固态照明中白光LED的发展和应用

LED是在n型半导体 中的自由电子越过阻挡层进入p型半导体，与并其中的空穴复合时全部势能转化为光能，同时产生一个光子，这是一种冷体发光，由于此种发光的总量子效 率50%，辐射光能以外的全部能量包括电流通过n型和p型半导体以及阻挡层时的电阻热以及电子自身的动能等均耗散在半导体中并集中阻挡层附近使之 加热，造成p-n结的温升，而这种温升使阻挡层电阻下降，势垒下降，降低了载流子复合的内、外量子效率和发光效率。p-n极的高温同时还影响了荧光粉的发 光效率甚至造成永久性破坏产生光衰，并使原本应当很长的LED寿命大幅下降。

全国十多处LED的光伏道路照明样板工程中已经百分 之百失败了。道路表面照度在使用1000~2000小时或更短时间以后降低了一半，其原因就在于设计者按生产厂家给出的光效和工作点将LED用到了极限， 通常1W的LED，按厂方指标光效均为70lm/w，然而在这样的条件下1W的功率耗散在不足1mm2的芯片上，而又没有有效方法将这部分能耗快速导走， 因而使其温升高到150℃甚至更高，这就是使荧光粉被迅速破坏，光维持率迅速下降、寿命出乎意料的短的原因。为延长白光LED的寿命必须：

1、 进一步提高LED的总光子效率，这一效率的提高意味着更多能量转换为光能辐射出去，耗散在p-n结的能量的减少工作温度降低，这对p-n极自身的工作状态和荧光粉工作条件和寿命的延长都是至关重要的。

2、 进一步改进荧光粉，提高其量子效率和所能承受的工作温度，亦即发明一种高效高工作温度荧光粉，使能在更高的工作温度下运转而不被破坏。

3、 使用时降低白光LED的工作标准，不要把试验数据或实验室数据当成产品正常运转的数据，例如对厂家给的 号称1W光效为70lm/W的白光LED最多只能工作在0.7W，光效约50lm/W，在这样的条件下可以得到较为满意的使用寿命，例如 8000~10000小时。至于号称的50000、100000小时的寿命对白光LED而言仍然只是一种愿望。你们把单色LED的寿命强加给白光LED 了。在提到白光LED的寿命时请不要忘记荧光粉的寿命。对光源界同仁而言我们十分明确，光源的寿命并非以它是否仍在发光为标准的。我们的标准是以光维持率 为指标的，当发出的光通量为初始光通量或标称光通量的一半时其寿命已经终了。另外光源工作者也从来不是把光源能达到的最高光效作为光效，而是以在合理寿命 条件下正常运转时的光效为光效的。按本人经验所谓1W，光效70lm/W的白光LED只能按0.6~0.7W，光效最多为50lm/W的光源使用，很多供 应商们对此持不同意见，他们认为本人所指的是国产品 “我们的(台产、日本或美国产品)白光LED是非常好的”。对此本人不完全怀疑，但是在本人所看到的 已经暗淡无光的白光LED照明工程中不贬非常昂贵的泊来品。

4、 改进散热条件，将LED芯片耗散的热能更多更快地导走，以降低其工作温度从而保持较高的光效和较长的寿命，目前采用导热陶瓷基片和铝散热片的方法降低p-n结温度，对小功率白光LED是有效的，但对1W以上大功率器件尚难满意。

5、 对大功率白光LED仍需做更多的试验和改进，不要盲目推进样板工程，很多地区领导在“参谋”们的哄骗下强行指令建造LED的道路照明样板工程是不 科学的，这会适得其反的，这样的教训已经太多了，该思考一下了。很多国外的专家不无嘲讽地说“在白光LED照明方面你们中国已走到世界的前列”，“我们认 为白光LED在照明方面大规模的推广至少还需8~10年，而你们中国已经开始了”，老外们的这种估计可能保守一点，然而2010年全部取代紧凑型荧光灯的 估计似乎热糊涂了。

Fig.5

白光LED的应用

白光LED是一种高光效、长寿命光源，应用前景极为看 好，大量用于常规照明，部分取代常规光源只是时间问题。随着时间推移和性能的改进它所能取代的光源品种和数量将不断扩大，正如当年半导体电子元器件之取代 真空电子器件半导体激光器之取代气体激光器一样。然而这是一个发展的自然过程，依条件成熟程度而渐变，绝非一个命令就能在一夜之间完成的。在目前状态下 LED发展时日尚短，尚有诸多参数需要改进，应在其已经成熟的领域逐步推广。

1、 局部范围低照度照明方面LED有其不可取代的优势，例如手电筒、台灯照明，橱窗、小商品照明。由于LED的光辐射集中在一定发射角中光分布集中，所以可取得高效、节能的效果。

2、 小尺寸液晶显示屏的LED背光源，由于所采用的LED功率较小，数量不多，p-n结发热不严重，所以可以取得非常好的效果。但是大面积显示板则存 在较多问题，例如大量密集的LED阵列的散热问题很难解决，而其成本问题一时也难解决。p-n级高温使用所带来的寿命问题也是必须考虑的。

3、 室内照明如作为夜灯、床头灯、台灯或照度要求较低的走廊灯等，虽照度过低，但有其节能、长寿命以及成本较低的优势。然而办公室、会议室、教室、餐 厅等照度要求较高，照射距离又远的场所用LED作主要照明光源，目前不仅成本太高，效果也不理想，与传统照明光源相比尚有明显的差距。

4、 道路照明：目前常用光源为250W或400W高压钠灯或金属卤化物灯，其光通量约为20000~40000lm，寿命6000~10000小时， 若以1W，70lm/w的白光LED取代，如达到相同照明效果则至少需要300粒LED，其售价约6000元，为常规光源的50倍以上，但如前所述此种 LED只能按0.7W，50lm/W计算，否则寿命将不符要求。因此即使按以上设计实际达到的光通量只有15000lm/W。除价格昂贵外，如此多的 LED的列阵组合，其难度及费用亦十分昂贵，而其散热问题更成了一个令人挠头的难点。

在采用LED作路灯照明时另一个需要考虑的 问题是照度分布，所看到的所有以LED作光源的道路照明设计都是将LED安装在一块平板上再装入灯具中。灯具的主要作用只是支托LED和挡风遮雨，对光分 布不起任何作用，而路面的照度分布则完全由LED自身的光发射角确定，以至在路面形成了明显的斑马效应，正对灯下方的地段较亮，而在二灯之间则形成明显暗 区，因此采用LED作路灯照明时必须考虑二次光学设计问题，以求得较为均匀的路面照度。

我们实际考察了一条采用白光LED的光伏 路灯照明样板工程，灯高9米，灯功率100W，正下方地面的平面照度为3.5 Lx，异常昏暗视野不清，且二灯之间3/5的路面更完全无光。据组织者介 绍，1个半月前工程刚完工时地面照度为7Lx。与之对应的采用高压钠灯的另一光伏照明工程，灯功率105W，正下方照度为19Lx，灯距30米，二灯之间 的中点地面照度11Lx。可