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全球LED照明技术发展现状及未来趋势

日期: 2018-01-09 来源: 三点一线

由于能源短缺问题在世界范围内是普遍存在的,所以对环境保护、节约减排等要求也在不断地提高。现阶段,随着LED照明技术具有使用寿命长、绿色环保、节能以及照明亮度高等显著优点,再加上LED技术的不断完善使得LED照明会成为人类照明史上的又一次照明革命,并广泛的应用于景观照明、交通信号、路灯、背光屏、显示屏、各种指示显示中,更好地为人类服务。因此进一步加强对其的研究非常有必要。

1、我国照明技术的发展阶段

火的使用时人类进入照明领域的伟大进步,同时也是照明技术的第一次革命,著名科学家爰迪生发明的白炽灯被全球公认为是照明领域的第二次技术革命,节能灯的广泛使用被认为是照明领域的第三次技术革命。而LED半导体的照明灯发现并且使用,无疑是第四次照明光源。在进人19世纪之前,人们照明的手段十分简单,就是利用各种火源的直射光进行照明,例如:油灯、蜡烛等,人类和它们共同度过了漫漫黑夜。但逐渐人们发现,它们的发光效率和发光度、以及发光质量十分低下,在逐渐的发展过程中只能被淘汰。19世纪,著名科学家爰迪生发明了一种改变人类日后生活的重大发现,那就是白炽灯,随之而来的就是电力时代然后是节能的发现和实用。直到20世纪中期。英国科学家发现了LED照明灯。80年代诞生了高强度、高亮度的LED照明灯。颜色逐渐由红、变黄、最后为绿二经过多年的发展。目前投入市场使用的照明灯为氮化LED、绿光LED、以及蓝光LED照明灯。

2、LED照明技术原理

LED音译成中文就是发光的二极管。它的最基本组成材料就是发光的半导体,具体结构就是将其放置于一个有引线的架子中,然后再用环氧树脂将其周围进行保护、密封。其中半导体的材料一主要有晶片组成,分为P型半导体和N型半导体。P型半导体在LED灯中的空穴占有绝对的主导地位,而N型半导体主要是电子材料址只要将这两种不同的半导体连接起来,就形成了一个简单的P-N结,一旦给LED灯通电后,电流就会顺着导线进入晶片,电子就会由N区被推向P区,然后在P区域内和空穴重合将其转化为光子的形式,就可以发光了LED照明灯.它能够直接的把电能转化成光能。而光的颜色取决于P-N结使用的材料,这就是LED照明灯的发光原理。

3、LED照明关键技术

3.1、LED芯片制造

LED芯片制造工艺流程分为两大部分。首先在衬底上制作氮化镓基的外延片,准备好制作GaN基外延片所需的材料和各种高纯的气体后,按照工艺的要求逐步制造外延片。接下来对LED的PN结的两个电极进行加工,并对毛片进行减薄、划片;然后对毛片进行测试和分选,最后得到所需的LED芯片。其工艺流程为:衬底准备一外延一实时处理一扩散、溅射、化学气相沉积一光刻一离子注入-刻蚀(温法/湿法)一化学机械抛光、清洗一抗蚀。

3.2、LED封装

LED封装作为电子封装的一种,主要有四个功能:1)为LED芯片提供机械支撑和保护;2)接通芯片的电流通路;3)提供信号输入输出通路;4)提供散热通路。可以说,LED封装直接影响着LED器件的电、热、光和机械性能,还影响其可靠性、成本及寿命,同时,封装对LED系统的小型化起着关键作用。因此,要求LED封装具有优良的电性能、热性能、机械性能和光学性能,同时必须具有高可靠性和低的成本。

LED封装技术是在分离器件封装技术的基础上发展和演变而来。随着LED芯片及材料技术研发的突破,LED封装技术也得到了突破性的进展。按LED产品市场划分,LED封装的发展主要经历了引脚式封装、表面贴膜封装与功率型封装、COB模组封装4个阶段。目前,LED芯片的封装结构主要有4种,即:正装结构、倒装结构、垂直结构和三维垂直结构,总的说来,低热阻、散热良好及低机械应力的新式封装结构是封装技术的关键。

3.3、LED驱动电源

LED驱动电源是把电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光的电源转换器,通常情况下:LED驱动电源的输入包括高压工频交流、低压直流、高压直流、低压高频交流等。而LED驱动电源的输出则大多数为可随LED正向压降值变化而改变电压的恒定电流源。驱动电源性能的高低将直接影响LED灯具的性能及寿命。因此,驱动电源的设计也是LED照明的关键技术。

虽然当前LED驱动电源技术已经相当成熟,但是,随着LED照明技术的不断发展以及人们对LED照明的要求不断提高,在设计LED驱动电源时,不仅要考虑髙可靠性、高效率、驱动方式、浪涌保护、过载保护、高寿命、工作环境温度、湿度、安装位置、电磁兼容等传统设计准则,更要考虑人机工程、智能控制、标准化、扩展性以及降低成本等。

4、LED照明技术的发展前景

4.1、发光效率不断提高和产品质量稳步提升

现阶段,LED照明技术的发光效率每年大约以15%的速度在有效提高,在未来三年有极大地可能超过200lm/W的白色LED问世。虽然在2011年见LED照明技术的渗透率仅为6.6%,但它的成长潜力十分巨大。目前,世界大多数国家都已经退出了关于LED技术的优惠措施及其他相关措施,我国计划在2015年间LED的照明技术在市场的占有率为20%。此外,随着LED技术的不断完善,LED照明的产品质量也在不断地提升中。

4.2、未来LED照明将朝向高压LEDs化发展

高压LEDs也就是HvLEDs,它不仅能有效地降低LED照明产品的成本及LED产品自身的重量,同时也能大幅度降低LED产品对其散热系统的设计要求,从而更好地解决LED照明市场上的技术障碍。高压LEDs的IF小电流、VF高电压的工作条件打破了传统低压LED的IF大电流、VF低电压的工作要求。由于采用高压LEDs的LED照明产品的SOP能更加有效地降低成本、散热以及减轻质量等。与传统的低压LED相比高压LED拥有更有好的发热性能,也能更好地解决低压LED电解电容器及驱动电源等的寿命问题。

总之,随着世界范围内的节能降耗需求的加大以及LED照明技术的不断发展使得LED照明灯必将能引发未来照明市场的在环保方面的重大革命,从而引导我们更好地步入低碳经济的照明时代,因此进一步加强对其的研究非常有必要。 

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