LED灯应用及展望

科技之窗 Technology Windows中外企业家2011年第9期(下】总第381期IED灯应用及展望宋冬灵信息工程大学理学院河南郑州450001)摘要:LED作为新一代灯具,具有环保高效节能灵活等特点,是未来灯具发展的方向。从LED灯的发光特点、应用面临的技术问题、LED灯与太阳能的结合几个方面综逑了LED灯,指出未来社会的照明应该是LED与太阳能的结合。关键词:LED;芯片;封装;节能中图分类号:M923文献标识码:A文章编号:1000-8772(2011)18-0123-03引言本较低,缺点是发光效率低,不到40m/W,且紫外线照射下材料易老化。第三种方式是蓝光LED加黄色荧光粉,优点是演色性发光二极管LED,英文 Light Emitting Diode。近几年,随着和发光效率都高,可达80mW左右,成本低缺点是蓝光LEDLED技术的飞速发展和LED灯无可比拟的优势,LED灯作为继发光波长的偏移、强度的改变及荧光粉涂布厚度的改变都会影白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯(HID)之后的第四代灯具在响白光的均匀度,且光谱较窄,色彩不全,色温偏高灯光对眼睛照明领域已被广泛应用,小到台灯、手电筒、各种电器上的指示不柔和不协调所以这种白光还需要改进第三种方式目前已经灯、信号灯等,大到室内外照明、路灯、装饰灯、景观照明、演播室比较成熟且已商业化。正是第三种获得白光LED的方式带来了灯、汽车灯具、液晶显示背光模组等。到2011年年初,全球高亮LED灯的飞速发展。度LED的产值已达106亿美元。(二)LED灯的特点相比前三代灯具,LED灯具具有许多优势和特点LED灯的发光及特点LED灯是直流电源驱动,驱动电压低,功率小耗电量少(一川LED灯的发光节能省电。由于LED的发光部件是半导体PN结芯片,它具有ED是利用半导体PN结芯片发光的。PN结由P型半导体单向导通,反向截流的特点,所以LED灯只能用直流电源供电,和N型半导体组成在他们的交界面两侧深层形成PN结。PN且需要的驱动电压很低,单珠驱动电压为3V-34V,功率很结具有单向导电性。当给PN结加正向电压时,P区和N区的多小。以单珠白光LED为例,小功率LED为006W,电流不能超过数载流子向对方扩散,由于电子的迁移率比空穴的迁移率大的20mA,大功率LED现在常用的有1W和3W的,再大功率的需多,就出现了大量电子向P区扩散构成P区少数电子的注入。要解决散热问题,可以用多个芯片集成得到。常用的获得较大功这些电子与价带上的空穴复合,复合时释放出光子而发光。这率LED灯具的方法是将多珠LED串联或混联,这样就可以获就是PN结也即LED灯的发光原理。得任意功率的IED灯具。由于这些特点,LED灯具的耗电量非构成PN结芯片的半导体材料有硅(Si)、氮(N)、磷(P)、砷常低。以一个路灯的电耗为例将高压钠灯、LED路灯以及太阳(As)、铝〔Al)、锗(G)、嫁(Ca)、锶(Sr)、铟(ln)等元素构成。具体能LED路灯进行对比。若每天供电10小时,其中太阳能LED选择何种材料则由需要的LED发光颜色决定。例如车灯系统中路灯为2小时加8小时太阳能供电,则三种灯具的年耗电量分常用的芯片材料有:蓝色一nCaN、黄色一 AlInGaP、红色一别为54750KW/h、21900KWh和4380KWh。LED的年耗电量仅AlGaAs不同的材料发出的光只覆盖很小范围的波长,所以是高压钠灯的40%左右,而太阳能LED路灯的年耗电量仅是高LED基本上只发出单色光,且大多在可见光区域LED灯发出压钠灯的8%左右。相比之下,使用后者作为路灯将大大节约电的光有红、绿、黄、橙、蓝等各种颜色。现在单色LED已经被广泛能,节省电费。现在在我国已有大功率大规模的LED路灯和太应用在信号灯系统中。阳能LED路灯系统投入使用。随着LED技术的发展,现在不但有单色光LED,还出现了2LED灯具的发光效率高。表1是四代灯具发光效率对照白光LED。实现白光LED的方式主要有三种:第一种方式是利表。由表1可以看出四代灯具中LED灯的发光效率最高。LED用红、绿蓝三色LED混光产生白光优点是红、绿、蓝三色混光灯具的发光效率理论值可达到250lm/W,而国内现产的白光可简单调出所要的色温和色光,演色性高(大于90),发光效率LED灯低于100lm/W,国外的略高于100lmW,与理论值还有高(大于80mW),缺点是三种不同的发光源同时进行,电源供定的差距。