1 中山泰騰燈飾有限公司LED光源照明技術燈光環境中的應用 2006 10 08 2 LED光源照明技術燈光環境中的應用 LED光源在照明領域的應用 是半導體發光材料技術高速發展及 綠色照明 概念逐步深入人心的產物 綠色照明 是國外照明領域在上世紀80年代末提出的新概念 我國 綠色照明工程 的實施始於1996年 實現這一計畫的重要步驟就是要發展和推廣高效 節能照明器具 節約照明用電 減少環境及光污染 建立一個優質高效 經濟舒適 安全可靠 有益環境的照明系統 3 一 LED照明概念 LED LighyEmittingDiode 又稱發光二極體 它們利用固體半導體晶片作為發光材料 當兩端加上正向電壓 半導體中的載流子發生複合 放出過剩的能量而引起光子發射產生可見光 4 一 LED的發展歷史 應用半導體P N結髮光源原理製成LED問世於20世紀60年代初 1964年首先出現紅色發光二極體 之後出現黃色LED 直到1994年藍色 綠色LED才研製成功 1996年由日本Nichia公司 日亞 成功開發出白色LED 5 LED以其固有的特點 如省電 壽命長 耐震動 回應速度快 冷光源等特點 廣泛應用於指示燈 信號燈 顯示幕 景觀照明等領域 在我們的日常生活中處處可見 家用電器 電話機 儀錶板照明 汽車防霧燈 交通信號燈等 但由於其亮度差 價格昂貴等條件的限制 無法作為通用光源推廣應用 6 最偉大的發明之一 近幾年來 隨著人們對半導體發光材料研究的不斷深入 LED製造工藝的不斷進步和新材料 氮化物晶體和螢光粉 的開發和應用 各種顏色的超高亮度LED取得了突破性進展 其發光效率提高了近1000倍 色度方面已實現了可見光波段的所有顏色 其中最重要的是超高亮度白光LED的出現 使LED應用領域跨越至高效率照明光源市場成為可能 曾經有人指出 高亮度LED將是人類繼愛迪生發明白熾燈泡後 最偉大的發明之一 7 二 LED發光原理 發光二極體主要由PN結晶片 電極和光學系統組成 其發光體 晶片的面積為10 12mil 1mil 0 0254平方毫米 目前國際上出現大晶片LED 晶片面積達40mil 8 其發光過程包括三部分 正向偏壓下的載流子注入 複合輻射和光能傳輸 微小的半導體晶片被封裝在潔淨的環氧樹脂物中 當電子經過該晶片時 帶負電的電子移動到帶正電的空穴區域並與之複合 電子和空穴消失的同時產生光子 9 電子和空穴之間的能量 帶隙 越大 產生的光子的能量就越高 光子的能量反過來與光的顏色對應 可見光的頻譜範圍內 藍色光 紫色光攜帶的能量最多 桔色光 紅色光攜帶的能量最少 由於不同的材料具有不同的帶隙 從而能夠發出不同顏色的光 10 LED照明光源的主流將是高亮度的白光LED 目前 已商品化的白光LED多是二波長 即以藍光單晶片加上YAG黃色螢光粉混合產生白光 未來較被看好的是三波長白光LED 即以無機紫外光晶片加紅 藍 綠三顏色螢光粉混合產生白光 它將取代螢光燈 緊湊型節能螢光燈泡及LED背光源等市場 11 三 LED光源的基本特徵 發光效率高 耗電量少 使用壽命長 安全可靠性強 有利於環保 12 發光效率高 LED經過幾十年的技術改良 其發光效率有了較大的提升 白熾燈 鹵鎢燈光效為12 24流明 瓦 螢光燈50 70流明 瓦 鈉燈90 140流明 瓦 大部分的耗電變成熱量損耗 LED光效經改良後將達到達50 200流明 瓦 而且其光的單色性好 光譜窄 無需過濾可直接發出有色可見光 目前 世界各國均加緊提高LED光效方面的研究 在不遠的將來其發光效率將有更大的提高 13 耗電量少 LED單管功率0 03 0 06瓦 採用直流驅動 單管驅動電壓1 5 3 5伏 電流15 18毫安培 反應速度快 可在高頻操作 同樣照明效果的情況下 耗電量是白熾燈泡的八分之一 螢光燈管的二分之一 日本估計 如採用光效比螢光燈還要高兩倍的LED替代日本一半的白熾燈和螢光燈 每年可節約相當於60億升原油 就橋樑護欄燈例 同樣效果的一支日光燈40多瓦 而採用LED每支的功率只有8瓦 而且可以七彩變化 14 使用壽命長 採用電子光場輻射發光 燈絲發光易燒 熱沉積 光衰減等缺點 而採用LED燈體積小 重量輕 環氧樹脂封裝 可承受高強度機械衝擊和震動 不易破碎 平均壽命達10萬小時 LED燈具使用壽命可達5 10年 可以大大降低燈具的維護費用 避免經常換燈之苦 15 安全可靠性強 發熱量低 無熱輻射 冷光源 可以安全抵摸 能精確控制光型及發光角度 光色柔和 無眩光 不含汞 鈉元素等可能危害健康的物質 內置微處理系統可以控制發光強度 調整發光方式 實現光與藝術結合 16 