LED在绿色节能照明中的应用进展

　　1 引言

　　在电能消耗中，照明用电占发电总量的比例：发达国家是19%，我国是10%。随着经济发展，我国的照明用电将有大比例的提高，绿色节能照明的研究应用越来越受到重视。开发和推广应用节能灯具，成为迫在眉睫的任务。LED照明就是在这样的形势下发展起来的。

　　LED(light emitting diode)即发光二极管，它是一种在P-N结上施加正向电流时能发出紫外光、可见光、红外光的半导体固体发光器件。LED的发光机理是：半导体材料中的电子和空穴在P-N结处结合，发出与电子和正电荷空穴之间的能量差相对应的光子而发光。不同的半导体材料可制成各种波长发光的LED。

　　近年来，随着半导体外延技术和制造工艺技术的快速发展，LED照明在国外(尤其是在美日等发达国家)发展很快，而我国的LED照明发展严重滞后。本文从照明用灯的发展，节能灯的应用现状，LED的研究与应用现状，国内外的研究应用发展、应用前景等方面做简要地分析介绍。

　　2 LED照明光源的发展

　　上世纪70年代，首先发现了橙黄绿LED，但是光效很差，且需要环氧塑料做滤光器。1996年，首先在蓝光上取得突破。现在，高亮LED发明以后，LED的市场份额明显增加。交通灯市场的发展验证了这个趋势：如果用高亮LED代替使用滤色片的标准白炽灯，将节能90%。惠普公司发明了一种平头倒锥形的LED，发射黄光的光效达到100lm/W。现在，以氮化物为管芯材料的LED的研究重点是如何提高亮度，预计在5a内将其发光效率从15lm/W提升到50lm/W。以InGaN为基芯的超亮蓝色LED的主要目标，是通过调整氮化物，将发光效率提升到100lm/W，从而可以用到白色超亮LED中。

　　自1996年白色)LED开发成功以来，其发光效率不断地提高。LED开发初期光效率只有5lm/W，到1999年，达到相当于白炽灯的光效(15lm/W)。初期采用的GaN芯片发蓝光，通过激发荧光粉发出黄色光，芯片的蓝光和荧光粉的黄光混合在一起，形成白光。用三基色(R、G、B)LED芯片集成制成三色混合模块，这是另外一种混合白光LED灯，亮度相当—只40W白炽灯。后来白光LED的光效相当于卤钨灯的光效25lm/W，但是，它还只能作为局部照明的光源。最近，美国Agilient实验室己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。预计2005年白光LED发光效率将达100lm/W上，相当于荧光灯的光效。

　　3 白光LED的特性

　　白光LED的特点：1)低电压驱动，最低可用2V电压驱动;2)体积小，一般直径3-5mm，用于被光照明的体积更小;3)重量轻，显色性好，显色指数超过90，超过荧光灯，接近白炽灯的显色性能，接近自然光;4)调光性能好、寿命超过,10万h、耐振动、不易损坏、色温变化时不会产生视觉误差，生产过程无汞和铅的污染，将成为替代白炽灯和荧光灯的高效节能光源。

　　和其他的节能灯相比，LED灯还有一个明显的优点：不用镇流器。众所周知，荧光灯的启动需要镇流器，旧式镇流器为电感式镇流器，启动电压高，噪音大，温升高，个大笨重，能耗较多。虽然现在推广使用了电子镇流器，节电效果明显，但是它终归是有能耗的，而且其成本也很高。LED灯的启动电压和工作电压一致，完全不需要镇流器，这样就省去了镇流器成本和相关的能耗。LED灯的通断电响应时间很短，在几十ns的级别上，比荧光灯快得多。

　　现在，已经开发并形成了高压交流电源、低压直流电源等多种LED 灯系列产品。荧光灯大多工作在高压交流电源中，虽然也可以用较低的直流电压，但不能像LED那样在5V的电源下就可以工作。

