LED半导体照明的发展与应用

1、LED半导体照明的发展与应用者按：半导体技术在上个世纪下半叶引发的一场微电子革命，催生了微电子工业和高科技IT产业，改变了整个世界的面貌。今天，化合物半导体技术的迅猛发展和不断突破，正孕育着一场新的革命一一照明革命。新一代照明光源半导体L ED ,以传统光源所没有的优点引发了照明产业技术和应用的革命。半导体L ED固态光源替代传统照明光源是大势所趋。1、L E D半导体照明的机遇(1)全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。作为能源消耗大户的照明领域， 必须寻找可以替代传统光源的新一代节能环保的绿色光源。(2)半导体

2、L ED是当今世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。其具有如下优点：高效低耗，节能环保；低压驱动，响应速度快安全性高；固体化封装，耐振动，体积小，便于装配组合；可见光区内颜色全系列化，色温、色纯、显色性、光指向性良好，便于照明应用组合；直流驱动，无频闪，用于照明有利于保护人眼视力；使用寿命长。(3)现阶段L E D的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前L ED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明领域等。但是，化合物半导体技术的迅猛发展和关键技术的即将突破，使今天成为大力发展半导体照明产业的最佳时机。2 0 0 3年我国人均GD

3、P首次突破1 0 0。美元大关，经济实力得到了进一步的增强，市场上已经初步具备了接受较高光通量成本(初始成本)光源的能力。在未来的102 0年内，用半导体LED作为光源的固态照明灯，将逐渐取代传统的照明灯。(4)各国政府予以高度重视， 相继推出半导体照明计划，已形成世界性的半导体照明技术合围突破的态势。美国：“下一代照明计划”时间是2 0 0 02 0 1 0年 投资5亿美元。美国半导体照明发展蓝图如表1所示；日本：“2 1世纪的照明计划”， 将耗费6。亿日元推行半导体照明目标是在2 0 0 6年用白光L E D替代5 0 %的传统照明；欧盟：“彩虹计划” 已在2 0 0 0年7月启动通过欧共

4、体的资助推广应用白光LED照明；中国：2 0 0 3年6月1 7日，由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组” 。从协调领导小组成立之日到2 0 0 5年年底之前，将是半导体照明工程项目的紧急启动期。 从2 0 0 6年的“十一五”开始，国家将把半导体照明工程作为一个重大项目进行推动；(5)我国的半导体LED产业链经过多年的发展已相对完善，具备了一定的发展基础。 同时，我国又是照明灯具产业的大国， 只要政府和业界协调整合好，发展半导体L ED照明产业是大有可为的；2 LED的发展历程(如图1所示)2. 1 LED技术突破的历程(1) 1962年，GE、Mons

5、anto、 IB M的联合实验室开发出发红光的磷神化B (Ga As P)半导体化合物，从此可见光发光二极管步入商业化发展进程；(2 ) 1 9 6 5年，全球第一款商用化发光二极管诞生，它是用错材料制成的可发出红外光的LED,当时的单价约为4 5美元。其后不久，Mo n s a n t o和惠普公司推出了用Ga A s P材料制作的商用化红色LED。这种LED的效率大约为0 .1 1 m/W,比一般的6 01 0 0 W白炽灯的(15 1 m/W)要低上1 0 0多倍；(3) 1 9 6 8年，L ED的研发取得了突破性进展，利用氮掺杂工艺使G a A s P器件的效率达到了 1 1 m/W

6、,并且能够发出红光、橙光和黄色光；(4) 1 9 7 1年，业界又推出了具有相同效率的G a P绿色芯片L ED;(5)到2 0世纪7 0年代， 由于L ED器件在家庭与办公设备中的大量应用，L E D的价格直线下跌。事实上，LED在那个时代主打的是数字与文字显示技术领域；(6)20世纪8 0年代早期的重大技术突破是开发出了 A 1 G a A sLED,它能以10 1 m/W的发光效率发出红光。 这一技术进步使L ED能够应用于室外信息发布以及汽车高位刹车灯(CHMSL)设备；(7 ) 1 9 9 0年，业界又开发出了能够提供相当于最好的红色器件性能的A 1 I n Ga P技术，这比当时标

7、准的G a A s P器件性能要高出1。倍；(8)今天，效率最高的L ED是用透明衬底A 1 I n G a P材料做的。在1 9 9 12 00 1年期间，材料技术、芯片尺寸和外形方面的进一步发展使商用化LED的光通量提高了将近3。倍；(9 ) 1 9 9 4年，日本科学家中村修二在G a N基片上研制出了第一只蓝色光二极管，由 此引发了对G aN基L ED研究和开发的热潮;（10） 2。世纪9。年代后期， 研制出通过蓝光激发Y A G荧光粉产生白光的L ED,色泽不均匀，使用寿命短，价格高。近年来随着技术的不断进步，白光LED的发展相当迅速，其发光效率已经达到3 0 1 m/W,实验室研究

