1.2.2 固体发光光源

1.普通白炽灯

以爱迪生为代表发明的白炽灯，经过几代科技人员120多年的努力，白炽灯的发光效率平均每年增长0.11lm/W，至今发光效率增加了10倍、寿命提高了500倍、价格下降了10倍，满足了人们对400～2000lm光通量的室内照明的需要。

白炽灯是人们熟悉的电光源，它是利用电流通过钨丝将其加热到白炽状态而发光的，所以白炽类电光源又被称为热辐射电光源。白炽灯消耗的电能绝大部分都转换成了热能，转换为光的效率非常低（大约7%的电能被转换成光）。

白炽灯是用黑体发热的，主要以钨丝作灯丝，因为钨有高熔点（3683K）及低蒸发率。只是白炽灯大部分的光是红外线，钨丝放热比黑体稍微蓝移，即向短波长方向移，如图1－2所示，所以发光效率比较高，而蓝移也不影响显色性（ColorRendingIndex，CRI）。一般钨丝都卷成螺旋形放在球形玻璃壳中，并充入不起反应的惰性气体，如氩气及少数氮气，而40W以下的白炽灯则多数是抽真空。灯丝通电后，钨丝呈炽热状态并辐射发光。灯丝温度越高，辐射的可见光比例就越高，即灯丝将电能转换为可见光的效率就越高。随着白炽灯发光效率的增加，灯丝温度的升高，钨灯丝的蒸发速度也增加，从而使灯的寿命缩短。

因为白炽灯的大部分辐射光是红外线，所以120V白炽灯的发光效率在2400K时约为8lm/W，一般100W白炽灯只有7%的电能转变为可见光。白炽灯寿命衰减的主要原因是钨丝蒸发，白炽灯的一般寿命为750～1000h，但是因为白炽灯廉价，所以被大量应用在住宅。

白炽灯的重要特性是：辐射的色表随着辐射体的温度的升高从暗红经过橘黄到发白，最后到炽蓝。色温也随着辐射体的温度升高而提高。

白炽灯之所以使用钨做灯丝材料是因为钨在高温下的低蒸发率及可以被抽成细丝等其他性质。电流在金属导线中流过时会有一定的消耗，当输入功率与辐射功率及其他功率损失的总和精确平衡时，就达到了一个稳定态。

普通照明白炽灯显色性好（Ra＝100）、开灯即亮、可连续调光、结构简单、价格低廉，但寿命短、光效低。白炽灯有较宽的工作电压范围，从电池提供的几伏电压到市电电压，不需要附加电路。灯头是白炽灯电连接和机械连接部分，按形式和用途主要可分为螺口式灯头、聚焦灯头及特种灯头。在普通白炽灯中，最常用的螺口式灯头为E14、E27；最常用的插口式灯头为B15、B22。白炽灯常用于住宅基本照明及装饰照明，具有安装容易、立即启动、成本低廉等优点。白炽灯主要部件有：灯丝、支架、泡壳、填充气体、灯架。

2.LED 照明技术

自从1968年第一批LED开始进入市场，至今已有40多年，随着新材料的开发和工艺的改进，LED趋于高亮度化、全色化，在氮化镓基底的蓝色LED出现后，更是扩展了LED的应用领域，LED的主要应用领域包括：大屏幕彩色显示、照明灯具、激光器、多媒体显像、LCD背景光源、探测器、交通信号灯、仪器仪表、光纤通信、卫星通信、海洋光通信、图形识别等，但目前还主要是作为照明和显示用。

LED由超导发光晶体产生超高强度的光，它发出的热量很少，不像白炽灯浪费太多热量，也不像荧光灯因消耗高能量而产生有毒气体，也不像霓虹灯要求高电压而容易损坏，LED已被全球公认为新一代的环保高科技光源。

LED具有高光效，比传统霓虹灯节省电能80%以上，工作安全可靠。LED改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。LED光源具有寿命长、光效高、无辐射与低功耗等特点。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段。将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯做比较，其结果显示：普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000h，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000h，T5荧光灯的光效则为96lm/W，寿命大约为10000h，而直径为5mm的白光LED的光效为20～28lm/W，寿命可大于100000h。

1）LED照明产品

在1879年爱迪生发明碳丝白炽灯之后，照明技术便进入一个崭新的时代。回顾20世纪的照明史，汞灯、高/低压钠灯、金属卤化物灯、紧凑型荧光灯、高频无极荧光灯、微波硫灯等新光源层出不穷。白炽灯从它问世的那一天起，就带有先天性缺陷，钨丝加热耗电大，灯泡易碎耗能大，而且容易触电。荧光灯虽说比白炽灯节电节能，但对人的视力不利，灯管内的汞也有害于人体和环境。然而，真正引发照明技术发生质变的还是LED。与传统照明技术相比，LED的最大区别是结构和材料的不同，它是一种能够将电能转化为可见光的半导体，上下两层装有电极，中间有导电材料，可以发光的材料在两电极的夹层中，光的颜色根据材料性质的不同而有所变化。

