LED燈應用及展望

科技之窗 Technology Windows中外企業(yè)家2011年第9期(下】總第381期IED燈應用及展望宋冬靈信息工程大學(xué)理學(xué)院河南鄭州450001)摘要:LED作為新一代燈具,具有環(huán)保高效節能靈活等特點(diǎn),是未來(lái)燈具發(fā)展的方向。從LED燈的發(fā)光特點(diǎn)、應用面臨的技術(shù)問(wèn)題、LED燈與太陽(yáng)能的結合幾個(gè)方面綜逑了LED燈,指出未來(lái)社會(huì )的照明應該是LED與太陽(yáng)能的結合。關(guān)鍵詞:LED;芯片;封裝;節能中圖分類(lèi)號:M923文獻標識碼:A文章編號:1000-8772(2011)18-0123-03引言本較低,缺點(diǎn)是發(fā)光效率低,不到40m/W,且紫外線(xiàn)照射下材料易老化。第三種方式是藍光LED加黃色熒光粉,優(yōu)點(diǎn)是演色性發(fā)光二極管LED,英文 Light Emitting Diode。近幾年,隨著(zhù)和發(fā)光效率都高,可達80mW左右,成本低缺點(diǎn)是藍光LEDLED技術(shù)的飛速發(fā)展和LED燈無(wú)可比擬的優(yōu)勢,LED燈作為繼發(fā)光波長(cháng)的偏移、強度的改變及熒光粉涂布厚度的改變都會(huì )影白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈(HID)之后的第四代燈具在響白光的均勻度,且光譜較窄,色彩不全,色溫偏高燈光對眼睛照明領(lǐng)域已被廣泛應用,小到臺燈、手電筒、各種電器上的指示不柔和不協(xié)調所以這種白光還需要改進(jìn)第三種方式目前已經(jīng)燈、信號燈等,大到室內外照明、路燈、裝飾燈、景觀(guān)照明、演播室比較成熟且已商業(yè)化。正是第三種獲得白光LED的方式帶來(lái)了燈、汽車(chē)燈具、液晶顯示背光模組等。到2011年年初,全球高亮LED燈的飛速發(fā)展。度LED的產(chǎn)值已達106億美元。(二)LED燈的特點(diǎn)相比前三代燈具,LED燈具具有許多優(yōu)勢和特點(diǎn)LED燈的發(fā)光及特點(diǎn)LED燈是直流電源驅動(dòng),驅動(dòng)電壓低,功率小耗電量少(一川LED燈的發(fā)光節能省電。由于LED的發(fā)光部件是半導體PN結芯片,它具有ED是利用半導體PN結芯片發(fā)光的。PN結由P型半導體單向導通,反向截流的特點(diǎn),所以L(fǎng)ED燈只能用直流電源供電,和N型半導體組成在他們的交界面兩側深層形成PN結。PN且需要的驅動(dòng)電壓很低,單珠驅動(dòng)電壓為3V-34V,功率很結具有單向導電性。當給PN結加正向電壓時(shí),P區和N區的多小。以單珠白光LED為例,小功率LED為006W,電流不能超過(guò)數載流子向對方擴散,由于電子的遷移率比空穴的遷移率大的20mA,大功率LED現在常用的有1W和3W的,再大功率的需多,就出現了大量電子向P區擴散構成P區少數電子的注入。要解決散熱問(wèn)題,可以用多個(gè)芯片集成得到。常用的獲得較大功這些電子與價(jià)帶上的空穴復合,復合時(shí)釋放出光子而發(fā)光。這率LED燈具的方法是將多珠L(cháng)ED串聯(lián)或混聯(lián),這樣就可以獲就是PN結也即LED燈的發(fā)光原理。得任意功率的IED燈具。由于這些特點(diǎn),LED燈具的耗電量非構成PN結芯片的半導體材料有硅(Si)、氮(N)、磷(P)、砷常低。以一個(gè)路燈的電耗為例將高壓鈉燈、LED路燈以及太陽(yáng)(As)、鋁〔Al)、鍺(G)、嫁(Ca)、鍶(Sr)、銦(ln)等元素構成。