LED光源照明技術(shù)及在燈光環(huán)境中的應(yīng)用

LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，是半導(dǎo)體發(fā)光材料技術(shù)高速發(fā)展及“綠色照明”概念逐步深入人心的產(chǎn)物?！熬G色照明”是國外照明領(lǐng)域在上世紀(jì)80年代末提出的新概念，我國“綠色照明工程”的實施始于1996年。實現(xiàn)這一計劃的重要步驟就是要發(fā)展和推廣高效、節(jié)能照明器具，節(jié)約照明用電，減少環(huán)境及光污染，建立一個優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟舒適、安全可靠、有益環(huán)境的照明系統(tǒng)。
一、LED照明概念
LED（Lighy Emitting Diode），又稱發(fā)光二極管，它們利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光。
（一）LED的發(fā)展歷史
應(yīng)用半導(dǎo)體P?N結(jié)發(fā)光源原理制成LED問世于20世紀(jì)60年代初，1964年首先出現(xiàn)紅色發(fā)光二極管，之后出現(xiàn)黃色LED。直到1994年藍(lán)色、綠色LED才研制成功。1996年由日本Nichia公司（日亞）成功開發(fā)出白色LED。
以其固有的特點，如省電、壽命長、耐震動，響應(yīng)速度快、冷光源等特點，廣泛應(yīng)用于指示燈、信號燈、顯示屏、景觀照明等領(lǐng)域，在我們的日常生活中處處可見，家用電器、電話機、儀表板照明、汽車防霧燈、交通信號燈等。但由于其亮度差、價格昂貴等條件的限制，無法作為通用光源推廣應(yīng)用。
近幾年來，隨著人們對半導(dǎo)體發(fā)光材料研究的不斷深入，LED制造工藝的不斷進步和新材料（氮化物晶體和熒光粉）的開發(fā)和應(yīng)用，各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展，其發(fā)光效率提高了近1000倍，色度方面已實現(xiàn)了可見光波段的所有顏色，其中最重要的是超高亮度白光LED的出現(xiàn)，使LED應(yīng)用領(lǐng)域跨越至高效率照明光源市場成為可能。曾經(jīng)有人指出，高亮度LED將是人類繼愛迪生發(fā)明白熾燈泡后，最偉大的發(fā)明之一。
（二）LED發(fā)光原理
發(fā)光二極管主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。其發(fā)光體――晶片的面積為10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前國際上出現(xiàn)大晶片LED，晶片面積達(dá)40mil。
其發(fā)光過程包括三部分：正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。微小的半導(dǎo)體晶片被封裝在潔凈的環(huán)氧樹脂物中，當(dāng)電子經(jīng)過該晶片時，帶負(fù)電的電子移動到帶正電的空穴區(qū)域并與之復(fù)合，電子和空穴消失的同時產(chǎn)生光子。電子和空穴之間的能量（帶隙）越大，產(chǎn)生的光子的能量就越高。光子的能量反過來與光的顏色對應(yīng)，可見光的頻譜范圍內(nèi)，藍(lán)色光、紫色光攜帶的能量最多，桔色光、紅色光攜帶的能量最少。由于不同的材料具有不同的帶隙，從而能夠發(fā)出不同顏色的光。
LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED。目前，已商品化的白光LED多是二波長，即以藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉混合產(chǎn)生白光。未來較被看好的是三波長白光LED，即以無機紫外光晶片加紅、藍(lán)、綠三顏色熒光粉混合產(chǎn)生白光，它將取代熒光燈、緊湊型節(jié)能熒光燈泡及LED背光源等市場。
（三）LED光源的基本特征
１、發(fā)光效率高
LED經(jīng)過幾十年的技術(shù)改良，其發(fā)光效率有了較大的提升。白熾燈、鹵鎢燈光效為12-24流明／瓦，熒光燈50～70流明／瓦，鈉燈90～140流明／瓦，大部分的耗電變成熱量損耗。LED光效經(jīng)改良后將達(dá)到達(dá)50～200流明／瓦，而且其光的單色性好、光譜窄，無需過濾可直接發(fā)出有色可見光。目前，世界各國均加緊提高LED光效方面的研究，在不遠(yuǎn)的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。
２、耗電量少
LED單管功率0.03～0.06瓦，采用直流驅(qū)動，單管驅(qū)動電壓1.5～3.5伏，電流15～18毫安，反應(yīng)速度快，可在高頻操作。同樣照明效果的情況下，耗電量是白熾燈泡的八分之一，熒光燈管的二分之一、日本估計，如采用光效比熒光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和熒光燈。每年可節(jié)約相當(dāng)于60億升原油。就橋梁護欄燈例，同樣效果的一支日光燈40多瓦，而采用LED每支的功率只有8瓦，而且可以七彩變化。
３、使用壽命長
采用電子光場輻射發(fā)光，燈絲發(fā)光易燒、熱沉積、光衰減等缺點。而采用LED燈體積小、重量輕，環(huán)氧樹脂封裝，可承受高強度機械沖擊和震動，不易破碎。平均壽命達(dá)10萬小時。LED燈具使用壽命可達(dá)5～10年，可以大大降低燈具的維護費用，避免經(jīng)常換燈之苦。