8、成果可以达到6 0 1 m/W,大大超过白炽灯，并向荧光灯逼近；2.2 LE D封装形式的发展历程（如图2所示）2 . 3 LED应用的发展历程从其应用发展来看，L ED产业的发展历程依次可分为以下几个阶段：指示应用阶段；信号、显示应用阶段；照明应用阶段。3 L ED在照明领域的应用（1）信号指示：所有电子设备的功能指示、交通信号灯等（如图3所示）；（2）显示应用：指示牌、广告牌、大屏幕显示等（如图4所示）；（3）照明应用；手电筒、头灯、矿灯、潜水灯等；汽车用灯：高位刹车灯、刹车灯、转向灯、倒车灯、侧灯、雾灯、车内照明灯、前灯等（如表2所示）；特殊照明：太阳能庭院灯、太阳能路灯、太阳能航标灯、

9、小夜灯、台灯、射灯、室内装饰灯、洗墙灯、橱窗灯、画灯、景观灯、护拦灯、地埋灯、地砖灯、水底灯等（如图5、图6所示）；背光照明：普通电子设备功能显示背光源、笔记本电脑背光源、 大尺寸LCD显示器背光源等；投影光源：投影仪用RGB光源； 普通照明。3. 2 LED在照明应用中应注意的问题3.2.1 正确选用合适的 LED(1 ) L E D性能与可靠性的考虑；(2)实际使用环境与条件的考虑；(3 )成本的考虑。3.2.2 尊重LED的特点，合理地使用 LED(1 ) L E D额定工作条件的考虑；(2) L E D驱动电路的设计和电源的选用；(3) LE D散热结构的设计与照明系统的热量管理；(4

10、)照明系统的二次光学设计；(5)照明系统的可靠性设计；(6 ) LED的防静电、抗辐射要求的考虑；(7)防止L ED在实际应用加工中的损伤；(8) LED的贮存和防护条件的考虑。3.2.3与LED制造厂商保持良好的信息沟通和互动配合，共同找出LED在照明领域的最佳应用解决方案(1 )应用端尽可能地将设计要求与期望详细地向制造厂商描述，以便L ED制造厂商提供专业的意见，正确地选用合适的LED;(2 )应用端及时地将L ED在使用过程中发生的问题反馈给制造厂商，以便制造厂商进一步改善LED的性能与品质，提出更好的解决方案；(3) L ED制造厂商应主动配合用户的要求,提出最佳应用解决方案。 同时

11、用心指导用户合理地使用LED,提高L E D的应用可靠性，使L E D的性能得到最大限度的发挥。4、挑战与展望4. 1 LED半导体照明面临的挑战4.1.1、LED光源(1 )更高的发光效率真正体现L ED节能的优点；3 0 1 m/W6 0 1 m/W10 0 1 m/W2 0 0 1 m/W(2 )更大的输入功率适应普通照明的要求；1 W3 W5 W8 W 10 W(3 )更低的热阻降低L E D本身的发热量；2 0 C/W1 5 C/W1 0 C/W 8 0 9 5(7 ) 更长的寿命真正体现LED的优点：5 KH r s 2 0 KH r s 5 0 K( r s 1 0 0 KH r

12、 s(8)更理想的光学结构一一配合照明应用的光学设计；(9)更低的售价一一L ED要真正大规模进入普通照明领域，售价必须比目前降低8 0 %以上。4.1.2 、照明应用(1 )更合理的电源、驱动和控制电路设计一一保证L E D的应用可靠性，有利于L E D优点的体现；(2)更高的电源与驱动电路效率真正配合L ED节能的优点;-3 )更理想的二次光学设计针对L ED的出光特点，更好地提高LED的应用光效；-4)更好的照明系统散热设计和热量管理一一减低L ED由于过热而造成的失效；(5)更高的系统可靠性设计一一保证L E D的长寿命特点得以实现。4.2、半导体照明发展蓝图展望(1)美国：2 0 0

13、 2 年 201m/W,2 0 0 7 年 751m/W, 2012 年 1501m/W。预计到2 0 2 5年， 固态照明光源的使用将使照明用电减少一半。从2 0 0 02 02。年，累计的功效和节约潜力就可以达到减少2 .5 8亿吨炭污染物的排出；少建1 3 3座新的电站(每座1 0 0 0 MW); 累计节约财政开支1 1 5。亿美元；形成一个新的每年产值超过5 0 0亿美元的光源产业，还会带来高质量的更多的工作机会；(2)日本：已经完成了 “二十一世纪照明”发展计划的第一期目标，正在组织实施第二期计划。计划到2 0 1 0年，L ED的发光效率达到12 0 1 m/W;(3)韩国：“固态照明计划”经政府审议批准，2 0 0 42 0 0 8年国家投入1亿美元，企业提供3 0 %的配套资金，近期开始实施，预计到2 0 0 8年达到8 0 1 m/W;(4)台湾：推动“次世纪照明光源开发计划”，投资约61。亿新台币，2 0 0 5年目标是4 0 1 m/W的LED投入生产，而实验室目标为1 0 0 1 m/W;(5)中国：2 0 0 4 年 201m/W,2 0 0 5 年 301m/W, 2