具體能LED路燈進(jìn)行對比。若每天供電10小時(shí),其中太陽(yáng)能LED選擇何種材料則由需要的LED發(fā)光顏色決定。例如車(chē)燈系統中路燈為2小時(shí)加8小時(shí)太陽(yáng)能供電,則三種燈具的年耗電量分常用的芯片材料有:藍色一nCaN、黃色一 AlInGaP、紅色一別為54750KW/h、21900KWh和4380KWh。LED的年耗電量?jì)HAlGaAs不同的材料發(fā)出的光只覆蓋很小范圍的波長(cháng),所以是高壓鈉燈的40%左右,而太陽(yáng)能LED路燈的年耗電量?jì)H是高LED基本上只發(fā)出單色光,且大多在可見(jiàn)光區域LED燈發(fā)出壓鈉燈的8%左右。相比之下,使用后者作為路燈將大大節約電的光有紅、綠、黃、橙、藍等各種顏色?，F在單色LED已經(jīng)被廣泛能,節省電費?，F在在我國已有大功率大規模的LED路燈和太應用在信號燈系統中。陽(yáng)能LED路燈系統投入使用。隨著(zhù)LED技術(shù)的發(fā)展,現在不但有單色光LED,還出現了2LED燈具的發(fā)光效率高。表1是四代燈具發(fā)光效率對照白光LED。實(shí)現白光LED的方式主要有三種:第一種方式是利表。由表1可以看出四代燈具中LED燈的發(fā)光效率最高。LED用紅、綠藍三色LED混光產(chǎn)生白光優(yōu)點(diǎn)是紅、綠、藍三色混光燈具的發(fā)光效率理論值可達到250lm/W,而國內現產(chǎn)的白光可簡(jiǎn)單調出所要的色溫和色光,演色性高(大于90),發(fā)光效率LED燈低于100lm/W,國外的略高于100lmW,與理論值還有高(大于80mW),缺點(diǎn)是三種不同的發(fā)光源同時(shí)進(jìn)行,電源供定的差距。低功率的I燈在同筆昭明情況下可以代替高功應設計復雜,且在某些距離有顏色不均勻現象第二種方式是利率的普通燈具中國煤化工100的白熾燈的亮用紫外線(xiàn)LED(UⅤLED)加紅綠藍熒光粉,優(yōu)點(diǎn)是演色性高,成度,30W的相CN MHGW收稿日期:201-09-02作者簡(jiǎn)介:宋冬靈(1977-),女,河南新鄉人,講師,主要從事教學(xué)及科研工作123LED燈表1:各種燈具的發(fā)光效率IED雖然有很多優(yōu)點(diǎn),但是也存在著(zhù)許多不足和技術(shù)問(wèn)題燈具種類(lèi)發(fā)光效率(1m/W)有待進(jìn)一步改進(jìn)和解決,下面從幾個(gè)方面對之進(jìn)行了討論白熾5-10熒光燈40-801大功率LED技術(shù)。LED存在靜電釋放損害和熱膨脹系數鈉燈40-110等效能瓶頸和散熱問(wèn)題使其功率不能做得很大,亮度低。目前LED燈60-250常用的性能比較穩定的大功率LED芯片是1W和3W?？梢酝?注:表格來(lái)自參考文獻過(guò)集成芯片提高LED功率,但現在技術(shù)還不成熟,主要是需要3單珠L(cháng)ED體積小,使用壽命長(cháng),可實(shí)現照明智能化。LED解決散熱問(wèn)題。也可以通過(guò)多珠L(cháng)ED的串、并聯(lián)或混聯(lián)實(shí)現大的體積小,封裝一般用樹(shù)脂而不是玻璃,不易損壞使用靈活方功率LED燈具。后兩種效率較低用的較少,多珠L(cháng)ED串聯(lián)是便。LED燈的實(shí)驗室壽命可達1000,正常使用可達500h目前LED燈具在照明領(lǐng)域應用的主流。但是單珠串聯(lián)有個(gè)致命以上,而且只要在額定電流范圍內頻繁開(kāi)關(guān)電源或通過(guò)挖制系弱點(diǎn),一顆損壞,整路不通。