４、安全可靠性強
發(fā)熱量低，無熱輻射，冷光源，可以安全抵摸：能精確控制光型及發(fā)光角度，光色柔和，無眩光；不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)。內(nèi)置微處理系統(tǒng)可以控制發(fā)光強度，調(diào)整發(fā)光方式，實現(xiàn)光與藝術(shù)結(jié)合。
５、有利于環(huán)保
LED為全固體發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎，廢棄物可回收，沒有污染。光源體積小，可以隨意組合，易開發(fā)成輕便薄短小型照明產(chǎn)品，也便于安裝和維護。
當(dāng)然，節(jié)能是我們考慮使用LED光源的最主要原因，也許LED光源要比傳統(tǒng)光源昂貴，但是用一年時間的節(jié)能收回光源的投資，從而獲得4～9年中每年幾倍的節(jié)能凈收益期。
二、LED照明光源技術(shù)的應(yīng)用前景及趨勢
長期以來，由于LED光效低的原因，其應(yīng)用主要集中在各種顯示領(lǐng)域。隨著超高亮度LED（特別是白光LED）的出現(xiàn)，在照明領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。據(jù)國際權(quán)威機構(gòu)預(yù)測，二十一世紀(jì)將進入以LED為代表的新型照明光源時代，被稱為第四代新光源。
（一）前景及發(fā)展趨勢
目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%，大大降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑，為實現(xiàn)這一目標(biāo)業(yè)界已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，并達(dá)到了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。LED以其固有的優(yōu)越性正吸引著世界的目光。美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對LED照明效益進行了預(yù)測，美國55%白熾燈及55%的日光燈被LED取代，每年節(jié)省350億美元電費，每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。日本100%白熾燈換成LED，可減少1～2座核電廠發(fā)電量，每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。臺灣地區(qū)25%白熾燈及100%的日光燈被白光LED取代，每年節(jié)省110億度電。日本早在1998年就編制“21世紀(jì)計劃”，針對新世紀(jì)照明用LED光源進行實用性研究。近年來，日本日亞化工、豐田合成、SONY、佳友電工等都已有LED照明產(chǎn)品問世。世界著名的照明公司如飛利浦、歐司朗、GE等也投入大量的人力物力進行LED照明產(chǎn)品的研究開發(fā)和生產(chǎn)。美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司，專門開發(fā)白光LED，以取代白熾燈、緊湊型熒光燈、鹵鎢燈和汽車燈。德國歐司朗公司與西門子公司合作開發(fā)LED照明系統(tǒng)。臺灣目前的LED產(chǎn)量僅次于日本列在美國之前，從1998年開始投入6億臺幣進行相關(guān)開發(fā)工作。
LED發(fā)展歷史已經(jīng)幾十年，但在照明領(lǐng)域的應(yīng)用還是新技術(shù)。隨著LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，其發(fā)光效率的逐步提高，LED的應(yīng)用市場將更加廣泛，特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目，被業(yè)界認(rèn)為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈、鎢絲燈和熒光燈的最大潛力商品。
（二）照明應(yīng)用中存在的主要技術(shù)問題
近年來，LED的發(fā)光效率正在逐步提高，商品化的器件已達(dá)到白熾燈的水平，景觀燈采用的白色LED發(fā)光效率接近熒光燈的水平，并在穩(wěn)步增長中。但是，在照明普及應(yīng)用方面仍存在一些技術(shù)性問題：
一是光通量有待進一步提高。采用LED作為照明光源，必須可以發(fā)出更多的光，必須具有更高的能量效率。
二是LED發(fā)出的光與自然光仍有一定的差距。白熾燈具有非常強的黃色光的成分，給人一種溫暖的感覺。而白光LED發(fā)出的白光帶有藍(lán)色光的成分，在這種光的照明下，人們的視覺不很自然。
三是價格較高。這是影響LED照明普及的主要原因。但是，近年來出于晶片技術(shù)的改良，制造成本正在急劇下降，近三年來LED的價格下降了近50%，其正朝著高效率、低成本的方向發(fā)展，這為LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有利條件。此外，較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足。