- LED與傳統光源的對比的優(yōu)勢
- LED的應用技術難題
- LED芯片制程問題
- LED封裝與散熱
能源危機、溫室效應以及生態(tài)環(huán)境的日益惡化時刻提醒著人們，地球已經疲憊不堪，改變人們的能源獲取方式以及提高能源利用率已經成為當前世人的共識。
由于在世界電力的使用結構中，照明用電約占總用電量的19％；英國布賴恩•愛德華茲在其編寫的《可持續(xù)性建筑》中指出，在英國消耗的全部能源當中，大約有一半與建筑有關，而建筑的人工照明耗能則占其建筑耗能總量的15％～50％；在我國照明用電約占全國總用電量的12％，而且我國每年的照明用電增速（保守估計）大約為5％。從上面的數據我們可以看出，雖然因各國經濟發(fā)展的水平不同，照明用電所占比重也有所差別，但是照明耗能已經成為了各國能源消費的重要組成部分。照明節(jié)能問題也就成了各國政府及專業(yè)人員必須面對的棘手問題。
新型高效光源，特別是白色光源（適用于一般照明）的發(fā)展對于大幅度降低照明用電量具有很重要的作用，因為它可以降低電能消耗增長速度，進而減少新增電網容量的費用，降低能源消耗以及減少向大氣中排放的溫室氣體及其他污染物。LED，特別是白色光LED，因其與傳統光源相比所具有的理論以及現實的優(yōu)越性，受到廣大專業(yè)人士的青睞。它的出現也為照明界開拓出了一個全新的技術領域，并為照明節(jié)能設計提供了更多的選擇。
LED的優(yōu)勢
正如上文所述，作為一種冷光源，LED具有很多傳統光源所不能比擬的優(yōu)勢。
（1）不需要充氣，不需要玻璃外殼，抗沖擊性好，抗震性好，不易破碎，便于運輸。
（2）燈源單元較小，使得布燈更為靈活，而且能夠更好地實現夜景照明中“只見燈光不見光源”的效果。
（3）能夠較好地控制發(fā)光光譜組成，從而能夠很好地用于博物館以及展覽館中的局部或重點照明。
（4）理論上具有與傳統光源相比更高的發(fā)光效率，理論上LED的發(fā)光效率大于200lm/W，從而具有相當巨大的節(jié)能潛力。
（5）壽命更長，實驗室壽命可達100,000h，且光源可以頻繁地亮滅，而不會影響其壽命，并且啟動速度非?？臁?br />
（6）可以通過控制半導體發(fā)光層半導體材料的禁止帶幅的大小，從而發(fā)出各種顏色的光線，且彩度更高。
（7）光源中不添加汞，有利于保護環(huán)境。
（8）LED發(fā)光具有很強的方向性，從而可以更好地控制光線，提高系統的照明效率。比如，Chipschipalkatti在美國光電產業(yè)發(fā)展協會（OIDA）舉辦的半導體照明研討會上發(fā)表的《LEDSystemsforLighting：WheretheRubberHitstheRoad》指出：盡管15Ｗ熒光燈的發(fā)光效能大約為60lｍ/Ｗ，但是經過燈具的折減就變?yōu)榱?5lm/Ｗ，如果再考慮照射到目標區(qū)域以外的光線，則只有30lm/Ｗ。而半導體光源在這些環(huán)節(jié)上的折減則會少很多。
（9）使用低壓直流電，具有負載小、干擾弱的優(yōu)點。
與傳統光源相比，LED特別是白光LED在一般照明領域中的優(yōu)勢和節(jié)能潛力，使它日益受到政府部門及相關專業(yè)人員的關注，也成為了當前半導體研究領域以及照明產業(yè)中的熱點。
繼美國發(fā)起了Solid-StateLighting(SSL)R&DPor-tfolio以支持本國的LED研究、開發(fā)項目后，歐洲、韓國、日本也都紛紛制定了政府資助的研究計劃以支持半導體照明產業(yè)的迅速發(fā)展。正是在各國政府的支持以及巨大的市場潛力引導下，各大照明企業(yè)也紛紛投入巨大的財力和研究力量，以期在這個新興市場上獲得先機。
也正是由于這種競爭，才促使半導體照明業(yè)取得了迅猛發(fā)展和突破：Cree公司開發(fā)出發(fā)光效能為74lm/Ｗ的白色LED，LaminaCeramics公司也封裝出額定光通為120lm的當前最緊湊的RGB型LED光源等一系列技術上的突破向我們預示著一個新的照明時代的到來。[page]
但是作為一個新興的技術領域，半導體照明行業(yè)還處于一個快速發(fā)展階段，科技進步令我們感到欣喜，但是我們還要意識到無論是技術環(huán)節(jié)還是行業(yè)的規(guī)章制度，與傳統的光源相比，都還不成熟不健全。要真正實現用LED代替?zhèn)鹘y光源還有一段很長的路要走，還有很多技術難題需要解決。
LED技術難題