這是制約大功率LED燈具在照明領(lǐng)統調節電流,對LED壽命無(wú)影響。由于LED光源工作電流可以域應用的一大瓶頸。提高LED燈具的功率,一是從芯片方面提控制所以通過(guò)電路設計,做成的燈具的亮度也是可以控制的,高功率另一是優(yōu)化電路設計提高功率?？蓪?shí)現燈光控制的智能化。根據以上特點(diǎn)可以把LED做成各種2散熱技術(shù)。溫度是影響LED的一個(gè)重要因素溫度升高裝飾燈、動(dòng)態(tài)圖案等。對于LED路燈,根據夜間不同時(shí)間段需要會(huì )使LED的光衰減加快,而芯片結點(diǎn)處的溫度直接影響LED的路燈燈光亮度不同,可以設置為分時(shí)段調節亮度,這樣既能更的壽命,所以L(fǎng)ED散熱能力的強弱限制了LED的功率大小。好地節能,又不影響其壽命,相比其它燈具,大大減少了更換率,LED內部的熱量主要由LED芯片和印刷電路板工作時(shí)產(chǎn)生,對降低了維護成本且安裝維護簡(jiǎn)便。于小功率LED,通過(guò)自然傳導對流的方式就可以把熱量散發(fā)出4顯色性高配光容易。顯色性是指光源對物體本身顏色顯去但對于大功率LED就要考慮多方面散熱。在散熱設計上,通示的程度。LED燈的顯色指數高達75%90%,非常接近自然常從LED封裝散熱、電路板散熱和增加散熱部件等方面考慮。光。在LED燈的照射下,人們可以比較容易識別物體的顏色適用導熱性能好的硅樹(shù)脂封裝,印刷電路板上采用導熱絕緣層金合在商品柜臺、醫院手術(shù)臺、美術(shù)室以及室內照明、室外道路照屬基層等。對于大功率LED路燈解決散熱問(wèn)題除了LED本身明等場(chǎng)所使用。LED燈的光色可人為控制,可以通過(guò)配光滿(mǎn)足有好的散熱結構外,還要把路燈的外殼作為散熱的渠道將殼設不同照明領(lǐng)域的需求。計成散熱面在側上方且加散熱鰭片以利于空氣對流,或是將殼5LED燈無(wú)閃爍、無(wú)紫外線(xiàn)熱輻射極低,對人眼無(wú)危害。將設計成風(fēng)孔式對流散熱,風(fēng)扇輔助風(fēng)冷和毛細管水冷等散熱方LED燈用于室內照明及工作學(xué)習場(chǎng)所,可保護眼睛。LED燈單式還在試驗階段。汽車(chē)的LED前霧燈前大燈等在燈具設計時(shí)色性好,方向性強,響應速度快特別適合用于汽車(chē)燈具、舞臺燈增加鋁制電路板、支架等加快散熱。在LED燈具的結構設計上,具等有人提出了在燈具中加熱管散熱器散熱。為了改善散熱效果,在6IED燈具中不含汞氙等有害氣體,廢棄物利于回收和再燈具設計上需要考慮多方面因素,如燈體散熱片的排列與布置利用,不會(huì )對環(huán)境造成污染。LED燈不需要鎮流器,不會(huì )產(chǎn)生電要考慮間距、方向、表面處理等,在燈具金屬外殼上涂上散熱涂磁輻射不會(huì )造成光污染,綠色環(huán)保。層等。目前LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)高功率高亮度、小尺寸的產(chǎn)總之,LED燈具有節能省電、綠色環(huán)保、靈活方便等優(yōu)點(diǎn),與品,使用的是陶瓷散熱基板作為其LED晶粒散熱的途徑。未來(lái)的節約型社會(huì )合拍,是未來(lái)最具有發(fā)展前途的燈具之一。3芯片技術(shù)和芯片封裝技術(shù)。芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是襯底二、LED燈的應用及面臨的技術(shù)問(wèn)題材料的選擇和外延片的生長(cháng)技術(shù)。