有利於環保 LED為全固體發光體 耐震 耐衝擊不易破碎 廢棄物可回收 沒有污染 光源體積小 可以隨意組合 易開發成輕便薄短小型照明產品 也便於安裝和維護 17 當然 節能是我們考慮使用LED光源的最主要原因 也許LED光源要比傳統光源昂貴 但是用一年時間的節能收回光源的投資 從而獲得4 9年中每年幾倍的節能淨收益期 18 二 LED照明光源技術的應用前景及趨勢 長期以來 由於LED光效低的原因 其應用主要集中在各種顯示領域 隨著超高亮度LED 特別是白光LED 的出現 在照明領域的應用成為可能 據國際權威機構預測 二十一世紀將進入以LED為代表的新型照明光源時代 被稱為第四代新光源 19 一 前景及發展趨勢 目前 照明消耗約占整個電力消耗的20 大大降低照明用電是節省能源的重要途徑 為實現這一目標業界已研究開發出許多種節能照明器具 並達到了一定的成效 但是 距離 綠色照明 的要求還遠遠不夠 開發和應用更高效 可靠 安全 耐用的新型光源勢在必行 20 LED以其固有的優越性正吸引著世界的目光 美國 日本等國家和臺灣地區對LED照明效益進行了預測 美國55 白熾燈及55 的日光燈被LED取代 每年節省350億美元電費 每年減少7 55億噸二氧化碳排放量 日本100 白熾燈換成LED 可減少1 2座核電廠發電量 每年節省10億公升以上的原油消耗 臺灣地區25 白熾燈及100 的日光燈被白光LED取代 每年節省110億度電 21 日本早在1998年就編制 21世紀計畫 針對新世紀照明用LED光源進行實用性研究 近年來 日本日亞化工 豐田合成 SONY 佳友電工等都已有LED照明產品問世 世界著名的照明公司如飛利浦 歐司朗 GE等也投入大量的人力物力進行LED照明產品的研究開發和生產 美國GE公司和EMCORE公司合作成立新公司 專門開發白光LED 以取代白熾燈 緊湊型螢光燈 鹵鎢燈和汽車燈 德國歐司朗公司與西門子公司合作開發LED照明系統 臺灣目前的LED產量僅次於日本列在美國之前 從1998年開始投入6億台幣進行相關開發工作 22 LED發展歷史已經幾十年 但在照明領域的應用還是新技術 隨著LED技術的迅猛發展 其發光效率的逐步提高 LED的應用市場將更加廣泛 特別在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下 LED在照明市場的前景更備受全球矚目 被業界認為在未來10年成為最被看好的市場以及最大的市場將是取代白熾燈 鎢絲燈和螢光燈的最大潛力商品 23 二 照明應用中存在的主要技術問題 近年來 LED的發光效率正在逐步提高 商品化的器件已達到白熾燈的水準 景觀燈採用的白色LED發光效率接近螢光燈的水準 並在穩步增長中 但是 在照明普及應用方面仍存在一些技術性問題 24 一是光通量有待進一步提高 採用LED作為照明光源 必須可以發出更多的光 必須具有更高的能量效率 25 二是LED發出的光與自然光仍有一定的差距 白熾燈具有非常強的黃色光的成分 給人一種溫暖的感覺 而白光LED發出的白光帶有藍色光的成分 在這種光的照明下 人們的視覺不很自然 26 三是價格較高 這是影響LED照明普及的主要原因 但是 近年來出於晶片技術的改良 製造成本正在急劇下降 近三年來LED的價格下降了近50 其正朝著高效率 低成本的方向發展 這為LED在照明領域的應用提供了有利條件 此外 較好的性價比也可以彌補成本價格方面的不足 27 三 LED照明技術在燈光環境中的應用 由於LED光源具有發光效率高 耗電量少 使用壽命長 安全可靠性強 有利於環保等特性 近幾年來在城市燈光環境中得到了廣泛的應用 目前已應用於數碼幻彩 護欄照明 廣場照明 庭院照明 投光照明 水下照明系列 28 許多城市利用LED光源照明技術應用於城市燈光環境建設中 產生了良好的效果 積累了豐富的的經驗 如廣州電力大廈 廣州鶴洞大橋 廣州工商行大廈 珠海迎賓南路燈光工程 東莞中心城區燈光工程 鄭州河南醫科大立交橋 上海延安路燈光工程 湖南常德市丹陽天橋 南通市通訊塔燈光工程等 29 隨著全國城市化的進一步發展 燈光環境 包括路燈 景觀燈 藝術燈等 建設領域將不斷擴大 LED光源的應用也將不斷發展 LED作為第四代新光源 在城市景觀燈建設領域中已得到了有效的應用 但要在路燈建設和維護中取代大功率的高壓鈉燈 高壓汞燈 金鹵燈等光源 還需進一步的研究和探討 認真解決LED光源在照明應用中存在的技術問題 還需LED光源生產廠家結合路燈行業的實際情況 生產符合路燈建設和維修所需的新產品 使第四代新光源在城市照明建設中發揮更大的作用 30 END