理論上LED的發(fā)光效能可以高達200lm/Ｗ以上，而現有的白光LED則只有70lm/Ｗ左右，與節(jié)能型熒光燈相比還有一定差距；而且其價格與傳統光源相比也有很大的劣勢。
因此如何盡快把LED的優(yōu)勢真正發(fā)揮出來也就成為現在相關從業(yè)人員所必須要面對的技術難題。而要真正開拓出一個全新的半導體照明時代，我們還要從以下幾個方面努力攻克技術難題以及進一步規(guī)范半導體照明市場。
1、LED芯片
芯片是LED的核心，它的內部量子效率的高低直接影響到LED的發(fā)光效能，非輻射復合率則決定著芯片產熱的大小?？梢哉f只有制造出具有良好質量的LED芯片，才可能有性能優(yōu)越的LED光源。
為了能夠盡量提高內部量子效率以及減少無輻射復合率，主要從兩個方面來改善芯片質量，也就是選擇合理的芯片結構和控制芯片的缺陷密度。
LED芯片的結構有單異質結構、雙異質結構以及量子阱結構等，它對發(fā)光效率具有很大的影響。目前使用最為廣泛且最有效率的芯片結構為多量子阱結構（Multi-QuantumWellStructure）。
對于LED而言，外延片與襯底的晶格常數以及熱漲系數是否匹配、外延片制備工藝等都會直接影響晶格的缺陷密度。這些缺陷可能在某些條件下，特別是對于Ⅲ－氮的發(fā)光可能有利，但是就大部分情況而言，因為這些缺陷的存在，會縮短芯片的連續(xù)工作壽命，減少載流子密度進而降低發(fā)光輸出，以及可能成為無輻射復合中心。
因此如何選擇合理的芯片結構，了解晶格缺陷對LED芯片發(fā)光的影響機理從而更好地控制不利缺陷的產生，也就成為了當前我們所必須面對的重要課題之一。
2、封裝與散熱
LED的封裝必須要處理好：應該盡量減少光線在LED內部全反射，增加襯底基板反射率，從而使盡量多的光線能夠透射出來，提高LED的外部量子效率，也就是增加LED的發(fā)光效能?，F有技術包括襯底剝離技術（Lift-off）、Flip-Chip技術等。
還應該選擇新型的封裝材料，以減少因為紫外線照射而引起的封裝材料發(fā)黃等帶來的顏色變化。
LED的散熱問題是影響LED驅動電流提升的一個重要因素。根據下列公式：
ＴJ＝TA+PD（θJ-P+θP-A）=TA+PDθJ-A
其中，ＴJ——ｐ－ｎ結處的溫度；
TA——環(huán)境溫度；
PD——耗散功率；
θJ-P——結點與陰極插頭之間的熱阻；
θP-A——陰極插頭與空氣之間的熱阻；
LED芯片結點處的溫度TA直接影響到LED的壽命，因此LED的散熱能力強弱就限制了LED功率的大小，以及安裝使用環(huán)境的溫度。
3、白光LED
如何能制備出具有高顯色性、高發(fā)光效能的白光LED，是LED能夠在一般照明中廣泛使用的一個前提。對于白光LED而言，發(fā)光效能、顯色性以及成本都決定著它在照明市場中的競爭力。當前制備白光LED的方法可以分為三種：紅、綠、藍（RGB）多芯片組合白光技術，單芯片加熒光粉合成白光技術以及MOCVA直接生長多有源區(qū)的白光LED技術。
幾種技術相比而言，除了正在處于研究探索階段的MOCVA直接生長多有源區(qū)的白光LED技術外，雖然RGB型LED具有發(fā)光效能高、顯色性好等優(yōu)點，但是三種芯片性能的不同，使得它們因驅動電流或溫度等因素的影響而發(fā)生色漂移，影響照明穩(wěn)定性。
而對于單芯片加熒光粉合成白光技術，又分為了藍光芯片與黃光熒光粉型LED和紫外線LED加RGB熒光粉LED。藍黃光LED缺失紅光部分，因而有很難發(fā)出具有高顯色性白光（R85），同時還會產生Halo效應（有方向性的LED出光和熒光粉的散射光角分布不一樣）等缺陷；而紫外線LED加RGB熒光粉LED則克服了這些不足，成為了當前性能較好的一種白光LED。
LED以其巨大的節(jié)能潛力以及良好的照明性能為我們打開了一個全新的技術領域。但是它也面臨著上文所提出的諸多技術和制度上的障礙，使得LED產品的價格仍然非常的昂貴，性能容易受到外部環(huán)境條件的影響，而且由于對晶體性能的研究仍然未完全成熟，制約著LED的進一步推廣。當然這一切都不能阻止一個全新照明時代的到來，LED是屬于21世紀的綠色光源。但它可能更多地屬于未來，正如美國能源部2002年編寫的《LightEmittingDiodes（LEDs）forGeneralIllumination》中預期的，LED要到2012年左右才能夠在照明中取代熒光燈。
在我們的照明設計過程中，我們應該以一種理性的態(tài)度去看待LED的應用，應該在真正了解LED性能前提下，根據環(huán)境的條件，合理地選擇使用LED，才能真正創(chuàng)造出一個節(jié)能而優(yōu)質的照明光環(huán)境。