技術(shù)提升的關(guān)鍵都是圍繞著(zhù)降低缺陷密度和如何研發(fā)出更髙效穩定的器件進(jìn)行的,而如何(一)LED燈的應用提升LED芯片的發(fā)光效率則是目前整體技術(shù)指標的最重要衡由于LED燈有其它燈具無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn),LED燈正以非常量標準。傳統的襯底材料有藍寶石、Si、SiC,目前比較熱門(mén)的材快的速度發(fā)展并逐漸取代其他燈具,現在LED燈已經(jīng)被廣泛應料有ZnO、GaN等。制造外延片的主流方法是采用金屬有機物化用在各照明領(lǐng)域中。由于LED體積小應用靈活,可以排列成各學(xué)氣相沉積。據2011年LED環(huán)球在線(xiàn)報道美國北卡羅來(lái)納州種形狀能夠用計算機程序進(jìn)行控制所以可以顯示出文字、圖大學(xué)提出了一種新的氮化鎵生長(cháng)工藝,這一新工藝有望把材料像、動(dòng)畫(huà)影視等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的圖案。在2008年的北京奧運會(huì )的缺陷減低千分之一,從而制造出更高亮度的LED發(fā)光二級管。開(kāi)幕式上,IED燈就顯示了它無(wú)盡的魅力和優(yōu)勢。LED被大量單芯片封裝技術(shù)主要在于芯片的成品率、色溫控制和熒光使用在公眾顯示器中,如各種信號燈、景觀(guān)照明、廣場(chǎng)街道的美粉的涂布工藝等。多芯片集成封裝還要考慮散熱問(wèn)題和電極分化、公共娛樂(lè )場(chǎng)所美化、舞臺效果照明、建筑照明等。在液晶顯布等問(wèn)題。封裝材料的選擇主要考慮三個(gè)技術(shù)參數即熱導率示器中,LED被用作電腦、電視機和手機等顯示屏幕的背光源。熱膨脹系數和密度。通常熱導率高熱膨脹系數與芯片的熱膨脹在交通道路上,LED已經(jīng)用于可控節能型路燈照明、隧道燈照系數相匹配、密度低的材料是理想的封裝材料,鋁碳化硅明、立交橋照明、交通信號燈等。在汽車(chē)燈具方面現在許多轎(ASiC)電子封裝材料將金屬的高導熱性和陶瓷的低熱膨脹性車(chē)的制動(dòng)燈,位置燈、轉向信號燈后霧燈倒車(chē)燈等燈具都開(kāi)始結合起來(lái)同時(shí)具有這三個(gè)特性并且成本低是非常好的大功采用LED光源。隨著(zhù)LED技術(shù)的不斷提高技術(shù)問(wèn)題不斷得到率LED芯片封製中國煤化工技術(shù)展”上,索尼解決,大功率LED燈具的不斷出現,LED在室內照明、汽車(chē)燈化工與信息元州CNMHG片封裝的各向異具、演播廳、觀(guān)片燈等領(lǐng)域的應用將會(huì )更加普及性導電粘合劑“LEP000”,用這種粘合劑可大大提高光通量,(二)LED燈面臨的一些技術(shù)問(wèn)題2011年該公司投入生產(chǎn)。1244光學(xué)設計技術(shù)。LED是點(diǎn)光源且方向性好,通過(guò)LED點(diǎn)陣種LED驅動(dòng),電感型LED驅動(dòng)的驅動(dòng)電流高,LED的端電壓設計、透鏡和反光裝置的設計及二次光學(xué)設計甚至三次光學(xué)設低適用于驅動(dòng)多只LED的應用。電容型LED驅動(dòng)常用在大功計可以達到較理想的配光曲線(xiàn),這也是光學(xué)設計的難點(diǎn)。在整體率LED燈具中,其LED的端電壓和電流高,可獲得高的功率和照明中,需要燈具有較大的照射面可以使用線(xiàn)性L(fǎng)ED燈條配以發(fā)光效率。LED驅動(dòng)電路的設計根據具體的需要可能會(huì )很復導光板等技術(shù)使之成為面光源。