低功率的I灯在同笔昭明情况下可以代替高功应设计复杂,且在某些距离有颜色不均匀现象第二种方式是利率的普通灯具中国煤化工100的白炽灯的亮用紫外线LED(UⅤLED)加红绿蓝荧光粉,优点是演色性高,成度,30W的相CN MHGW收稿日期:201-09-02作者简介:宋冬灵(1977-),女,河南新乡人,讲师,主要从事教学及科研工作123LED灯表1:各种灯具的发光效率IED虽然有很多优点,但是也存在着许多不足和技术问题灯具种类发光效率(1m/W)有待进一步改进和解决,下面从几个方面对之进行了讨论白炽5-10荧光灯40-801大功率LED技术。LED存在静电释放损害和热膨胀系数钠灯40-110等效能瓶颈和散热问题使其功率不能做得很大,亮度低。目前LED灯60-250常用的性能比较稳定的大功率LED芯片是1W和3W。可以通(注:表格来自参考文献过集成芯片提高LED功率,但现在技术还不成熟,主要是需要3单珠LED体积小,使用寿命长,可实现照明智能化。LED解决散热问题。也可以通过多珠LED的串、并联或混联实现大的体积小,封装一般用树脂而不是玻璃,不易损坏使用灵活方功率LED灯具。后两种效率较低用的较少,多珠LED串联是便。LED灯的实验室寿命可达1000,正常使用可达500h目前LED灯具在照明领域应用的主流。但是单珠串联有个致命以上,而且只要在额定电流范围内频繁开关电源或通过挖制系弱点,一颗损坏,整路不通。这是制约大功率LED灯具在照明领统调节电流,对LED寿命无影响。由于LED光源工作电流可以域应用的一大瓶颈。提高LED灯具的功率,一是从芯片方面提控制所以通过电路设计,做成的灯具的亮度也是可以控制的,高功率另一是优化电路设计提高功率。可实现灯光控制的智能化。根据以上特点可以把LED做成各种2散热技术。温度是影响LED的一个重要因素温度升高装饰灯、动态图案等。对于LED路灯,根据夜间不同时间段需要会使LED的光衰减加快,而芯片结点处的温度直接影响LED的路灯灯光亮度不同,可以设置为分时段调节亮度,这样既能更的寿命,所以LED散热能力的强弱限制了LED的功率大小。好地节能,又不影响其寿命,相比其它灯具,大大减少了更换率,LED内部的热量主要由LED芯片和印刷电路板工作时产生,对降低了维护成本且安装维护简便。于小功率LED,通过自然传导对流的方式就可以把热量散发出4显色性高配光容易。显色性是指光源对物体本身颜色显去但对于大功率LED就要考虑多方面散热。在散热设计上,通示的程度。LED灯的显色指数高达75%90%,非常接近自然常从LED封装散热、电路板散热和增加散热部件等方面考虑。光。在LED灯的照射下,人们可以比较容易识别物体的颜色适用导热性能好的硅树脂封装,印刷电路板上采用导热绝缘层金合在商品柜台、医院手术台、美术室以及室内照明、室外道路照属基层等。对于大功率LED路灯解决散热问题除了LED本身明等场所使用。LED灯的光色可人为控制,可以通过配光满足有好的散热结构外,还要把路灯的外壳作为散热的渠道将壳设不同照明领域的需求。计成散热面在侧上方且加散热鳍片以利于空气对流,或是将壳5LED灯无闪烁、无紫外线热辐射极低,对人眼无危害。将设计成风孔式对流散热,风扇辅助风冷和毛细管水冷等散热方LED灯用于室内照明及工作学习场所,可保护眼睛。LED灯单式还在试验阶段。汽车的LED前雾灯前大灯等在灯具设计时色性好,方向性强,响应速度快特别适合用于汽车灯具、舞台灯增加铝制电路板、支架等加快散热。在LED灯具的结构设计上,具等有人提出了在灯具中加热管散热器散热。为了改善散热效果,在6IED灯具中不含汞氙等有害气体,废弃物利于回收和再灯具设计上需要考虑多方面因素,如灯体散热片的排列与布置利用,不会对环境造成污染。LED灯不需要镇流器,不会产生电要考虑间距、方向、表面处理等,在灯具金属外壳上涂上散热涂磁辐射不会造成光污染,绿色环保。层等。目前LED产业的发展重点高功率高亮度、小尺寸的产总之,LED灯具有节能省电、绿色环保、灵活方便等优点,与品,使用的是陶瓷散热基板作为其LED晶粒散热的途径。未来的节约型社会合拍,是未来最具有发展前途的灯具之一。3芯片技术和芯片封装技术。芯片技术发展的关键是衬底二、LED灯的应用及面临的技术问题材料的选择和外延片的生长技术。技术提升的关键都是围绕着降低缺陷密度和如何研发出更髙效稳定的器件进行的,而如何(一)LED灯的应用提升LED芯片的发光效率则是目前整体技术指标的最重要衡由于LED灯有其它灯具无可比拟的优点,LED灯正以非常量标准。传统的衬底材料有蓝宝石、Si、SiC,目前比较热门的材快的速度发展并逐渐取代其他灯具,现在LED灯已经被广泛应料有ZnO、GaN等。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化用在各照明领域中。由于LED体积小应用灵活,可以排列成各学气相沉积。