淺析ＬＥＤ在照明領(lǐng)域的應(yīng)用

摘要：簡單介紹了發(fā)光二極管(LED)的發(fā)展現(xiàn)狀及其主要特點(diǎn)，著重探討了LED的節(jié)能性及其在照明領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)目前研發(fā)照明用LED光源仍需攻克的一些技術(shù)關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：LED；節(jié)能環(huán)保；照明；討論

目前，我國的電力供應(yīng)嚴(yán)重不足，2008年“電荒”席卷全國大部分省市。在我國日益凸顯能源危機(jī)的時(shí)刻，節(jié)約能源問題變得日益必要和緊迫。如果能以耗能低，壽命長，環(huán)保安全的LED取代目前傳統(tǒng)照明，無疑將較大幅度降低能源消耗，有效緩解目前我國電力供應(yīng)緊張的局面。

1 LED簡介及其主要特點(diǎn)

發(fā)光二極管(Lighting Emitring Diode，LED)是常用電子元件二極管中的一種類型。它是利用固體半導(dǎo)體芯片作為發(fā)光材料，當(dāng)兩端加上正向電壓時(shí)，半導(dǎo)體中的載流子發(fā)生復(fù)合，放出過剩能量而引起光子發(fā)射產(chǎn)生可見光LED作為21世紀(jì)綠色節(jié)能的第四代照明光源，具有以下幾大特點(diǎn)：

1.1 發(fā)光效率高。按照通常的光效定義，LED的發(fā)光效率并不高(一般10-301m／W，目前已知光效最高的白色LED光效可以達(dá)到55 Im／W)，由于LED的光譜幾乎全部集中在可見光頻段，效率可以達(dá)到80％--90％，而光效差不多的白熾燈其可見光效率僅為10％--20％。

1.2 使用壽命長。在使用中由于LED輻射的是冷光且沒有燈絲電極，所以具有耐振動(dòng)的特點(diǎn)；因而具有極長的使用壽命。LED的壽命是白熾燈的60--100倍，其理論壽命在6--10萬h，如果能夠應(yīng)用于照明領(lǐng)域，那么維護(hù)成本大為降低。

1.3 體積小，結(jié)構(gòu)牢固。LED光源全采用環(huán)氧樹脂封裝，屬于一種壘固體結(jié)構(gòu)，所以能經(jīng)得起一定強(qiáng)度的震動(dòng)，沖擊而不至損壞。除此之外，體積也相對(duì)較小，重量較輕，成本較低。

1.4 光色純，發(fā)光顏色可控。典型的LED光譜狹窄，發(fā)出的光色很純；LED的峰值波長一定，故其發(fā)光顏色一定。可以通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實(shí)現(xiàn)紅、黃、綠、藍(lán)、橙等多色發(fā)光。

1.5 綠色環(huán)保。半導(dǎo)體LED是一種環(huán)保性的綠色光源，不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成任何的污染。LED光源技術(shù)與傳統(tǒng)發(fā)光技術(shù)相比，還是一種無污染的無汞光源且廢棄物可以回收利用。它的眾多優(yōu)點(diǎn)在環(huán)境保護(hù)方面極受歡迎。因此，LED光源被譽(yù)為21世紀(jì)最有價(jià)值的新光源——綠色照明。

2 LED光源在照明領(lǐng)域里的應(yīng)用

LED光源具有如此多的優(yōu)點(diǎn)，與傳統(tǒng)光源相比，具有更廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)資料表明，LED光源正在廣泛地應(yīng)用于各種電器及裝備、儀器、儀表、設(shè)備的顯示器等領(lǐng)域。下面著重探討LED光源在照明領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.1 室內(nèi)照明。隨著第三代半導(dǎo)體材料GaN的突破和藍(lán)、白光的問世，LED照明工具可能逐步替代白熾燈和熒光燈，成為照明行業(yè)的主流產(chǎn)品。現(xiàn)就濟(jì)南大學(xué)目前教室使用的熒光燈為例：一個(gè)熒光燈的功率為IOOW，其日消耗電量0，6KW(每日按6h計(jì)算)，全年需要電費(fèi)大約150元；而如果采用LED光源替代熒光燈則電費(fèi)僅為采用熒光燈的1／5。中國有上千所高校用于教室照明，如果用LED光源代替熒光燈，那么其經(jīng)濟(jì)效益是相當(dāng)可觀的，同時(shí)可有效的緩解能源供應(yīng)不足的問題。

