解析LED發(fā)光效率 68％電能轉化為熱量

標簽：LED 照明 光源

發(fā)光效率為評測光源效率的指標,用光源發(fā)出的光通量 (lm)與向光源輸入的電力(W)之比表示。單位為lm/W。

最近,白色LED 的發(fā)光效率超過(guò)了100lm/W。作為有望繼白熾燈和熒光燈之后成為新一代光源的白色LED,其發(fā)光效率能否達到與直管型熒光燈的綜合效率相同的100lm/W備受關(guān)注。發(fā)光效率只表示光源的效率,與將光源安裝到照明器具上后器具的整體效率(綜合效率)是不同的概念。

發(fā)光效率是將外部量子效率用視覺(jué)靈敏度(人眼對光的靈敏度)來(lái)表示的數值。外部量子效率是發(fā)射到LED芯片 和封裝外的光子 個(gè)數相對于流經(jīng)LED的電子個(gè)數(電流)所占的比例。組合使用藍色LED芯片和熒光體的白色LED的外部量子效率,是相對于內部量子效率(在LED芯片發(fā)光層內發(fā)生的光子個(gè)數占流經(jīng)LED芯片的電子個(gè)數(電流)的比例)、芯片的光取出效率(將所發(fā)的光取出到LED芯片之外的比例)、熒光體的轉換效率(芯片發(fā)出的光照到熒光體上轉換為不同波長(cháng)的比例)以及封裝的光取出效率(由LED和熒光體發(fā)射到封裝外的光線(xiàn)比例)的乘積決定。

在發(fā)光層產(chǎn)生的光子的一部分或在LED芯片內被吸收,或在LED芯片內不停地反射,出不了LED芯片。因此,外部量子效率比內部量子效率要低。發(fā)光效率為100lm/W的白色LED,其輸入電力只有32%作為光能輸出到了外部。剩余的68%轉變?yōu)闊崮堋?/p>

今后3年將提高100lm/W

發(fā)光效率在2003年之前一直以每年數lm/W的速度緩慢提高。在提高發(fā)光效率時(shí),最初未改變熒光體和封裝,而是致力于改進(jìn)芯片技術(shù)。具體而言,進(jìn)行了諸如改善藍色LED芯片所使用的GaN類(lèi)半導體 結晶的MOCVD 結晶成長(cháng)技術(shù)等。

從2004年開(kāi)始,發(fā)光效率以每年10～20lm/W的速度提高。由此,從2004年的50lm/W到2008年的100lm/W,4年間提高了50lm/W。這種速度的實(shí)現,借助了將原來(lái)聚集于成膜技術(shù)的芯片技術(shù)改進(jìn)擴展至了整個(gè)LED制造工藝那樣的重大調整。另外,除了改進(jìn)芯片技術(shù)外,還開(kāi)始對熒光體進(jìn)行改善。

68%為熱損失

對發(fā)光效率為100lm/W的白色LED的能源轉換進(jìn)行模擬的結果。白色LED實(shí)現了與熒光燈同等以上的發(fā)光效率,但只有輸入電力的32%能作為光能輸出到外部。剩余的68%轉變?yōu)榱藷崮?。該模擬為向直徑5mm的炮彈型白色LED輸入62mW電力時(shí)的結果。白色LED是通過(guò)組合使用藍色LED芯片和黃色熒光體獲得的。

今后,各LED廠(chǎng)商擬將把2008年實(shí)現的100lm/W發(fā)光效率,提高至2010年的140～170lm,2011年提高至150～200lm/W。也就是說(shuō),在發(fā)光效率上領(lǐng)先于新加入進(jìn)來(lái)的廠(chǎng)商的LED廠(chǎng)的目標是,平均每年提高30lm/W以上,3年提高100lm/W。LED的發(fā)光效率的上限被認為是250lm/W左右,各LED廠(chǎng)商正在挑戰能以何種程度逼近上限。

為挑戰該上限,LED廠(chǎng)商正在全面導入最新的芯片技術(shù)、熒光體技術(shù)以及封裝技術(shù)。芯片技術(shù)方面,將繼續提高內部量子效率和光取出效率。熒光體方面,除了提高變換效率外,還要采取措施降低因熒光體散射造成的衰減。封裝技術(shù)方面,要改善材料和構造,以提高光取出效率。

通過(guò)同時(shí)投入芯片、熒光體和封裝領(lǐng)域的多種技術(shù),以高于以往的速度提高發(fā)光效率,由此才能應對提前出現的照明用途和快速擴大的背照燈市場(chǎng)。