对ＬＥＤ照明的应用及发展前景的探讨
摘要:本文介绍了LED光源的特点和市场应用，讨论了研发照明用LED所需要解决的关键技术问题及其发展前景，并指出这类照明系统将会获得广泛应用。
关键词:LED照明的应用；发展前景；探讨
一、LED光源的特点
LED是半导体器件通过PN结实现电光转换。其特点为：
（一）节能、不引起环境污染。在低电压（1.5～2.5V）、小电流(5～30mA)的条件下工作，即可获得足够高的亮度—能耗较小，光效强；LED光源中不含危害人体健康的汞，生产过程和废弃物不会造成环境污染。
（二）单色性好，发光响应速度快，高频特性好，能显示脉冲信息。
（三）体积小。发光面形状分圆形、长方形、异形（三角形等）。其中圆形管子的外径有φ1、φ2、φ3、φ4、φ5、φ8、φ10、φ12、φ15、φ20（mm）等规格，直径1 mm的属于超微型LED。
（四）防震动及抗冲击穿性能好，功耗低，寿命长。一般来讲，普通白炽灯的寿命约为1000h，荧光灯、金属卤化物灯的寿命也不超过1万h，而LED的使用寿命在10万小时以上，甚至可达100万小时。
（五）使用灵活，根据需要可制成数码管、字符管、电平显示器、点阵显示器、固体发光板、LED平极型电视屏等。容易与数字集成电路匹配。
二、LED照明的应用
按照LED发光的波长，可以将其分为可见光LED（450-780nm）和不可见光LED（850-1550nm）两大类。 可见光LED按亮度又可分为一般亮度LED和高亮度LED。其中一般亮度LED主要用GaP、GaAsP及AlGaAs等材料制成，主要有红、橙、黄光等产品；高亮度LED主要用AlGaInP及GaInN等材料制成，包括红、橙、黄、绿、蓝及白光等，亮度较一般亮度LED有明显提高,如下表所示。
表LED分类及其应用领域
不可见光LED可分成红外线LED、光通讯LED及LD。红外线LED应用范围比较广泛，除了摇控器、开关等传统应用外，还包括信息设备、无线通讯及交通系统等新应用的IrDA模块；光通讯LED及LD主要是做为光通信模块、条形码读取头、CD读取头及半导体电射等用途。
其中，产品附加值高、高亮度GaN系蓝/绿、白光LED应用市场更是为当代社会信息“增光添彩”之不可或缺的关键元器件，其应用市场涉及现代资讯、通讯、家电、照明、交通、汽车、显示、液晶面板、数码照相/摄像机、以及生物医疗等众多领域(见下表)。
表 GaN系LED的应用领域与最终产品
随着LED发光效率的改进及性能的提升，以及在产量扩充与各厂商间竞争加剧而使成本与价格逐年下降趋势下，LED已在指示灯、交通信号灯、景观装饰灯、显示屏、汽车尾灯、手机背光源等领域相继取得了成熟广泛地应用，现正处于攻克有关商业化应用难题，大举进入笔记本电脑、液晶显示器及液晶电视等大尺寸LCD面板背光源、车灯及通用白光照明的关键时期。
三、研发照明用LED的技术关键
如果要求全面取代目前普遍使用的白炽灯或荧光灯，尚有一些技术上的难题需研究解决。
（一）发光效率问题
提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制造工艺。
（二）高功率问题
作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。但LED芯片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。现在国外一些著名公司已设计研制了一些特殊的LED器件结构，并已获得了较好的效果。
（三）由于通常的LED发出的光相对集中于一个较小的立体角范围内，一般灯具中的反射器就不再是必要的光学组件，而往往用透镜作为准直光学组件
例如，用凸透镜或菲涅耳透镜产生平行光束。然后，用枕形透镜、楔形棱镜等使光束重新扩散、偏折产生满足各种照明灯标准要求的光分布。这就要求对LED照明灯的灯具进行独特的二次光学系统设计。
（四）由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题
除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。
（五）此外，由于多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联
而在使用过程中只要有一個LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。
（六）鉴于LED对散热条件的要求较高，如果管芯结温超过标准限定值，将导致不可恢复性光强衰减
因此，除使用时要有足够的散热措施外、还必须有合理的电路设计和电路布局，尽量使LED保持良好的工作状态，充分发挥它的长寿命优点。
四、超高亮LED的发展前景
就LED产业而言，其核心技术和专利权，主要掌握在日本、美国、韩国、中国台湾及中国大陆的少数公司手里，全球LED产业主要分布在日本、中国、欧美及韩国等国家和地区。其中，日本最大，占据约50%的份额，其次是我国台湾地区。中国将成为全球主要生产基地。
高能效的LED以其寿命长、色纯度高、色再现率高、亮度高、不怕低温、适应性强、可靠性好、无汞污染等优点，在未来的电光源领域中必将占据举足轻重的地位，并随着发光效率和辉度不断提高和技术难题的克服，将遍布工业化国家日常生活的各个角落。广泛应用于信息及通讯产品，如遥控器、红外线无线通讯的讯号发射与接收、自动门及自动冲水装置之感测以及汽车照明、显示器、相机用闪光灯、面板背光源、室内照明以及户外广告、公共信息发布。
在全球光电产品中，显示器的主流产品-TFT面板、数字相机、笔记本电脑的背光板的生产正在取得巨大的经济效益；半导体照明工程的重大项目在探索性、前沿性材料生长和器件部分关键技术、背光广色域技术、大功率LED发光芯片的散热及发光效率的处理技术上取得突破，重大应用和规模化系统集成技术研究进展顺利，新的照明和灯具行业标准正在构建和不断完善。
五、结束语
超高亮度LED的问世和产业化不仅拓展了原有的应用领域，而且将有一个潜力巨大的市场。随着规模的扩大、生产技术的完善以及产品成本的降低，超高亮度LED将会成为一种很有竞争力的新型电光源。
参考文献
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