半导体照明-21世纪的新光源

半导体照明 21 世纪的新光源 人工照明是人类扩大自己的活动范围 摆脱黑暗的手段 自从 爱迪生发明第一个碳丝灯泡至今 人类使用电能照明已有一百多年 的历史 现在 99 的人工照明光源都是使用电力驱动的 随着科学 技术的进步与发展 人们从第一代电能照明光源 白炽灯 逐渐研 发生产了荧光灯和高强度气体放电灯 使得照明光源的发光效率不 断提高 使用寿命不断增长 然而现在广泛使用的传统照明光源所存在的问题却不断地困扰 着人们 白炽灯是最早使用的电能照明光源 它色温低 色谱宽 显色性好 是人们至今不愿意抛弃它的最重要原因 但是白炽灯发 光效率低 寿命短 能耗高 与现代人们高效 节能的生活理念格 格不入 极大地限制了它的使用 欧盟委员会规定在 2009 至 2012 年逐步从市场上淘汰供家庭 工业部门和公共场所使用的白炽灯等 其他高能耗照明设备 在我国 国家发改委也启动 中国逐步淘汰 白炽灯 加快推广节能灯行动计划 的编制工作 白炽灯退出市场 指日可待 荧光灯可以说是第二代电光源 它是由放电产生的紫外 辐射激发荧光粉而发光的放电灯 具有高于白炽灯许多倍的光效 一般整灯光效可达 60 80lm W 寿命也可超过 5000 小时 早期的 荧光灯驱动电路采用电感式镇流器 功率因数低 损耗大 荧光灯 频闪严重 对人眼有害 使用电子镇流器的小功率荧光灯 30W 以 下 功率因数一般也只有 0 5 左右 如果频繁启停荧光灯 将大大 地影响它的寿命 荧光灯中含有汞蒸汽 而汞进入人体很难被排除 对人危害极大 因此废旧荧光灯的处理和循环利用是一件很麻烦的 事 欧洲一些国家已对每只荧光灯中汞的含量进行限制 并要求生 产厂对收集和循环利用废灯管负责 我国目前尚未有明确的法规解 决废旧荧光灯处理问题 垃圾填埋过程中废灯管破碎会污染地下水 对附近居民的健康造成威胁 高强度气体放电灯如高低压钠灯 高 压汞灯等的光效大为提高 低压钠灯光效可达 200lm W 可能是目 前效率最高的光源 但是开灯时 需加热数分钟后灯的亮度才可达 到最大值 预热时间长是它们的共同特点 气体放电灯的显色性极 差 一般显色指数 Ra 小于 40 因此只能用于道路照明和广场照明 气体放电灯中或多或少都加入一点汞 对环境会造成破坏 荧光灯 和气体放电灯会产生一点儿紫外线 对长时间工作在灯下的人们有 一些影响 传统的照明灯都由灯丝和玻璃构成 对于外界的冲击和 振动很敏感 机械强度差 照明电耗约占全球总电能消耗的百分之二十几 研发出更新的 高效电光源一直是专家们梦寐以求的目标 随着高效 节能 环保 的理念不断深入人心 美化生活环境的需求不断增长 人们把目光 转向了更新型的电光源材料 自从 1962 年半导体发光二极管面世以 来 经过 40 余年的发展 其制造技术可以说是突飞猛进 发光二极 管的发光效率以每十年提高十倍的速度发展 现在几乎可以比肩其 它任何一种电光源 美国的专家早在 1999 年就提出 半导体已在电 子学方面完成了一场革命 第二场革命将在照明领域发生 他们预 计 到 2020 年左右 半导体照明光源的发光效率可以达到或超过 200lm W 而实验室数据显示 现在研制出来的最新的半导体晶片 光效已达 160lm W 发光二极管作为新一代电光源的前景一片光明 国际著名的照明公司如 GE 公司 OSRAM PHILIPS 松下公司等纷 纷与半导体发光器件行业中的佼佼者联合 投入大量的人力 物力 财力加紧大功率半导体发光器件的研发工作 在国内 投身半导体 照明事业的公司如雨后春笋般地涌现 各种形式的发光二极管照明 产品纷纷面世 半导体照明必然成为二十一世纪新光源 点亮五彩 缤纷的世界 使用半导体照明将可以减少用于照明的全球电量的 50 即减少全球总电能消耗的 10 综合衡量降低的能源消耗 材料损 耗 设备容量等指标 全世界可以节支 2500 亿美元 并减少二氧化 碳 二氧化硫等污染废气的排放 3 5 万亿吨 发光二极管 Light Emitting Diode 是一种半导体器件 它能 将电能转化成光能 实质结构就是一 个 PN 结 当发光二极管通过正向电流 时 电子和空穴复合的过程中 能量 以光的形式释放出来 半导体 PN 结 发光为固体发光 晶片的材料不同所 发出光的波长也不相同 LED 的光谱宽度只有几十纳米 比较接近 单色光源 