据2011年LED环球在线报道美国北卡罗来纳州种形状能够用计算机程序进行控制所以可以显示出文字、图大学提出了一种新的氮化镓生长工艺,这一新工艺有望把材料像、动画影视等静态和动态的图案。在2008年的北京奥运会的缺陷减低千分之一,从而制造出更高亮度的LED发光二级管。开幕式上,IED灯就显示了它无尽的魅力和优势。LED被大量单芯片封装技术主要在于芯片的成品率、色温控制和荧光使用在公众显示器中,如各种信号灯、景观照明、广场街道的美粉的涂布工艺等。多芯片集成封装还要考虑散热问题和电极分化、公共娱乐场所美化、舞台效果照明、建筑照明等。在液晶显布等问题。封装材料的选择主要考虑三个技术参数即热导率示器中,LED被用作电脑、电视机和手机等显示屏幕的背光源。热膨胀系数和密度。通常热导率高热膨胀系数与芯片的热膨胀在交通道路上,LED已经用于可控节能型路灯照明、隧道灯照系数相匹配、密度低的材料是理想的封装材料,铝碳化硅明、立交桥照明、交通信号灯等。在汽车灯具方面现在许多轿(ASiC)电子封装材料将金属的高导热性和陶瓷的低热膨胀性车的制动灯,位置灯、转向信号灯后雾灯倒车灯等灯具都开始结合起来同时具有这三个特性并且成本低是非常好的大功采用LED光源。随着LED技术的不断提高技术问题不断得到率LED芯片封製中国煤化工技术展”上,索尼解决,大功率LED灯具的不断出现,LED在室内照明、汽车灯化工与信息元州CNMHG片封装的各向异具、演播厅、观片灯等领域的应用将会更加普及性导电粘合剂“LEP000”,用这种粘合剂可大大提高光通量,(二)LED灯面临的一些技术问题2011年该公司投入生产。1244光学设计技术。LED是点光源且方向性好,通过LED点阵种LED驱动,电感型LED驱动的驱动电流高,LED的端电压设计、透镜和反光装置的设计及二次光学设计甚至三次光学设低适用于驱动多只LED的应用。电容型LED驱动常用在大功计可以达到较理想的配光曲线,这也是光学设计的难点。在整体率LED灯具中,其LED的端电压和电流高,可获得高的功率和照明中,需要灯具有较大的照射面可以使用线性LED灯条配以发光效率。LED驱动电路的设计根据具体的需要可能会很复导光板等技术使之成为面光源。IED汽车信号灯可由反射镜和杂,但是在电路设计时必需考虑电源要有高的可靠稳定性以及配光镜组成通过合理的设计可达到法规配光要求的光形分布。电路要有浪涌保护等多种因素。下面给出一个可以直接驱动5驱动技术。LED恒流驱动一般有电感型和开关电容型两LED灯串LED灯光等产品的LED驱动电路图,见图1ndC2A0VACLED: 1ILED图1LED驱动电路(注来源于电子工程专辑网)LED灯具面临的技术问题除了上述还有系统设计技术等研究与管理,2009,(1)6467问题有待进一步提高。此外,在LED行业还没有形成统一的相[2]黄莹刘峥LED技术及其在车灯系统中的应用]技术导向,关标准2009,(12):28-31三、LED灯与太阳能的结合3]照明用LED技术的演进与发展现代显示,2008,9458-61[4]侯骏LED灯在道路照明方面的应用安徽建筑,008,(4)LED节能环保使用寿命长、直流驱动、可回收再利用,太阳能16l-163绿色环保无污染太阳能电池提供的电压是直流电压若把太阳能(5张邦伟高楼照明和装饰用灯中外建筑200(3):149-153与LED灯结合起来使用LED灯具在应用中就不再需要将交流电6]唐国庆从室内照明发展趋势论LED技术提升关键半导体变为直流电,从而使使用方便简单。而且我们的社会能源问题和环技术,200,34(3):201-204境污染问题将会得到大大的改善。所以将LED与太阳能结合起来谭功伟,王恩波LED汽车灯具的设计和试验研究门汽车科可能是将来照明事业的必然之路现在这方面的应用还很少已经技,2009,(5):41-45有太阳能LED路灯、太阳能LED楼道灯、太阳能LED草坪灯等。{8]谭功伟发光二极管(LED)在汽车灯具上的应用源与照小结9吴琦LED技术及应用分析门大众科技,2009(11):26-2LED节能环保寿命长,随着LED技术水平的不断提升,高010陈建林吴青吕植勇等车用LED灯线性叠加光学模型研功率、高亮度、小尺寸LED灯的不断出现LED灯具在各照明领究武汉理工大学学报(信息与管理L程版,200,31(2293-295域的应用必然会普及LED灯具必定会深到人们的日常室内[胡红丽,刘斐LED灯散热及余热回收系统中国照明电器照明、生活交通之中。LED灯具及LED与太阳能的结合,将会2009,(1)69成为未来照明领域的主力军。[12]李鹏.LED灯具的热分析与散热设计.中国照明电器2008,(12):17-19参考文献:[3]文茂强LED技术全功率-工程师必备手册M[刘艾廖晓惠LED灯具一未来节能灯具的发展方向能源(责任编辑陈丽敏中国煤化工CNMHG125