LED属于全固体冷光源，更小、更轻、更坚固，工作电压低，使用寿命长。按照通常的光效定义，LED的发光效率并不高，但由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，可见光效率可达80%～90%，同等光效的白炽灯可见光效率仅为10%～20%。单体LED的功率一般为0.05～1W，通过集群方式可以满足不同需要。

LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具，在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，21世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代。

2）LED光源的优点

LED光源具有以下优点。

①新型绿色环保光源：LED为冷光源，眩光小，无辐射，使用中不发出有害物质。LED工作电压低，直流驱动，超低功耗（单管0.03～0.06W），电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED环保效℃更佳，光谱中没有紫外线和红外线，而且废弃物可回收，没有污染，不含汞元素，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

②寿命长：LED为固体冷光源，环氧树脂封装，抗振动，灯体内没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达60000～100000h，比传统光源寿命长10倍以上。LED性能稳定，可在－30～＋50℃环境温度下正常工作。

③多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合，LED组合的光色变化多端，可以实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

④高新技术：LED光源与传统光源的发光效果相比，LED灯具是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等。传统LED灯具中使用的芯片是0.25mm×0.25mm，而照明用的LED一般都在1.0mm×1.0mm以上。LED裸片成型为工作台式结构、倒金字塔结构和倒装芯片结构能够改善LED的发光效率，从而使芯片发出更多的光。LED在封装设计方面的革新包括将高传导率的金属块用做基底、倒装芯片设计和裸盘浇铸式引线框等，这些方法都能设计出高功率、低热阻器件，而且这些器件能比传统的LED产品照度更大。

目前，一个典型的高光通量LED器件能够产生几流明到数十流明的光通量，更新的设计可以在一个器件中集成更多的LED，或者在单个组装件中安装多个器件，从而使输出的流明数相当于小型白炽灯。例如，一个高功率的12芯片单色LED器件能够输出200lm的光能量，所消耗的功率在10～15W之间。

LED光源应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品；LED的控制极为方便，只要调整电流，就可以随意调光，不同光色的组合变化多端，利用时序控制电路，更能达到丰富多彩的动态变化效果。LED已经被广泛应用于各种照明设备中，如电池供电的闪光灯、微型声控灯、安全照明灯、室内楼梯和室外道路照明灯，以及建筑物照明灯。

白光LED的出现，是LED从标识功能向照明功能跨出的实质性一步。白光LED最接近日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以，从技术角度看，白光LED无疑是LED最尖端的技术。目前，白光LED已开始进入一些应用领域，应急灯、手电筒、闪光灯等产品相继问世。但是，由于价格十分昂贵，故而难以普及。白光LED普及的前提是价格下降，而价格下降必须在白光LED形成一定市场规模才有可能，毫无疑问，两者的融合最终有赖于技术进步。

3）LED灯的分类

①LED灯按发光管发光颜色分。按发光管发光颜色可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含两种或三种颜色的芯片。

根据发光二极管出光处掺散射剂还是不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管可做指示灯用。

②LED灯按发光管出光面特征分。按发光管出光面特征可分为圆形、方形、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为φ2mm、φ4.4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm及φ20mm等。国外通常把φ3mm的发光二极管记做T-1；把φ5mm的记做T-1（3/4）；把φ4.4mm的记做T-1（1/4）。

③LED灯按发光强度角分布图来分有三类：

●高指向型。一般为尖头环氧封装或带金属反射腔封装，且不加散射剂。半值角为5°～20°或更小，具有很高的指向性，可做局部照明光源用，或与光检出器连用以组成自动检测系统。

●标准型。通常做指示灯用，其半值角为20°～45°。

●散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为45°～90°或更大，掺入散射剂的量较大。

④LED灯按发光二极管的结构分。按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。

⑤LED灯按发光强度和工作电流分。按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED（发光强度为100mcd），高亮度的LED（发光强度在10～100mcd之间）。一般LED的工作电流在十几毫安至几十毫安，而低电流LED的工作电流在2mA以下（亮度与普通发光管相同）。