　　制造LED使用的材料少，原料中不需要汞铅等重金属有害物质，不会对环境造成污染。

　　LED的工作电流对光效的影响不大，即使在很低的工作电流下，仍可以保持很高光效。发光效率和顺方向电流的依存性是负比例关系的。

　　4 LED光源设计

　　由于单只LED的功率小，光亮度低，因此，单只LED的使用没有大空间照明的实际意义。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，这才能具有广阔的应用前景。目前，世界大的照明公司(如飞利浦、NHK、松下、欧司朗等)都在将多个LED集中在一起，开发具有不同应用范围和品种规格的LED照明系统。

　　LED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)设计“二次光源”上的每只LED 管的配光分布和控制。有人研究设计了一种新型的多芯片LED封装模式，它在单个塑料封装里包含了数十个LED，亮度大幅度提高，能用于常规的照明。

　　尽管白光LED可以通过红绿蓝光LED的混合光来实现，但是更有前途的是蓝光LED和荧光转换器的结合，它能在更长的波长上发射宽光谱现在，将InGaN超亮LED和荧光转换材料结合制造白光LED，有了很大的进展，光效已经超过10lm/W,其关键是采用了紫外发射器作为促激光源，使用吸光材料把紫外光全部吸收，然后再发射出全可见光。

　　进行照明设计时，当光源满足显色性要求的前提下，选用瞳孔亮度大的光源会有利于改善光环境质量和有利于照明节能。对LED来说，可以通过增加蓝色波长的照射功率达到节能效果。

　　5 LED光源与太阳能应用相结合

　　LED作为一种节能无污染的电光源，可以和绿色能源结合起来，从而形成真正的绿色节能用电系统，其中与太阳能应用相结合就是一个典型的例子。

　　岸村工业公司制造出一种太阳能白光LED路灯。该灯采用55W的晶体类太阳能电池，配90个高亮度的LED，在3.2m高照明灯的正下方路面的照度有3lx，距灯10m的位置能保持1lx的照度。LED太阳能路灯还有优良的气候耐性、温度耐性和超长的工作寿命。该路灯配用合适的蓄电池，在连续1周不见阳光的情况下，仍能保持电力供应。

　　我国深圳朝阳太阳能公司开发出了太阳能夜间交通警示灯。闪烁频率为60-70次/min，阴天情况下，可以连续工作15d，采用功率0.3W的太阳能电池和4个黄/红超亮度发电二极管，其能见度超过1km。太阳能LED灯可以广阔应用于广场，道路照明、建筑外观照明等。白色LED照明系统除了可用电能、太阳能做能源外，还可以用风能、燃料电池等作为辅助能源。

　　6 LED光源的发展展望

　　目前，对用于照明的LED的研究主要集中在无机白光LED领域，我们不可忽视有机LED的研究。有机LED也能发射白光，只是白光有机LED对发光电压的依赖很强，效率很低，不过，其改进潜力很大。现在，有机LED的光效已经超过60lm/W，寿命超过50h,驱动电压低于5V，它不像液晶显示那样，不需要背光照明，可以做到很薄，能耗也就降低了。可以相信，有机LED用作照明光源也只是迟早的事情。美国专家预测，到2008年，有机LED的全球市场将达到23亿美元。

　　利用LED的特性，结合相关新技术，能够开发适用于不同场合和用途的照明系统。LED的发光效率将在近年内超过荧光灯，成为高效节能光源，而且可以利用太阳能、风能、燃料电池作为照明系统的能源，大大节省了电能，减少了因发电引起的废气对大气的污染。@AB 生产中不用汞、铅等有害物，免除了这些废弃物对环境的污染。因此，白色LED是有利于环境保护的绿色照明产品。

　　作为第4代绿色节能光源，白色LED将替代白炽灯和荧光灯，世界各国对此都很重视。日本正在实施使白色LED光效达80-100lm/W的开发计划。2000年4月，美国召开了“LED发展战略研讨会”推动LED技术的发展。面对国际上照明用白色LED迅速开发和竞争的形势，我国也加强了对照明用白色LED的开发和应用的重视，2003年6月科技部提出“发展半导体照明计划”，提供用于LED开发的引导经费，尽力地改变照明光源技术落后的状况。

编辑：cedar