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LED照明:引爆第三次电光源技术革命

LED照明:引爆第三次电光源技术革命

  • 分类:LED资讯
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  • 来源:
  • 发布时间:2012-09-22 12:30
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   5月28日下午,广东省推广应用LED照明产品工作会议在广州召开,主要研究部署广东省在公共照明领域全面推广普及LED照明产品工作。省政府与各地级以上市政府签署了广东省推广应用白光LED照明产品责任书。省委副书记、省长朱小丹出席会议并讲话。

   此次会议中,广东省政府印发了《广东省推广使用LED照明产业实施方案》。会议强调,从方案实施之日起,全省道路、公共场所、政府机关、国有企事业单位等财政或国有资本投资建设的照明工程以及南沙、前海、横琴等新规划建设的新区一律使用LED照明产品。

    根据方案,珠三角地区要力争在2013年底前,东西北地区在2014年底前,普及LED公共照明,带动全社会普及LED照明,实现全省同比口径下照明节能50%以上,拉动LED产业“十二五”期末实现年产值5000亿元以上。2011年广东省LED总产值约1500亿元,意味着“十二五”期间广东省的LED产业产值将翻3倍以上,未来5年行业产值复合增速达到49%,保持快速增长。

    此次为第一个地方政府出台的LED行业扶植政策,其扶持力度远远大于国家对节能照明产品的补贴政策。对此,市场人士指出,广东省政府的决策对拉动中国LED行业发展具有明显的积极意义,同时政策对LED产业链构成实质性利好。第一,政府强力推动释放大规模需求,目前国内LED公用照明规模最大的企业年收入不到5亿元,仅广东一省政策推动就有望在未来12个月内创造出百亿级别的终端需求,能够有效推动LED照明应用企业释放规模效应,做大做强;第二,终端产品放量拉动上游芯片需求。在竞争性的招标过程中,不断降低的招标价格反过来对零售价格形成降价压力,零售价格的降低应会刺激出更大的产品需求,从而拉动上游照明芯片的需求,并推动LED全行业景气在未来18个月持续上升。

    19世纪初,爱迪生发明了白炽灯,电能开始应用于照明领域。100多年来,经过几代科技人员的努力,电光源经历了从白炽灯到气体放电灯两次技术革命,光效、寿命、显色性等指标不断提高,而售价则不断下降。现在,第三次电光源技术革命——半导体固态照明(LED,Lightemittingdiode,发光二极管)——已经来临,刚刚拉开普及应用的序幕。

   传统电光源技术均存在明显缺陷

   若不考虑价格因素,传统的电光源(白炽灯、气体放电灯等)都存在一些明显的技术缺陷难以彻底解决,而这就成为制约其进一步发展壮大的最大障碍。

   白炽灯——效率低,寿命短,耗电量大

    白炽灯一般有普通白炽灯和卤钨灯两种类型。卤钨灯就是充有卤素的钨丝白炽灯,现在常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯,其发光效率和使用寿命优于普通白炽灯。卤钨灯主要用于强光照明,例如公共建筑、交通、拍摄电影和电视节目制作等场合的照明。其中,碘钨灯还可作为干燥剂、烘箱的热源,可用于体育场、游泳池等室内照明。

    白炽灯的发光原理是:电流通过灯丝(钨丝,熔点3000多摄氏度)时产生热量,螺旋状灯丝聚集热量,当温度高于2000摄氏度时,灯丝处于白炽状态而发出光来。灯丝温度越高,发出的光越亮。白炽灯发光特点是:发出连续光谱,故显色性高;灯丝高温下变软、升华,容易熔断,故寿命短;绝大多数电能都转化为热能,故光电转化效率极低,耗电量大。

    气体放电灯——含汞及稀土,显色性差,光衰大

    气体放电灯是由气体、金属蒸气或几种气体与金属蒸气的混合放电而发光的电光源,目前用得较多的是辉光放电和弧光放电。辉光放电一般用于霓虹灯和指示灯,弧光放电可有很强的光输出,主要用作照明光源。气体放电灯按气压高低又可分为两类,即低气压放电灯和高强度气体放电(High——intensitydischarge,HID)灯。低压气体放电灯主要包括荧光灯(低压汞灯)、低压钠灯和无极灯,而HID灯包括高压汞灯、高压钠灯、金卤灯(金属卤化物灯,HQI)等。

