED的光效达40~50lm/W的水平。世界各大照明公司与半导体公司合资开发白色LED,如美国GE与EMCORE合作成立GELcore公司,德国西门子与欧司朗两公司成立合资公司等,并指出如果西方不开发自己的白色LED的技术,远东竞争者就会在LED领域占优势,冲击传统照明光源。而日本从2001年开始实施使日本国成为固体照明先进的计划,并预计到2010年白色LED在照明市场普及率将达13%。

  为实现高效白色LED照明系统实用化,实施的半导体照明研究的主要内容包括:(1)研究以使用UVLED的AlN、GaN等为中心的化合物半导体的发光机理;(2)改进蓝色、紫外LED的外延成长技术;(3)均质外延板的开发;(4)高效R.G.B荧光粉的开发和白色LED照明系统的实用化。2003年,白色LED光效将达80~100lm/W,2010年将达120lm/W,可制成效率高于荧光灯的照明系统,这一计划对国际上LED的发展将产生大的影响。

  6、结束语

  本文介绍了白色LED的发光机理、结构、制造方法和新的照明系统。由于白色LED的发光效率,显色性能,安全性,稳定性,长寿命等优良特性奠定了作为第4代光源的基础,随着LED的进一步改进和照明系统的完善,白色LED将会在21世纪发展成为替代白炽灯、荧光灯的主要光源。

关键字:发光机理  固体光源  高效节能光源  荧光粉层  量子效率  光谱分布  AlN  InGa

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