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发光效率仍逊于荧光灯 白光LED技术待突破


 

单一发光二极管并无法直接宣布白光,不过只需恰当组合不一样颜色光的发光二极管,即可发生如蓝色光、黄色光混合而成的二波长白光,或红、蓝、绿色光混合而成的三波长白光。本文主角-白光发光二极管,界说为以发光二极管为光源,颠末特定描绘,结尾可以发生白光的产物。



当前白光发光二极管的生产技能首要可分为两种,第一种办法是运用荧光资料将蓝光发光二极管或UV-发光二极管所激起的光变换成白光,为荧光粉变换技能(Phosphor
Converted LED Approach);第二种办法称为多晶粒变换技能(Multi-chip LED Approach),它是经由组合两种(或以上)不一样颜色光的发光二极管而发生白光,各类白光发光二极管的生产技能比拟请详见表1。



自从1996年日亚化学成功开宣布白光发光二极管后,白光发光二极管技能开展呈现出跳动般生长,以发光功率而言,从技能开发初期的8 lm/W,疾速生长至当前的30~35 lm/W,就发光功率而言,已高过白炽灯泡。



固然白光发光二极管发光功率已逾越白炽灯泡,但间隔荧光灯约80 lm/W发光功率仍有适当大的间隔。除此之外,当前白光发光二极管所能宣布的光通量仅有1~3 lx,使其运用规模约束在低照度并且无功用争议的用处为主,或者是白光发光二极管必需靠近照耀物体表面的运用之特别用处,在一般照明的运用仍约束于少量几个特别运用商场。将来白光发光二极管若要成为一般照明商场的干流光源,仍有适当多的技能瓶颈待打破。



依据日本特许流转促进工作对日本照明用发光二极管进行专利剖析成果,当前照明用发光二极管首要的技能课题为「白光发光二极管光特性改进」、「低消耗电力等其它特性改进」、「制造性改进」、「发光二极管灯具照明光特性改进」与「发光二极管灯具照明其它特性改进」等五项。因为白光发光二极管与现有光源间在发光功率、光通量技能的下风,合作专利剖析成果,将来白光发光二极管首要的技能开展趋势为发光功率的改进与高功率发光二极管的开展。