除上述分类方法以外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。

4）国内LED技术的进展

近几年，LED的发光效率增长100倍，成本下降10倍，广泛用于大面积图文显示全彩屏、状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源、汽车组合尾灯及车内照明等方面。在LED光源及市场开发中，极具发展与应用前景的是白光LED，它用做固体照明器件的经济性显著，且有利环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在20%以上，美、日、欧及中国台湾均推出了半导体照明计划。功率型LED以其优异的散热特性与光学特性更能适应普通照明领域，为替代荧光灯，白光LED必须具有150～200lm/W的光效，且每流明的价格应明显低于0.015$/lm（现价约0.25$/lm）。要实现这一目标仍有很多技术问题需要研究，按固体发光物理学原理，LED的发光效率近似100%，因此，LED被誉为21世纪新光源，有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。要实现白光LED具有150～200lm/W光效的目标必须从以下两方面努力：

①不断改进工艺；

②同时开发新材料，改进产品结构。

要达到发光效率200lm/W，必须经过革命性变革。当今发光效率最高的光源是镭射：传统的镭射和新型垂直空腔表面辐射镭射（VCSEL）。两者的对外量子效率为65%～70%，在波长800～1000nm范围内的转换效率达到55%以上。如果能够把波长范围扩展到可见光，就可以设计出一种新光源，它在470～620nm范围内发出30nm宽的6种颜色光。这种灯具有如下特殊性能：

①颜色范围。可以覆盖色度坐标图的80%～90%，优于NTSC电视标准，显色性接近于白炽灯。

②调光性能。可以采用数码控制电路调节颜色和光强，调节时发光效率不降低。

③光分布。镭射光便于校准为平行光，其有效光分布优于各种同性的LED。

④减少光分布损失。LED灯可以满足相应低压钠灯半光通量的光分布规范。

⑤LED的芯片。LED灯是一种点状冷光源，而且其多次反射或折射的光学表面使LED芯片可以彼此紧密地靠近在一起，因此浪费的光很少，同时大大地消除了杂散光（光污染）。而镭射光源可以进一步简化分配设计，进一步降低能源消耗。

5）国外LED技术的进展

美国波士顿的PhotonicsResearch研究中心，报道了LED技术方面的进展，声称光效要达到330lm/W。被称做photon-rectcling的半导体光源，发出蓝、黄两种波长的光，所发出的光能使人感到是白色的光。这种光效与目前市场上的LED比，要高10倍甚至更高。

OSRAMOS公司已经开发出一种薄型的LED，称做MarketLED。这款产品只有6mm高，沿边安装的LED将光射入一个导光材料，将光均匀地分布表面。采用这种模块可以生产出作为走廊、剧场或影院的座号的定向照明。模块的功耗从一瓦到几瓦不等，取决于模块的大小，此种模块基本上不发热。

随着新材料及半导体工业技术的发展，自1994年起以新型可见光材料InGaAlP和InGaN为主流，实现了LED的高亮度、多色化，加之封装技术的改进，显示信息大型化，出现了LED产品新的应用领域，带来了更多的市场商机。这些产品使得LED应用由室内使用提升到户外使用，能在阳光强烈的场合下清晰显示，发光效率极高，发光强度超过1000mcd，同时满足了全彩色显示和便携产品低功耗要求，这些先进的LED包括以下几种。

①蓝色、绿色LED。蓝色LED材料有碳化硅（SiC）、氮化镓（GaN）及铟氮镓（In-GaN）三元材料等。采用InGaN/AlGaN结构制成的蓝色LED峰值波长为470nm，法向发光强度达到2000mcd，绿色LED峰值波长为520nm，法向发光强度可达5000mcd，其中还有峰值波长500nm的蓝绿色（交通绿）LED。在蓝色发光的基础上，包封时在其芯片上添加几毫克的荧光物质转换成白色，白光LED是白炽灯的最佳替代品，价格虽比白炽灯贵，但不易破碎，更加省电，工作时几乎不发热，可以连续照明10多年。这些产品在日本、德国、美国及中国台湾等著名的光电子公司生产并推向市场。

②新颖的四次元LED。20世纪80年代后期开发上市的GaAlAs材料，制成红色发光管，首先实现了超高亮度的要求，发光强度超过1000mcd，但是光衰较大，因此应用范围受到限制。20世纪90年代开发成功的InGaAlP四次元材料，制成的产品可以获得红、橙、黄、琥珀四种颜色，发光效率极高，并且高温性能很好，是户外使用的理想产品。

