解析LED發光效率 68％電能轉化為熱量

標簽：LED 照明 光源

發光效率為評測光源效率的指標,用光源發出的光通量 (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 的發光效率超過了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備受關注。發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。

發光效率是將外部量子效率用視覺靈敏度(人眼對光的靈敏度)來表示的數值。外部量子效率是發射到LED芯片 和封裝外的光子 個數相對于流經LED的電子個數(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芯片發光層內發生的光子個數占流經LED芯片的電子個數(電流)的比例)、芯片的光取出效率(將所發的光取出到LED芯片之外的比例)、熒光體的轉換效率(芯片發出的光照到熒光體上轉換為不同波長的比例)以及封裝的光取出效率(由LED和熒光體發射到封裝外的光線比例)的乘積決定。

在發光層產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%轉變為熱能。

今后3年將提高100lm/W

發光效率在2003年之前一直以每年數lm/W的速度緩慢提高。在提高發光效率時,最初未改變熒光體和封裝,而是致力于改進芯片技術。具體而言,進行了諸如改善藍色LED芯片所使用的GaN類半導體 結晶的MOCVD 結晶成長技術等。

從2004年開始,發光效率以每年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。這種速度的實現,借助了將原來聚集于成膜技術的芯片技術改進擴展至了整個LED制造工藝那樣的重大調整。另外,除了改進芯片技術外,還開始對熒光體進行改善。

68%為熱損失

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

今后,各LED廠商擬將把2008年實現的100lm/W發光效率,提高至2010年的140～170lm,2011年提高至150～200lm/W。也就是說,在發光效率上領先于新加入進來的廠商的LED廠的目標是,平均每年提高30lm/W以上,3年提高100lm/W。LED的發光效率的上限被認為是250lm/W左右,各LED廠商正在挑戰能以何種程度逼近上限。

為挑戰該上限,LED廠商正在全面導入最新的芯片技術、熒光體技術以及封裝技術。芯片技術方面,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。封裝技術方面,要改善材料和構造,以提高光取出效率。

通過同時投入芯片、熒光體和封裝領域的多種技術,以高于以往的速度提高發光效率,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。