不同类型的晶片可以发出红 黄 绿 蓝 紫等颜色的 光 但是单一晶片不可能发出连续光谱的白光 必须以其它形式合 成白光 通常的做法是在一块蓝色晶片上涂复荧光粉 荧光粉受到 晶片蓝色光线激励时发黄光 与晶片发出的蓝光混合而形成白光 通过改变荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度可以获得不同色 温的白光 另一种方法是通过 R G B 三色光按比例混合获得白光 即在同一个封装里置入 RGB 三色 LED 晶片 同时点亮三颗晶片获 得白光 通过改变红 绿 蓝三色光的比例不仅可以获得不同色温 的白光 还可以尽显彩色 比普通白光 LED 操控更灵活 LED 制造 技术发展非常迅速 早期制造的 LED 只能做仪器设备上的指示灯 进而制造出所谓高亮超高亮 LED 被普遍应用于室内外大屏幕显示 系统和景观亮化领域 大晶片高功率 LED 的面世 使得它大步进入 了照明领域 近几年来 随着半导体光电材料及工艺技术的进步 并对大功 率白光 LED 封装结构的改进 使得白光 LED 的发光效率有了长足 的进步 1 5W 的白光 LED 从初期的光效 30lm W 左右提高到 80 100lm W 在一些著名的光电器件公司的实验室里 已经研发出光 效更高的白光 LED 如晶元宣布其实验室已有发光效率为 168lm W 的 350mA 白光 LED 而科锐公司的实验室已研发出光效 200lm W 的白光 LED 可以商用的 350mA 白光 LED 光效已达 160lm W 下表所列的是 LED 光源与传统电光源技术指标的对比 光源种类光效 lm W 显色指数 Ra 色温 K 平均寿命 h 白炽灯1510028001000 卤钨灯2510030002000 普通荧光灯7070全系列10000 三基色荧光灯9380 98全系列12000 紧凑型荧光灯 电子节能灯 6085全系列8000 金属卤化物灯 75 9565 923000 56006000 20000 高压汞灯50453500 45006000 高压钠灯80 12023 60 851950 2200 250024000 低压钠灯200 44175028000 高频无极灯50 70853000 400040000 80000 白光 LED 灯80 16080 100全系列50000 100000 从表中可以看出 在发光效率上白光 LED 不仅远远地超过白炽灯 也超过普通荧光灯 紧凑型荧光灯 电子节能灯 这意味着 白光 LED 比它们更亮 更节能 而且在寿命上遥遥领先 发光二极管作为一种新型的半导体电光源 具有传统电光源无 法比拟的优点 1 节能 LED 光源能耗少 光效高 目前白光 LED 光效的 实验室数据是 160 200lm W 商品白光 LED 的光效 达到 100lm W 已经超过各种荧光灯的平均水平 远 高于白炽灯 卤钨灯 高压汞灯的发光效率 预计到 2015 年 商品白光 LED 的光效将达到或超过 200lm W 即超过所有传统光源 现在流行的 LED 驱动方式是低压直流驱动 驱动电源的功率因数为 0 7 0 9 而高压 LED 的出现将进一步提高 LED 照明 灯具的电源利用率 LED 的节能效果突出 北大宽禁 带半导体研究中心张国义教授说 如果全国居民用 的电灯能有 50 改用 LED 照明灯 每年节省的电量 就是一个三峡发电站发电量的总和 LED 还可以方 便地与小型光伏发电设备 小型风力发电机结合起来 构成节能环保的绿色光源 2 环保 现在广泛使用的荧光灯 节能灯 以及汞灯 金卤 灯等电光源中都含有对人体危害极大的汞 这些光源 的生产过程和废弃的旧灯都会对环境造成污染 汞的 沸点很低 在常温下即可蒸发 一支废旧丢弃含汞灯 具破碎后 立即向周围散发汞蒸气 瞬间可使周围空 气中的汞浓度达到 10 20 毫克 立方米 超过国家规 定的汞在空气中最高允许浓度 为 0 01 毫克 立方米 的 1000 至 2000 倍 而 1 毫克汞足以污染 5454 5 公 斤饮用水 使之达不到安全的饮用标准 所有利用汞 蒸汽发光的电光源中 都是利用电子轰击汞蒸汽而产 生紫外线 这种紫外线也是一种环境污染 中国医科 大学皮肤病与皮肤美容研究所研究表明 在日光灯下 工作 学习一天所吸收的紫外线相当于在阳光下暴晒 一小时 白炽灯 