    荧光灯1938年开始出现,当时的产品主要是T12(灯管直径38mm)、T10(32mm),1978年T8(26mm)问世,1995年T5(16mm)上市。荧光灯的发展与荧光粉密切相关。最初使用的是卤粉,其发光效率低,且在紫外线照射下劣化严重。直到稀土三基色荧光粉发明之后,T5才被生产出来,它的出现使得荧光灯的光效提升50%,寿命提升150%,有明显的节能效果。1930年代,低压钠灯和高压汞灯也开始出现,光效比白炽灯高出2.5倍,但显色性较差。

    1960年代,高压钠灯和金卤灯开始发展起来。1962年,美国首先解决了钠在高温、高压时的抗腐蚀、半透明多晶氧化铝管材料,又突破了封接工艺,制成第一支高压钠灯,当时的光效是90lm/W,显色指数Ra为25,寿命为5000h,发出的光是金黄色,节能效果很好,很快在道路、港口、车站、工厂、桥梁、广场等户外照明场合应用。金属卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的光源,具有发光效率高、显色性能好、寿命长等特点,是一种接近日光色的节能新光源,广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的室内照明。

     气体放电灯的工作原理是:放电灯接入工作电路后产生稳定的自持放电,由阴极发射的电子被外电场加速,电能转化为自由电子的动能;快速运动的电子与气体原子碰撞,气体原子被激发,自由电子的动能又转化为气体原子的内能;受激气体原子从激发态返回基态,将获得的内能以光辐射的形式释放出来。上述过程重复进行,灯就持续发光。各种气体放电灯都由泡壳、电极和放电气体构成,基本结构大同小异。气体放电灯不能单独接到电路中去,必须与启动器、镇流器等辅助电器一起接入电路才能启动和稳定工作。放电灯的启动通常要施加比电源电压更高的电压,有时高达几千伏或几万伏以上。

    气体放电灯正逐渐取代白炽灯

     白炽灯作为热辐射电光源,相对于气体放电灯而言有很多优势:体积小、价格便宜、不需要启动器和镇流器等附件,启动特性好(低温启动)、高显色性、产品自身不含汞等,其高显色性和启动特性,特别是低温启动特性,是气体放电光源不可比拟的。但是,发光效率低、使用寿命短是白炽灯的致命缺陷,这是它逐步被气体放电灯替代的主要原因。

    气体放电灯虽然优点很多,但是也存在明显缺陷:由于汞具有激发电位低,在室温下饱和蒸气压低而在高温下饱和蒸气压高等特点,所以一般放电灯中都充有金属汞,容易造成汞污染,都要耗用较多稀土材料;启动电压高,必须配备镇流器、启动器等附件;大多显色性差。

    LED应用领域不断拓展,技术进步快速

    和白炽灯、气体放电光源相比,LED照明的光效更高、寿命更长,抗震性能好,不含汞等重金属,体积更小,光谱中没有热量和辐射,可实现丰富多彩的动态变化色彩,容易实现数字化智能控制,是迄今为止真正能实现绿色照明的新型电光源技术,可以称为人类“第三次电光源技术革命”。

     在应用领域方面,LED已经从最早的仪器仪表指示光源、交通信号等单色光应用,发展到目前的全彩显示屏、3C产品(手机、电脑、电视等消费类电子产品)的背光源、各种景观装饰灯、汽车灯以及室内外照明等。在光效方面,从最初的每瓦不到1lm发展到目前的每瓦254lm白光LED(Cree最新实验室数据),技术进步快速。

     从红黄光到白光照明,LED实现跨越式发展

      LED是一种以半导体(二极管)为发光材料的发光元件,其发光原理是:微小的半导体芯片(LED芯片)被封装在洁净的环氧树脂中,当载流子经过该芯片时,带负电的电子与带正电的空穴产生复合消失同时放出光子。电子和空穴之间的能量(带隙)越大,产生的光子的能量就越高。由于不同的材料具有不同的带隙,不同能量光子的波长不同,从而能够发出不同颜色的光,涵盖紫外到红外的波长范围。在可见光的频谱范围内,蓝色光、紫色光携带的能量最多,波长最短,而桔色光、红色光携带的能量最少,波长最长。由于LED不需要灯丝,所以没有发热、易烧等缺点。

      LED起源于1907年,H.J.Round发现SiC的微晶结构具有发光能力,这是第一颗发光的LED(当时是肖特基二极管,而不是目前的PN结二极管).1952——1953年期间,HeinrichWelker第一展示使用III——V族半导体作为发光材料,III——V族半导体材料GaAs相继被应用到波长870——980nm的红外光LED上。1962年,Holonyak和Bevacqua在应用物理期刊发表了使用GaAsP为发光材料的红光LED,这是第一颗可见光LED,使用气相磊晶法(VPE)在GaAs基板上长出GaAsP二极管PN结面,其优点是方法简单、低成本,缺点是由于GaAsP薄膜与GaAs晶格不匹配导致发光效率低下(约为0.1lm/w).