发光功率晋升为燃眉之急


当前高阶白光发光二极管发光功率可达30~35 lm/W左右,远高于白炽灯泡与卤素灯,但与荧光灯比较仍有一段显着的落差。固然厂商声称在实验室中,白光发光二极管发光功率已晋升至50 lm/W左右,但离商品化仍有一段间隔。当前前进白光发光二极管发光功率的办法,首要是透过外部量子功率的晋升来到达,而外部量子功率(External Quantum Efficiency)的前进则取决于内部量子功率(Internal Quantum Efficiency )与光取出功率(Light Extraction Efficiency)的晋升。
运用内部量子功率晋升
内部量子功率表明每秒从发光层发射出光子数(每秒)从外部写入的电子数,简略的说,就是发光二极管组件自身的电光变换功率,首要与组件自身的特性如组件资料的能带、缺点、杂质、组件的磊晶组成及布局等关联。当前在老练的四元发光二极管中,其内部量子功率已达90%以上,但作为白光发光二极管首要激起源的蓝光发光二极管,受限于蓝宝石基板(Sapphire)晶格系数与磊晶层资料存有约16.3%晶格不匹配度,构成发光二极管组件后具有相对高的结晶缺点,使其内部量子功率仅有50%左右。
为了前进蓝光发光二极管内部量子功率,开发氮化镓(GaN)基板成为首要的技能课题之一,当前氮化镓基板的生长法,首要有高温高压溶液法与HVPE(Hydride Vapor Phase Epitaxy)法为主的气相法,不过前者只能获得数mm结晶的氮化镓基板,后者虽有住友(Sumitomo)及日立电线(Hitachi Cable)等公司成功开发并试产2英吋的基板,不过产物的单价与量产性都有待改进。将来若能在此范畴获得严重的技能打破,运用氮化镓基板上生长氮化镓,因为基板与磊晶层资料完全一样,天然不会有晶格匹配与热膨胀系数不一样的问题发生,所制成的蓝光发光二极管无论在输出功率、发光亮度、产物寿数等产物特性,将会有很大的改进,相对地将大幅增进白光发光二极管发光功率。
光取出功率晋升所谓的取光功率是指发光二极管内部发生的光子,在颠末组件自身的吸收、折射、反射后实际上在组件外部可量测到的光子数目。白光发光二极管首要以蓝光发光二极管为激起源。蓝光发光二极管受限于资料的吸收及电流散布不均、Fresnel Loss,以及临界角丢失等要素,构成真实能从发光二极管向外宣布的光,仅有发光层所宣布光量的4%左右。换言之,纵使蓝光发光二极管内部量子功率极高,但是在晶粒外部所能真实接收到的光却很少,若再加计透过荧光粉进行光色变换所构成的光丢失,则白光发光二极管发光功率更显得缺乏,因而蓝光发光二极管取光功率的晋升仍有很大的技能瓶颈待战胜。
晋升蓝光LED发光功率的2种办法
当前晋升蓝光发光二极管取光功率的办法许多,首要区分为两大技能范畴,一为藉由不一样的制程技能与各式的晶粒描绘来到达改进发光功率的意图,首要的开展方向有TIP(Truncate Inverted Pyramid)、强化电流散布、通明层(Window Layer)芯片黏贴(Wafer
bonding)、粗化法(Roughen-ing)、覆晶布局(Flip Chip)、光子晶体等技能。另一是透过封装布局的描绘与封装资料的更新,来到达改进发光功率的意图,首要的方向有开发高变换功率荧光粉、高折射率、高散热封装资料、前进荧光粉涂布均匀性、封装光学布局描绘等技能。
前述第一种藉由制程技能与各式的晶粒描绘来到达改进发光功率的办法,早期都是运用于四元发光二极管上,首要的方向均是想打破发光二极管全反射的约束,到达添加取光功率的意图。例如TIP布局的开发,是因为传统发光二极管晶粒外型为规范矩型外观,因为半导体资料折射系数与封装环氧树脂的差异大,使得发光二极管内部所宣布的光仅能在内部全反射,无法被导出晶粒外,因而透过改动晶粒的外型,将能有助于前进发光二极管出光功率。
不过,当前干流蓝光发光二极管是以蓝宝石基板所制成,因为蓝宝石基板硬度高,因而运用TIP布局、芯片黏贴或粗化法技能时,会面临制造不易及良率的问题,反倒是以碳化硅(SiC)基板所制成蓝光发光二极管,因为碳化硅硬度低,制程难度与良率的问题较低,不过碳化硅基板单价高,商场供应厂商少,资料供货商议价才能过高,为技能遍及的要害。
运用封装布局的描绘来到达改进发光功率技能,其首要的技能逻辑在于运用光波操控技能,使发光二极管晶粒发生的光,照耀至预期的方向。
图1为传统炮弹型(Lamp)发光二极管封装布局,是运用通明环氧树脂将发光二极管晶粒与导线架包覆封装,封装后的镜面外型,可将晶粒发生的光线会集照耀至预期的方向,不过此种描绘,仅能操控狭隘规模的光线,大视点射出的光线无法操控,而构成丢失光。
为了改进此种表象,下降丢失光的份额,当前很多发光二极管业者,如松下电工、Lumiled、OMRON等透过封装布局的描绘,来大幅晋升光取出功率。
以OMRON公司为例,该公司所推出双反射器发光二极管(Double
Reflection, DR-LED),其在炮弹型发光二极管内部埋入碗状的反射镜,以避免光在内部反射、分散。DR-LED前方光取出量的份额为65%,约为其它公司产物的两倍。因为光的运用功率高,因而以极小的电流即可宣布亮堂的光(图2)。高功率LED为另一开展要点
传统的发光二极管是运用0.2~0.35mm方形晶粒封装成形,但是在一般照明范畴运用,为求获得高光通量输出,高功率白光发光二极管成为厂商另一开展的方向。
当前在高功率白光发光二极管的开展首要Packing Array及扩大晶粒尺度两种方法。Packing
Array是将复数颗白光发光二极管排列成矩阵状,并将其封装成单体布局,以获得高光通量。扩大晶粒面积是扩大封装晶粒尺度,由0.2~0.35mm方形晶粒,扩大为>0.8mm方形晶粒,并以高电流驱动,以获得高光通量输出。
当前此两种方法都有厂商在开展,例如美国Lamina Ceramics、日本松下电工以开展Packing
Array为主,美商Lumleds、Cree、欧商Osram、日商日亚化学等则着力于扩大晶粒面积尺度开展。基本上,此两种方法都有其优缺点,当前难以果断判别何者为技能干流。例如以本钱面观之,扩大晶粒尺度具有优势。但若以以散热描绘而言,Packing Array则具有优势。不过无论取何种描绘办法,散热问题是两者都有必要面临的技能课题。
白光发光二极管归于半导体组件,关于环境温度适当灵敏,若白光发光二极管本体温度或环境温度超出其操作温度的话,将会构成其发光二极管自身波长的飘移,以及封装资料劣化等等的问题。
白光发光二极管发光亮度与输入电流成正比。高输入电流虽可获得高光通亮/高功率输出,不过发光二极管电流密度与量子功率成反比,因而高电流输入有必要随同大尺度晶粒描绘。大尺度晶粒及高电流输入,虽可获得高功率输出,不过因为发光功率的问题,大都的能量均变换为热能,仅有少局部变换为光。因而提前解开绿光与蓝光发光二极管高电流密度时量子功率下降的举措机制与缘由,不单是资料物理特性探究上的需求罢了,这项研讨关于将来运用层面来说也具有要害性的人物。
 在蓝光发光二极管高电流密度时,量子功率下降的举措机制与缘由还未能解开之前,当前厂商朝向开展新型态的散热机制,透过从组件所宣布的热,散发至封装、封装基板之散热描绘来下降封装的热阻。
 另就Packing Array技能剖析,其运用的晶粒尺度以0.2~0.35mm为主,输入电流并大幅添加,但因为为获得满足的光通量,单一布局中所运用的发光二极管晶粒数也适当得多,相对的环境热的问题也适当严重,与大尺度晶粒研讨方向一样,厂商朝向开展新型态的散热机制,来下降封装的热阻。
 LED节能潜力看好
各国纷繁投入研制
近年半导体照明的节能潜力,在能源价格逐年高涨的外在环境影响下,得到各国政府的注重,纷繁投入适当大的研制资源,以美国政府为例,自2002年后每年投入5,000万美元在半导体照明的研讨。相关于在厂商局部,因为近年来白光LED运用范畴大幅度的扩大,各家厂商运营绩效相较于半导体工业或光电工业均有长足的生长,关于研制经费的投入也继续生长,以日亚化学为例,2003~2004每年研制经费均达300亿日圆左右,猜测2005年研制经费更将近一步生长至420亿日圆。
在继续有巨大资源投入LED范畴的开展趋势下,预期将来白光LED技能将能有长足的前进,以发光功率而言,预期2006~2008年间,商品化白光LED发光功率将可达75lm/W,2010年可到达100lm/W。另外在高功率LED的开展,预期厂商将由当前干流的1W产物继续推出更高功率的产物。
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