2.2 城市路燈。隨著材料和技術(shù)的開發(fā)研究，世界各國都在極力推廣LED路燈的使用。LED路燈具有如下優(yōu)點(diǎn)：節(jié)能環(huán)保，節(jié)省能量80％；對(duì)光照面的均勻度可控，理論上可以做到在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)完全均勻，可避免傳統(tǒng)光源“燈下亮”現(xiàn)象的光浪費(fèi)；維護(hù)成本低，大功率LED光源可以正常使用10年不用更換，而傳統(tǒng)高壓鈉燈平均1年半就要更換一次；LED顯色指數(shù)高(75-80)，路面更明亮，而高壓鈉燈光譜窄，顯色性差(20-40)，感覺路面昏暗。

2.3 汽車領(lǐng)域照明。因其節(jié)能性，LED被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)業(yè)之中，如儀表板、空調(diào)、收音機(jī)和電子開關(guān)等汽車內(nèi)部照明設(shè)備。與汽車使用的傳統(tǒng)白熾燈相比，LED光源除具有耐振動(dòng)，耐撞擊，不易損壞，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)外，還具有發(fā)光響應(yīng)快的特點(diǎn)，故應(yīng)用于汽車的剎車燈，可以縮短車后車輛的剎車時(shí)間，預(yù)防追尾，提高安全性。

2.4 其它照明領(lǐng)域應(yīng)用。LED還可以應(yīng)用于景觀照明市場：包括室內(nèi)裝飾、建筑裝飾、旅游景點(diǎn)裝飾等，重要建筑、街道、商業(yè)中心、名勝古跡、橋梁、社區(qū)、庭院、草坪、休閑娛樂場所的裝飾照明，以及集裝飾與廣告為一體的商業(yè)照明等。作為革命性的冷光源，LED光源還非常適合油庫、礦井、防暴、安全、醫(yī)療、顯微鏡、軍事等特殊領(lǐng)域。

3 亟待解決的關(guān)鍵性問題

雖然半導(dǎo)體LED光源具有如此廣闊的應(yīng)用前景，但是仍需解決好三個(gè)關(guān)鍵性問題：

3.1 進(jìn)一步提高發(fā)光效率。目前世界各國均在加緊提高LED光效方面的研究，在不遠(yuǎn)的將來其發(fā)光效率將有更大的提高。發(fā)光效率是指光源每消耗單位電能產(chǎn)生的光通量(1m／w)。我們不防設(shè)消耗的電能為w，根據(jù)能量守衡得，W=W1+W2+W3 (式中WI——轉(zhuǎn)換的光能，W2-轉(zhuǎn)換的熱能，W3-轉(zhuǎn)換的磁場能)。P=W1／W是衡量LED電——光轉(zhuǎn)換率高低的物理量，所以欲提高P，可以設(shè)法從技術(shù)上減少W2、W3的輻射量：(1)開發(fā)利用新型高效的半導(dǎo)體材料，(2)改進(jìn)LED芯片結(jié)構(gòu)和制造工藝，利用參雜技術(shù)增加工件中兩種載流子的復(fù)合。(3)減少線路中的無關(guān)電阻，降低線路熱量能耗。

3.2 解決好大面積的散熱問題。LED發(fā)光燈炮或顯示屏等大多采用多個(gè)半導(dǎo)體大功率LED光源集合或組裝而成，這樣就會(huì)構(gòu)成一個(gè)強(qiáng)大的熱源。半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，所以這種大功率的半導(dǎo)體LED光源在極高溫度下不但性能明顯下降而且可靠性差，會(huì)縮短其使用壽命。如果能夠設(shè)法控制它的產(chǎn)熱量并增強(qiáng)其散熱能力，那么這種新型照明燈無疑能獲得最佳性能。

3.3 降低價(jià)格。由于制作LED光源的材料稀貴和部分技術(shù)難題仍需攻克，目前LED光源價(jià)格依然居高不下，要想完全替代傳統(tǒng)光源還不太現(xiàn)實(shí)。但是可以預(yù)見，在不久的將來，LED光源必會(huì)普及。

LED作為新型高效固體光源，已顯示出作為照明光源的巨大潛力，將成為人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一飛躍，引發(fā)第三次照明革命，其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保意義巨大。