荧光灯 三基色荧光灯 节能灯或 由 50Hz 60Hz 交流 或高频高压供电 均存在不同频 率的频闪 对人眼有伤害 特别是荧光类灯具 均 为高频频闪 在这类灯具下的运动物体 会出现重影 现象 如体育馆内就不能使用荧光类灯具 特别是像 乒乓球 羽毛球等小球在荧光类灯具下几乎无法进行 比赛 生产车间的旋转机床在荧光类灯具照明时会使 人眼产生反转或静止的错觉 而导致事故发生 而 LED 灯是完全不含汞的 也没有紫外线辐射 采用直 流供电不存在频闪 采用这种新光源完全杜绝了各种 污染 因此可以称为真正的 绿色光源 3 启动时间短 LED 是固体半导体器件 响应时间只有几 十纳秒 白炽灯的响应时间为几百毫秒 气体放电灯 从启动到光辐射稳定输出 需要几十秒至十几分钟时 间 在一些需要快速响应如歌厅 迪厅的音乐灯光 照相机闪光灯等应用领域以及高速运动的场合 使用 LED 作为光源是非常合适的 4 机械性能好 LED 是一种全固态的电光源 其结构中不 含玻璃 灯丝等不耐震易损坏部件 所以抗冲击 耐 震动 加之体积小易于防水密封 很适合安装于条件 苛刻和恶劣的环境中 LED 的指向性很强 可以制作 成轻薄的灯具 例如台灯 投射灯 补光灯等应用在 一些特殊场合 尤其适合于没有太多灯具安装空间的 场合 5 使用寿命长 LED 的使用寿命一般在 50000 100000 万 小时 这是传统的电光源无法匹敌的 白炽灯 1000 小时 荧光灯 金卤灯 10000 小时 节能灯 8000 小 时 高压钠灯 20000 小时 都远低于 LED 的寿命 考察照明成本 不仅仅要考虑电力消耗成本 还要考 虑后期维护成本 更何况传统灯泡灯管都是一次性使 用 损坏后无法再生 而 LED 灯一般是多只组合构 成 修复方法简单 成本也很低 6 易于控制 LED 是电流控制器件 使用低压直流供电 容易进行动态控制 可以根据用户的需求设计集群控 制 在一些需要编程能力的场合 能够提供合理的解 决方案 为室内外照明的智能化管理提供便捷 LED 灯具可以很方便的加入数字或模拟调光功能 便于实 现远程控制 而且在多雾 雨天等特殊情况下可以提 供超高亮度及显色性的照明 特别适合作为交通指示 7 美化生活环境 现代灯具正处于从 亮起来 到 靓起来 的转型中 更夸大装饰性和美学效果 LED 能发出各 种颜色的光 发光效率高 使用先进的控制技术 可 以得到五光十色 绚丽多彩 虚幻灵动的各种效果 LED 体积小巧 更具装饰性特点 通过灯具设计能与 建筑物有机融合 达到 见光不见灯 的效果 室内 照明可以实现根据季节变换 情趣不同调光调色 营 造温馨的生活环境 在景观照明和演艺舞台 体育场 馆 LED 更是大有可为 从 2012 年起欧盟成员国 美国 日本将全面禁止使用白炽灯 我国也在逐步限制使用和淘汰白炽灯等高能耗电光源 给 LED 照明 灯具带来巨大的商机 我国十二五期间 绿色环保 节能减排将是 重中之重 许多地方政府都加大投入 把发展 LED 照明光源作为新 的经济增长点 Philips 估计 2009 年全球通用照明市场规模为 630 700 亿美元 在 2010 2020 年将以平均 6 的速度增长 在通用 照明产值中 照明灯具和照明应用占据约 70 的份额 灯泡占据约 20 这里灯泡部分主要来自替换的需求 一些灯泡作为光源已经被 计算在灯具和照明应用之中 2009 年全球照明市场中 LED 照明产 值约 24 亿美元 对通用照明市场的渗透率仅 3 3 Philips 预计 LED 照明在全球通用照明市场的比例将在 2015 年上升至 50 在 2020 年达到 80 根据美国能源部的预测 白光 LED 封装的流明成本将从 2009 年的 25 klm 下降到 2015 年的 2 klm 平均每年的成本下降在 30 以上 而 2010 2012 年间年均降幅接近 40 2011 2012 年将是 LED 与传统照明价差下降最快的时间段 LED 照明渗透率将在此期 间产生跨越式的增长 LED 照明大规模替代传统照明灯具将出现在 2011 年底 2012 年初 2011 2012 年应为对 LED 照明产业的重要 投资时点 随着政府对企业节能减排要求愈加严格 商业 工业领 域会对使用节能型照明产品表现得更为积极 LED 照明产品的替代 首先出现在商业 工业领域 尤其是