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LED照亮一切:实现200lmW以上的发光效率和高易用性
[2011/6/22 13:33:00]   来源:中国之光网   编辑:zhaomingr   评论0
摘要:为实现200lm/W以上的发光效率,白色LED正不断进行改进。不过,白色LED所必需具备的特性已经不仅仅是发光效率了。在白色LED普及的过程中,温度稳定性及显色指数等能够拉开差异的因素越来越多。 发光效率正以年均15%的......
   为实现200lm/W以上的发光效率,白色LED正不断进行改进。不过,白色LED所必需具备的特性已经不仅仅是发光效率了。在白色LED普及的过程中,温度稳定性及显色指数等能够拉开差异的因素越来越多。


  发光效率正以年均15%的速度稳步提高,很快就会达到200lm/W……白色LED发光效率的提高会持续到何时,又会达到何种程度呢?


  实际上,研发水平上的发光效率已经几近极限(图1)。有观点认为,组合使用能够获得最高发光效率的蓝色LED和黄色荧光材料等的白色LED,其极限是260lm/W左右。而目前在研发水平上已经超过200lm/W,增长空间所剩无几。“毫无疑问,通过技术创新来提高效率的速度将越来越缓慢”(欧司朗日本)。很多相关人士认为,2020年之前,白色LED的发光效率将达到顶点。不过,数年后,白色LED产品的发光效率仍是证明LED厂商实力所不可或缺的指标。因为,现有产品的发光效率与极限值相比,还有近两倍的差距。


  图1:即将达到极限


  白色LED的发光效率极限被认为是在260lm/W左右。


  需要注意的是,在白色LED的用途不断扩大的同时,“发光效率至上主义”的状况正在逐渐瓦解。发光效率的高低体现了能源使用效率的高低,同时还是降低单位亮度单价的(日元/lm)的重要指标。不过,在白色LED被广泛用于各种用途的今天,单凭发光效率已经无法判断是否能满足产品厂商等白色LED用户的要求了。今后,这种倾向将进一步增强。


  在这种情况下,LED厂商在开发可实现200lm/W以上发光效率的技术的同时,还将加速开发白色LED的其他特点。下面来看一下白色LED开发方面的最新动向。


  内部量子效率等尚有提高的空间


  关于提高发光效率,认为蓝色LED芯片和荧光材料尚有改进余地的LED厂商有很多(图2(a))。


  图2:实现200lm/W以上发光效率的重点


  今后,要想将发光效率提高到200lm/W以上,必须改善蓝色LED芯片内的内部量子效率和荧光材料的波长转换效率。(图(b)由本站根据飞利浦流明的资料制作)


  输入到白色LED的电力转换为光后输出到外部的过程如下:①向蓝色LED芯片输入电力,发出蓝光;②通过荧光材料将部分蓝光的波长转换为长波长的可见光;③蓝光和进行过波长转换的光混合后成为白色光输出到封装外部。要想提高发光效率,就必须减少各个环节中的能量损失。


  每个环节需要以下技术:①降低电阻损失、在发光层改善电子产生光子的内部量子效率、提高将光子输出到蓝色LED芯片外的光提取效率;②改善波长转换效率;③提高向封装外输出白光的光提取效率,等等。迄今为止各厂商已经提出多种改进措施,并取得了显著成果。


  例如,电阻损失的指标——白色LED的正向电压较原来大幅降低。照明用途常用的1W产品,其正向电压以前接近4V,而现在已经降至2.9~3V左右(图3)。从蓝色光的能量(2.75eV)来看,以前输入功率的20~30%多会因电阻丧失,而现在只损失5%左右。光提取效率也大幅提高,其中最高的产品为70%左右,在研发水平达到了90%。


  图3:正向电压基本在下限值


  日亚化学工业面向照明用途供货的输入功率为1W的白色LED,其正向电压近年来大幅降低。2011年的新产品为3V,已经相当接近正向电压的下限值(2.75V)。下限值与正向电压的差会产生无助于发光的能量损失。


  要想实现200lm/W以上的发光效率,在实施上述所有改进措施的基础上,还需要整体提高①的内部量子效率和②的波长转换效率。因为这二者的提高空间相对较大。比如,内部量子效率目前为50~70%的水平。美国飞利浦流明(Philips Lumileds Lighting)宣布,将实现使每枚LED芯片具备1000lm的高输出以及高效率的白色LED,由此内部量子效率需要提高至80%以上(图2(b))。


  结晶品质和发光层构造存在改进余地


  内部量子效率和波长转换效率将会如何改善呢?内部量子效率方面,需要改进发光层材料——GaN系半导体外延结晶的结晶品质和发光层构造;波长转换效率方面,需要改进荧光材料材料并开发新材料。这些举措均从白色LED面世时起就一直在进行。


  除此之外,还具有将GaN系结晶的结晶面由目前的极性面变为非极性面,从而大幅提高内部量子效率的方法。该方法此前一直处于研发阶段,不过最近已开始向实用阶段迈进。例如,韩国首尔半导体(Seoul Semiconductor)计划2011年底开始样品供货,三菱化学计划最早在2012年实现实用化。首尔半导体表示,通过提高内部量子效率,有望将发光效率较现有产品提高40~70%。

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