白色LED照明系统.doc

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1、2001年第8期光机电信息白色LED与照明系统1　前言白色发光二极管(LED)作为下一代节能照明光源已崭露头角。利用Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体(InGaN,AlGaInP)开发了电光转换效率非常高的LED，从而使具有极高发光强度的固体光源实用化，发光效率在10年中约提高一个数量级。预计到2010年，蓝色、绿色LED的发光效率将超过100lm/W。日本开发出的AlInGaP琥珀－LED的外部量子效率达到了50％，发光效率达到了100lm/W。LED具有低电压驱动、小型、重量轻、耐用、寿命长等优点。红色、绿色、蓝色LED可代替白炽灯，并

2、可用于显示板、交通信号灯等。另外，近几年还开发了由蓝色LED和荧光体(掺铈YAG)组成的白色LED，人们对这种新的节能照明光源给予了极大关注。本文概括介绍了以GaN类化合物半导体和荧光体为基础的白色LED光源的研发现状，并阐述了白色LED的照明特性及其应用。2LED的发光强度和发光效率2.1　有色LED发光二极管是一种将电流顺向通到半导体p－n结处而发光的器件，通常采用双异质结和量子阱结构。1962年GE(GeneralElectric)公司用GaAsP首次将红色LED商品化。最初的红色LED的光通量为0.1lm/W，约是普通

3、灯泡的1/150，其发光效率大约每10年提高一个数量级。最近，蓝色、绿色LED已实用化，其发光强度超过AlGaAs类红色LED。这种LED采用氮化物半导体(InGaN混晶)作活性(发光)层的量子阱结构，其发光强度超过10cd，量子效率超过20％。此外，还开发了外部量子效率超过50％的AlInGaP红色LED(630nm）和琥珀－LED(595nm)。InGaN绿色、蓝色LED的量子效率也接近上述值。坎德拉(cd)是发光强度的单位，用以表示可见光LED发光强度的指标。发光强度I可用光通量Φ和立体角Ω表示。I=dΦ/dΩ　　　〔c

4、d〕Φ=Km∫V(λ)Pλdλ〔lm〕其中，Km为在波长555nm范围内的最大可见度(683lm/W)，绿色对人眼是最亮的。V(λ)是在波长为λ时的相对可见度[V(555nm)=1]，Pλ为光谱辐射通量。图1各种LED的发光效率(lm/W)和各种光源亮度的比较图1比较了已实用化的可见光LED及其照明光源的发光效率(lm/W)。图中实线为可见度曲线。该曲线的30％是LED可能实现的发光效率的极限值，但在AlGaAs、AlInGaN和InGaN类器件中，这一效率有可能提高近50％。每一个LED的光通量(lm)最多为1lm～2lm，

5、在一般照明用光源中，则有必要集成多个LED。与其他光源相比,其LED的发光效率远超过白炽灯，也有超过荧光灯的。2.2　白色LED白色LED是一种由InGaN蓝色LED和荧光体组成的新型LED。在蓝色LED芯片上涂敷荧光层，涂层是由(Ya,Gd1－a)3(Alb,Ga1－b)5O12∶Ce3＋组成的YAG荧光体。例如，炮弹型灯的制法是先将LED芯片装在导架上，粘接金线(Au)，然后在灯表面上涂敷荧光体，最后用环氧树脂将芯片周围密封。日亚化学工业公司于1996年将其用蓝色LED和YAG荧光体作成的白色LED产品推向实用化。现欧美大

6、型照明厂商对白色LED的开发十分活跃，并制定了21世纪的开发目标，预计2005年白色LED的发光效率将超过50lm/W。日本通商产业省指导的“21世纪之灯”国家项目的目标值到2010年时将达到120lm/W。3　白色LED及其原理用表1所述的两种方式(单芯片型和多芯片型)可得到色调效果好(Ra85)的白光。一是同时点亮红色、绿色、蓝色(R.G.B)或蓝绿色和黄橙色2、3种LED；二是用辐射蓝色或紫外LED作激励光源激励荧光体的方式。第一种方式不仅在LED的驱动电压或发光输出上有缺陷，而且在温度特性或器件寿命上也存在问题，因此

7、距实用化还有一段距离。第二种方式则用一个器件即可，驱动电路，易于设计。有两种激励方式：即(1)用蓝色LED激励发黄光的荧光体；(2)用紫外LED激励R.G.B荧光体。激励荧光体的白色LED照明光源因荧光体组合的不同可发射白光以外的各种颜色的光，因而可广泛应用于照明。如前所述，每一个LED的光通量(lm)很弱，要作为照明光源必须配置多个LED。而开发LED照明用光源，则必须对包括多个LED集成器件光分布在内的装置系统进行优化设计，此外，研究人员还必须参加半导体发光器件和照明光源的开发及技术交流。预计今后将有各种型号的白色LED问

8、世。然而，现在单芯片型InGaN蓝色LED和YAG荧光体组成的白色LED仅处于产品化阶段。美国LEDtronics公司、Gentex公司正致力于用蓝绿色LED和琥珀色LED开发多芯片型LED光源的研究，但难以实现一样的混色，故很难达到实用化。用R.G.B三基色LED开发了白色