③开发的LED新品种主要有：

●工作电流为70mA的功率型LED，能发出极强的光束，视角较大，一般为40°～70°，用于汽车标志灯。

●贴片式（SMD）LED在小电流下工作，1～2mA的工作电流，可发出足够亮度的光，可节省便携式产品的耗电量。

●恒压LED，在LED封装时将电阻封装在内部，使用时不需限流电阻，一般工作在12V以下，使用十分方便。同样在LED封装时放入一块集成电路，一般在5V以下工作，工作时会闪烁发光，可以作为状态显示，使用也很方便。

●集群LED芯片、器件，组件于一体的LED发光模块，可实现特定的功能要求，利用LED多芯片的集群组成多彩色灯具。典型的红、绿、蓝三色可以组成全色灯，在三色中间交合处呈现白色光。

由于LED产业不断涌现新技术、新产品、新的应用，呈现了朝阳工业欣欣向荣的景象，相信在21世纪的头15年中，LED产业会得到持续发展。制造厂商会在超高亮、全彩色技术方面扩张投资，提升产能，我国（包括台湾和香港地区）将成为世界LED的主要产地，5年之后产值达到100亿元，超高亮度LED会以30%的速度增长，而传统LED也会以5%～10%的速度增长。

目前许多色别的LED都达到烛光级水平，相信随着器件结构的改进，发光效率的飞速提高，今后LED发展的主流是照明光源，开始在一些领域取代白炽灯，并与其他光源互补、并存、共同发展。世界光电子产业的发展推动应用领域的变化和发展，相信随着LED产业的发展会有更多的资金投向LED的研究和生产，因此现有超高亮度、蓝色、绿色LED的技术为少数厂商垄断将会突破，预计产品成本会有大幅度的下降，从而促进市场再开发，应用再拓展。

可以相信，半导体发光技术不会被其他技术产品取代，而且会继续沿着原来的轨道向前发展。半导体照明由于技术的先进性和产品使用的广泛性，已经被认为是最有发展潜力的高技术领域之一。半导体照明产业具有明显的节能和环保的效果，也被认为是一个战略性的高技术产业。

6）LED产业的市场前景分析

近些年LED市场规模快速提升。2005年中国LED的产量已经达到262.1亿只，市场规模更是突破百亿元大关达到114.9亿元。

①LED显示屏应用市场。我国LED显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的LED显示屏生产厂商。目前LED显示屏已经广泛应用于车站、银行、证券、医院。在LED需求量上，LED显示屏仅次于LED指示灯名列第二，占到LED整体销量的23.1%。由于用于显示屏的LED在亮度和寿命上的要求高于LED指示灯，平均价格在指示灯LED之上，这就导致显示屏用LED市场规模达到32.4亿元，超过指示灯位居榜首成为LED的主要应用市场。凭借着独特优势，LED全彩显示屏广泛应用在体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。

②中大尺寸、小尺寸背光源市场。LED早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机产量的持续增长带动了背光源市场的快速发展。特别是2003年彩屏手机的出现更是推动白光LED市场的快速发展。但随着手机产量进入平稳增长阶段，以及技术提升导致用于手机液晶面板背光源LED数量的减少，使得LED在手机背光源中用量增速放缓，2005年背光源用LED数量超过12亿只，2005年背光源市场规模超过15亿元。中大尺寸背光源市场虽为厂商新宠，但在2006年还不能形成规模。

③汽车车灯市场。从整个LED应用市场看，汽车应用市场还处于萌芽状态，市场规模很小。LED作为汽车车灯主要得℃于低功耗、长寿命和响应速度快的特点。虽然LED目前还面临着单位瓦数流明低及相关政策的限制，在进入汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间。但是随着成本性能比的下降及发光效率的提升，LED将逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整个汽车车灯市场。凭借着汽车的巨大产能，LED车灯市场面临着巨大的发展潜力。

④室内装饰灯市场。室内装饰灯市场是LED的另一个新兴市场。通过对LED电流的控制，LED可以实现几百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，LED颜色多样化有助于LED装饰灯市场的发展。LED已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用在酒店、居室中。2005年室内装饰灯市场规模达到1.58亿元。

⑤景观照明市场。景观照明市场主要是以街道、广场等公共场所装饰照明为主，由于LED功耗低，在用电量巨大的景观照明市场中具有很强的市场竞争力。目前，LED已经越来越多地应用到景观照明市场中，2005年中国景观照明市场规模超过7亿元，景观照明市场在2007年达到72%的高增长率。北京、上海等地将建成一批LED景观照明工程，这些工程在装饰街道的同时还将起到示范作用，将会使LED景观照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。

⑥通用照明市场。对于LED进入通用照明市场，白光LED除面临着诸如发光效率低、散热不好、成本过高等问题外，还将面临光学、结构与电控等的整合，以及LED照明产品通用标准的制定。解决上述问题需要很长一段时间。