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LED——带来照明革命的新技术

 发布时间:2014年12月02日
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LED——带来照明革命的新技术

 

    10月7日,瑞典皇家科学院宣布,日本科学家、明城大学教授赤崎勇、名古屋大学教授天野浩和美籍日裔科学家、加利福尼亚大学圣巴巴拉分校教授中村修二等3 人共同获得2014 年诺贝尔物理学奖,以表彰他们在攻克蓝光LED难题作出的贡献。正如颁奖词中写到的那样:“白炽灯照亮20世纪,而LED灯将照亮21世纪”。此举将有力地助推半导体(LED)照明的技术进步和普及应用。

    一、三代照明电光源

    人工照明中使用的以电为能源的发光体称为照明电光源。自从爱迪生发明白炽灯以来,至今已有三代。各种照明电光源品种已超过3000种,规格达5万多种。

    1879年,爱迪生在将灯丝通电加热到白炽状态,利用热辐射发出可见光,发明了白炽灯,第一次革命性地改变了人们的照明方式。但其电能大部分发热耗散,只有很小一部分转化成了光,光效12流明/瓦左右,寿命大约在2000小时。流明(英文:Lumen)是光通量的国际单位制单位,光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力,也叫明亮度。1个40瓦的白炽灯泡,能发出400流明的光。

    第二代照明电光源出现在20世纪30年代,经济大萧条促使照明行业开始注意光照效率,出现了荧光灯(日光灯、节能灯)。这是与镇流器组合成一个整体的照明设备,电子镇流器给灯丝加热并发射电子,碰撞灯管内的氩原子又撞击内部的汞原子,使汞原子产生电离,并发出紫外线激起荧光粉发光。由于荧光灯工作时灯丝的温度比白炽灯低很多,寿命达5000小时以上,其能量转换效率高可达50流明/瓦以上,所以节约电能。但由于汞的沸点低,常温下即可蒸发,废弃灯管破碎后可使周围空气中的汞浓度超标上百倍,会破坏人的中枢神经系统,一次吸入25毫克汞蒸气即可致死。

    20世纪90年代初出现的第三代照明电光源——LED灯,更加节能且又环保,是照明行业的第三次变革。LED是发光二极管(Light-Emitting Diode)的英文简称,是一种将电能直接转化为光能的固态半导体电子元件。发光二极管的核心部分是由P型半导体和N型半导体组成的晶片,在P型半导体和N型半导体之间有一个过渡层,称为P-N结。在某些半导体材料中,在P-N结施加反向电压时,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能。利用各种化合物半导体材料及通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和禁带宽度之变化,设计发出不同颜色的LED:砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二极管发黄光,氮化镓二极管发蓝光。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(即16777216)种颜色,形成不同光色的组合。LED组合的光色变化多端,可实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

    二、蓝光LEDLED技术的重大创新

    对于一般照明而言,人们更需要白色的光源。按照光学原理,人眼所能见的白光,需要由三波长光(蓝色光+绿色光+红色光)混合或二波长发光(蓝色光+黄色光)混合而成。从1962年出现低光度的红光LED开始,长时期只有红色与绿色发光二极管。白光缺位是由于无法获得蓝光。因此,上世纪80 年代以后,蓝光LED技术成为各国大学和企业主攻的战场。

    1986年,日本名古屋大学赤崎勇和天野浩两人首次制成高质量的氮化镓晶体,他们所采用的方法是在蓝宝石衬底上涂上一层氮化铝材料,并在其上面生长氮化镓晶体。此后还在创设P层工作面上取得突破性进展,用扫描电镜产生的电子流提高P层的效率。1992年,他们终于制成了第一个发蓝光的LED。原在日本“日亚”公司的中村修二从1988年开始研制蓝光LED。两年之后,成功地制成了高质量的氮化镓晶体。他的方法是在低温下生长一薄层氮化镓晶体,随后在稍高的温度下继续进行晶体培养。他还采用了一种更简单、更便宜的加热方法创设P层,并于1992年制成了具有完善功能的P层。

    蓝光LED技术的出现,可以说是继爱迪生发明电灯之后,人类照明历史上最值得夸耀的技术之一。人类可以使用全新的手段产生白色光源,开启照明新时代。从技术角度看,白光LED无疑是目前LED最尖端的技术。

    三、LED灯的特点及其应用

    LED灯光照效率高,既满足人们的照明要求,也注重照明方式对环境和人体的影响。LED灯的主要特点是:

    1.发光效率高、耗电量少。发光效率单位一般为流明/瓦。白炽灯光效在10-15流明/瓦、卤钨灯12-24流明/瓦、荧光灯50-90流明/瓦、钠灯90-140流明/瓦,LED灯光效为100-200流明/瓦,而且发光的单色性好,可直接发出有色可见光。在同样照明效果的情况下,耗电量是白炽灯的十分之一,荧光灯的二分之一。

    2.工作电压低、功耗低,方便用于无交流市电地区。LED的工作电压低(直流2-3.6V),只需要极微弱电流即可正常发光。夜景照明中的LED灯,一个才0.06瓦,而路灯用的LED灯,一个才1瓦。利用当地的太阳能电池就能让LED灯发光,可给全球15亿尚未受益于电网的人们带来光明。

    3.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。

    4.超长寿命、绿色环保。LED是固体冷光源,体积小、重量轻、无灯丝、无玻璃泡、不怕震动,使用寿命可达5-10万小时。光谱中没有紫外线和红外线,废弃物可回收,没有污染,是典型的绿色照明光源。

    LED应用可分为六类:1.室外景观照明;2.室内装饰照明;3.专用照明,如背光源、照相机闪光灯、汽车照明、台灯、路灯、隧道灯等;4.安全照明,如矿灯、防爆灯;5.特种照明,如农牧渔业及医疗保健用无热辐射照明灯、治疗灯、杀菌灯、农作物及花卉等的非视觉照明灯;6.普通照明,用于办公室、商店、酒店、家庭照明。

    虽然现在LED灯价格比传统照明电光源要高,但其使用一年多时间的节能就可收回投资。目前,白光LED灯的光效已突破300流明/瓦(理论值为400流明/瓦)。随着宽谱白光LED、偏振LED,尤其是有机LED(OLED)等技术的开发,LED灯性能将进一步提高,成本也将不断降低,其应用也更广泛,节能又环保的LED灯必将进入广大平民百姓的家。(市老科协)

 


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