      由于Holonyak对可见光LED和激光二极管(LD)做出了杰出贡献,被誉为“可见光LED及LD之父”。

      GaP材料的发展始于1960年代。GaP材料的LED可在日光下发出人眼能够看到的红光,其发光效率比GaAsP材料的LED要高。至1972年,M.GeorgeCraford使用N掺杂,成功做出第一颗黄光波段的GaAsP/GaP材料系LED,不仅提高了光效,而且将发光波长进行了延伸。随着红光LED的研究与发展,另一种应用材料AlGaAs引起了人们的关注,采用液相磊晶法,结果发现AlGaAs/GaAs系LED比GaAsP/GaAs光效更高。1985年后,日本研究者使用AlGaInP作为可见光激光材料,发光层为AlGaInP/GaInP双异质结构,成功做出红橙黄波段的LED,取代GaAsP成为成为红光主要使用的材料。1990年代后,由于制程技术的突破,通过芯片接合技术将红光LED建立在透光GaP基板上、通过将LED芯片做成特定形状提升光提取效率等方法大大增加了LED的发光效率。至此,红光LED发展渐趋成熟稳定。

      1986年,Amano等人利用MOCVD磊晶低温AlN缓冲层,成功长出透明的、没有表面裂纹的GaN薄膜,开启了蓝光LED的发展历程。1992年,日本日亚化学公司(Nichia)的中村修二博士使用热退火技术成功活化磊晶在低温缓冲层的GaN薄膜,并于1995年研制出高亮度GaN蓝光与绿光LED。次年,中村修二博士又提出利用InGaN蓝光LED激发黄色荧光粉生产白光LED的方法。到2007年,蓝光LED的实验室光效已经超过100lm/w.2012年4月,美国Cree公司宣布,已经成功研发出254lm/w的白光LED(250——260lm/w的光效意味着80%的电能转化为光能,仅20%转化为热能),创历史记录,这将使其LED户外路灯的批发价降至不到200美元。

     在蓝光LED芯片出现之前,由于无法通过RGB合成白光,LED的光效、亮度也不高,LED无法应用于照明领域。因此,1995年高亮度蓝光与绿光LED研制成功,标志着LED正式进入照明领域,是LED照明发展最关键的里程碑。

     红黄与蓝绿LED色系存在很大差异

     以LED灯具为例,其上游供应链分工关系如下:蓝宝石晶棒厂以高纯度氧化铝制成蓝宝石晶棒,蓝宝石基板厂买来晶棒经过一系列制程生产出基板(直径为2寸或4寸的薄薄的小圆片),外延/芯片厂购入蓝宝石基板,放入MOCVD设备(炉子)中生长外延层,最后在基板表面长成厚度仅几微米的半导体外延层,长有外延层的基板一般就称为外延片(或磊晶)。生产好的外延片再通过研磨抛光、蒸镀、光刻等工艺制作电极并按一定的规定尺寸(比如10*10mil、45*45mil)切割成大量的LED芯片(或称为晶粒)。接着,封装厂再将LED芯片封装成各种形状的灯珠,这些灯珠最终被灯具厂(应用厂商)拿来和电源、外壳等零件组装成LED灯具。

    LED可以分为蓝绿与红黄两大色系,不同色系在衬底、发光材料、发光特性等方面都存在明显差异,这使其主要应用领域也各不相同。

    LED的光效由内量子效率(即LED芯片内部产生光子的效率)和外量子效率(即LED的出光效率或取光效率)共同决定。外延生长技术发展以提高内量子效率为主,而芯片和封装工艺以提高外量子效率为主。红黄光led内量子效率较高而外量子效率低,技术难点在于外量子效率的提升。蓝绿光刚好相反,内量子效率较低而外量子效率高,所以技术难点在于外延生长工艺。红黄光LED的特点是光的波长长而光效较低,适合于做指示标志、汽车尾灯等,不适合直接用来做照明灯具。而蓝绿光波长短而光效高,适合于做照明、背光等应用。

    用来生产4元系红、黄光LED外延片的MOCVD设备不能用来生产,而生产蓝光LED外延片的MOCVD也不能用来生产红黄光。红、黄光LED一般使用GaAs材料做基板(衬底),而蓝光LED一般使用蓝宝石或碳化硅(SiC)材料做基板,其他外延材料、生产工艺等方面也存在一定差异。

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