IED汽車(chē)信號燈可由反射鏡和雜,但是在電路設計時(shí)必需考慮電源要有高的可靠穩定性以及配光鏡組成通過(guò)合理的設計可達到法規配光要求的光形分布。電路要有浪涌保護等多種因素。下面給出一個(gè)可以直接驅動(dòng)5驅動(dòng)技術(shù)。LED恒流驅動(dòng)一般有電感型和開(kāi)關(guān)電容型兩LED燈串LED燈光等產(chǎn)品的LED驅動(dòng)電路圖,見(jiàn)圖1ndC2A0VACLED: 1ILED圖1LED驅動(dòng)電路(注來(lái)源于電子工程專(zhuān)輯網(wǎng))LED燈具面臨的技術(shù)問(wèn)題除了上述還有系統設計技術(shù)等研究與管理,2009,(1)6467問(wèn)題有待進(jìn)一步提高。此外,在LED行業(yè)還沒(méi)有形成統一的相[2]黃瑩劉崢LED技術(shù)及其在車(chē)燈系統中的應用]技術(shù)導向,關(guān)標準2009,(12):28-31三、LED燈與太陽(yáng)能的結合3]照明用LED技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展現代顯示,2008,9458-61[4]侯駿LED燈在道路照明方面的應用安徽建筑,008,(4)LED節能環(huán)保使用壽命長(cháng)、直流驅動(dòng)、可回收再利用,太陽(yáng)能16l-163綠色環(huán)保無(wú)污染太陽(yáng)能電池提供的電壓是直流電壓若把太陽(yáng)能(5張邦偉高樓照明和裝飾用燈中外建筑200(3):149-153與LED燈結合起來(lái)使用LED燈具在應用中就不再需要將交流電6]唐國慶從室內照明發(fā)展趨勢論LED技術(shù)提升關(guān)鍵半導體變?yōu)橹绷麟?從而使使用方便簡(jiǎn)單。而且我們的社會(huì )能源問(wèn)題和環(huán)技術(shù),200,34(3):201-204境污染問(wèn)題將會(huì )得到大大的改善。所以將LED與太陽(yáng)能結合起來(lái)譚功偉,王恩波LED汽車(chē)燈具的設計和試驗研究門(mén)汽車(chē)科可能是將來(lái)照明事業(yè)的必然之路現在這方面的應用還很少已經(jīng)技,2009,(5):41-45有太陽(yáng)能LED路燈、太陽(yáng)能LED樓道燈、太陽(yáng)能LED草坪燈等。{8]譚功偉發(fā)光二極管(LED)在汽車(chē)燈具上的應用源與照小結9吳琦LED技術(shù)及應用分析門(mén)大眾科技,2009(11):26-2LED節能環(huán)保壽命長(cháng),隨著(zhù)LED技術(shù)水平的不斷提升,高010陳建林吳青呂植勇等車(chē)用LED燈線(xiàn)性疊加光學(xué)模型研功率、高亮度、小尺寸LED燈的不斷出現LED燈具在各照明領(lǐng)究武漢理工大學(xué)學(xué)報(信息與管理L程版,200,31(2293-295域的應用必然會(huì )普及LED燈具必定會(huì )深到人們的日常室內[胡紅麗,劉斐LED燈散熱及余熱回收系統中國照明電器照明、生活交通之中。LED燈具及LED與太陽(yáng)能的結合,將會(huì )2009,(1)69成為未來(lái)照明領(lǐng)域的主力軍。[12]李鵬.LED燈具的熱分析與散熱設計.中國照明電器2008,(12):17-19參考文獻:[3]文茂強LED技術(shù)全功率-工程師必備手冊M[劉艾廖曉惠LED燈具一未來(lái)節能燈具的發(fā)展方向能源(責任編輯陳麗敏中國煤化工CNMHG125