通用照明白光LED的挑战

通用照明白光LED的挑战:这种光子下转换必然造成能量损失。日本的21世纪光计划主要发展紫外光LED+红、绿、蓝色荧光粉的途径。缺陷密度的降低对提高UV-LED发光效率非常重要，使用图形蓝宝石衬底降低位错密度配合新型荧光粉，己经使UV-LED的发光效率提高到30lm/W.这一进展无疑对此方法今后的发展起到促进作用。 第三种途径的优点是简单并且目前已经大量生产，但仅仅使用黄色荧光粉其显色性指数Ra仅为75，色温高并且随角度变化。同样在提高LED效率方面也受到荧光转换效率、Stokesshift和自吸收等因素的限制。改善显色性和生产暖白光方面的努力已经取得结果。采用增加第二种荧光粉的方法已经可以产生暖白色的LED.目前看来这几种实现白光LED的方法还会平行发展下去，以满足不同市场需求。 尽管当前上述各种方法得到的白光LED用于通用照明都还有较大距离。白光LED正逐步渗透到传统的照明市场中。例如目前LED手电筒己经出现在市面上，外科手术灯也见报道，使用大功率白光LED的概念车也己经出现在车展上了。对白光LED实现通用固态照明的挑战包括：改善发光效率、改善光输出效率、改善光的质量和降**格。LED灯现在和今后至少1年内要比灯泡、荧光灯贵得多。尽管它在长寿命的使用期间节省能量消耗和维修费用，总的来说使用LED还是划算的。但是要占领市场，特别要进入家庭，性能必须大大提高价格必须大大降低才行。事实上，以红光LED为例，随着技术的进步在近30年间，每10年亮度大约提高30倍同时价格降低大约10倍。美国的SSL-LED路线图提出近20年的发展目标（见表1），按这个进度，在2007年将逐步取代电灯泡，在2012年将逐步取代荧光灯。到了2012年将大量取代电灯泡，在2020年将大量取代荧光灯。 表1白光LED期望目标光源效率Um/W）显色性指数（Ra）照明市场低照度电灯泡荧光灯电灯泡和荧光灯从技术上分析上述的技术目标是可以实现的。不过，目前我们距离2012年的效率目标还差6倍，离2012年的价格目标相差40多倍。为了实现上述目标必须克服多方面的技术壁-53-垒。在这些技术壁垒中首先要解决的是高效、价廉、长寿命的LED问题，包括上游的外延片，中、下游的器件中所涉及的技术创新、物理和化学基础，工艺、设备、管理、规模生产等多方面的问题。 为了实现全新的固态照明还必须包括应用灯具、光源与系统。新的照明文化的发展将会充分利用SSL-LED的独特好处如高效率、紧凑、可靠和数字控制的光源（灵巧光源）。在这些领域中，照明系统是*不成熟的也是难于预见的，然而却是实现固态照明的*后关键。 在SSL照明系统中，发光芯片、LED灯和照明灯具的技术算是比较成熟的。而系统中的其他元件同样重要，同样也是我们必须面对的挑战。比如，如何在目前使用的高压低电流的供电系统中实现低压大电流供电；如何把SSL照明集成到建筑中并且在功能和形式间取得平衡；了解SSL照明与人类视觉系统的关系以提高舒适度和人的生产力；增加连续调节照明的功能使节能和人类因素之间取得*佳平衡。总之，面对上述挑战提出的一个共同课题就是创造全新照明概念而不只是把SSL简单的加到传统的照明中的“兼容性”问题。固态照明会带来新特点，这些特点会加速改变照明系统的现状。如果如此，照明市场将会以超过传统照明市场的速度增长。固态照明*重要的派生好处或许是提高人的生产力。全世界人类生产力如果提高0.1%，每年获得的利益就会非常巨大。 另一方面，氮化镓基LED还面临来自其他技术的挑战。在无机半导体方面，-VI族方面ZnSe基白光LED和ZnO基UV-LED是GaN基LED的竞争者。ZnSe基白光LED的原理是MBE生长的ZnCdSe/ZnSeMQW发出的485nm的蓝绿光与由此光激发掺碘ZnSe衬底发出的中心波长为585nm的黄光混合产生白光。改变ZnSe衬底的杂质浓度或厚度就可以改变LED的色温。ZnSe白光LED主要优点是低工作电压（2.7V）与暖白光（3500-8500K），在改善寿命短与价格高的缺点后可能在低工作电流水平的移动应用方面有一定市场。ZnO的室温下带隙为3.37eV短波长光电材料，其在紫外区激子结合能为60meV，比GaN（24meV）大一倍。因此，Zn成为令人瞩目的高效紫外LED候选材料。虽然已经取得令人鼓舞的结果，但是由于p-ZnO难于获得等因素，目前ZnO基UV-LED仍然处于发展的早期阶段。 光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象，其发光原理同LED（发光二极管）相似。按照所采用有机发光材料的不同，OLED可区分为两种不同的技术类型：一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，另一是以共轭高分子为发光材料的高分子基OLED.从照明角度来说与无机LED是点光源不同，OLED则是面光源。然而OLED -54-目前主要用于显示方面。这种全新的显示技术具有更薄更轻、主动发光（既不需要背光源）、广视角、高清晰、响应快速、能耗低、低温和抗震性能优异、潜在的低制造成本以及柔性和环保设计等信息显示和器件制造所要求的几乎所有优异特征，对以LCD为主流的几乎所有平面显示产品都构成挑战和威胁，被业界公认为是*理想和*具发展前景的下一代显示技术。尤其是其具备柔性设计的神奇特征，使得令人神往的可折叠电视、电脑的制造成为可能。OLED的产业化己经开始，今后3―5年是OLED显示技术走向成熟和市场高速增长的阶段。 2007年OLED产品的市场规模可达31亿美元。OLED目前主要是朝显示方向发展而不是向通用照明方向发展。但是随着OLED技术进步和成本降低一旦进入照明市场，就会成为氮化镓基LED的竞争对手。 表2无机LED与有机LH）照明应用领域比较年LED应用OLED应用单色信号，交通灯，汽车尾灯，户外大显示屏，装饰灯光小显示屏，装饰灯光低照度白光应用，楼梯/出口照明低照度白光应用，应急灯高需求通用照明，BP：机械应力，高维修价格等等低水平户外照明C停车场）装饰照明，发光壁纸，天棚光等等大量渗透到通用室内/室外照明目前世界上使用*广泛使用的光源一钨丝灯泡，在使用时产生的热量多于光。当我们根据LED的进展正在说“别了爱迪生”的灯泡时候，美国Sandia国家实验室传来消息，钨三维光子晶体可能大大提高电灯泡的发光效率。采用通常的大规模集成电路的工艺制造的钨三维光子晶体使发射光谱的能量分布的红外部分降低同时提高可见光的分量，有可能导致白灯泡的效率从5%提高到60%.其结果将使濒临消失的电灯泡不但会获得新生还可能会成为LED照明的有力竞争对手。 白光LED的出现为实现固态照明开创了光明前景，但是目前半导体固态照明技术离通用照明的应用要求尚有较大差距，在进一步发展中政府的导向性资助和产、学、研的联合投入至关重要。美、日等国均已经启动促进LED照明工程的政府计划，我国科技部也正在启动国家半导体照明工程。随着技术突破和规模化生产，氮化镓基LED的性能将不断提高同时价格会逐步降低，势必会逐步渗透到通用照明领域。氮化镓基LED还可能面临面光源的LED和接近传统灯炮的钨三维光子晶体灯泡的有力竞争。从长远的角度看，固态照明将对发光芯片、灯具和光源技术的进展起指导作用，会推动照明系统概念的创新以达到新一代的智能化、人性化的照明系统理念。