全面剖析LED灯具技术

2011-08-28 来源：照明工程师社区

LED是英文light emitting diode的缩写，即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

　LED照明技术的原理

LED是英文light emitting diode的缩写，即：光线激发二极管，属于一种半导体元器件。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。当它处于正向工作状态时(即两端加上正向电压)，电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。打个比方，LED就像一个汉堡，可以发光的材料是夹层中的“肉饼”，而上下的电极就是夹肉的面包。而通过对其中发光材料的研究，人们逐渐开发出各种光色、光效率越来越高的LED元件，但是无论怎么变化，LED总的发光原理和结构都没有发生太大的变化。

LED光源的优点

红光LED

红光LED 白光LED统光源，因此自60年代诞生以来，得到了长足的发展和应用。而相对于白炽灯、荧光灯等老一代发光设备，LED的优点主要体现在以下几个方面：1.LED在结构上没有玻璃外壳，不需要想白炽灯或者荧光灯那样在灯管内抽真空或者冲入特定气体，因此抗震、抗冲击性良好，给生产、运输、使用各个环节带来便利。
白炽灯、荧光灯

作为一种出现时间最晚的照明技术，LED的优点不仅体现在发光质量方面，在其生产、制造、易用性方面都要大大超越白炽灯、荧光灯等

　　2.LED元件的体积可以做的非常小，更加便于各种设备的布置和设计。

3.LED的发出的光线能量集中度很高，集中在较小的波长窗口内，纯度高。

4.LED元件的寿命非常长，普遍在5万-10万小时之间，即使是频繁的开关，也不会影响到使用寿命。

　　5.LED响应时间非常快，在微秒级别。

　　6.LED的发光指向性非常强，亮度衰减比传统光源低很多。

　　7.LED在生产过程中不要添加“汞”，非常环保。

　　8.LED使用低压直流电即可驱动，对使用环境要求较低。

　　LED发光设备的这些优点，不仅为其在日常照明领域的广泛应用奠定了坚实基础，也为LED进入显示设备领域打造了一条充满希望的道路。

不过，LED并不是从一开始就拥有如此之多的优势，也是经过了一段较长时间的发展，下面我们就去看看LED从诞生到现在所经历过的发展变迁之路。

LED照明技术的发展历程

　　在LED刚刚出现的时候，其发光的颜色和效率都比较低。当时主要使用的发光材料是“GaAsP”，驱动电流在20mA，只能发出红色的光，而且发光效率只有0.1流明/瓦，因此亮度仅仅能够满足一些仪表、电器上的指示之用，并没有得到广泛的使用和注意。

而在随后的几十年里，一些新的发光材料被逐步引入到LED当中，LED逐渐开始显露出强劲的发展后劲。在70年代中期，通过引入元素In和N，使得 LED可以发出波长为555纳米的绿光、波长为590纳米的黄光和波长为610纳米的橙光，同时发光效率也提高到了1流明/瓦。到了80年代初，又出现了使用GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。而进入90年代后，能发出红光、黄光的GaAlInP和发出绿光、蓝光的 GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙色光区域(波长615纳米左右)的光效达到 100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域(波长为530纳米)的光效也可以达到50流明/瓦。不仅超过了传统的白炽灯，而且和发光效率较高的荧光灯已经非常接近。而按照材料科学的发展速度，发光效率能达到200流明/瓦的LED也将在较快的时间内问世。

而在LED发光技术的发展史上，白光型LED的出现，则成为LED进入快速发展阶段的重要突破。在上世纪末，受到荧光灯发光原理的启发，LED厂家通过在高亮度蓝光LED管芯上加一层荧光粉，用蓝光激发荧光粉发出白光的LED发光元件。此外，通过采用不同的荧光粉，可发出色温为4500～10 000K及色温为2850～3800K的多种白光LED，也让白光LED具备了成为新一代照明设备的能力。目前，白光LED的发光效率大都已超过30流明 /W，某些产品已超过50流明/W的水平，具备了正式大规模实用化的基础。经过这么多年的发展，LED照明发光技术已经便成为一种相对成熟的事物，市面上不仅有能发出各种色彩的LED产品，也出现了大量可以用于直接照明的LED 产品，此外，在显示领域，LED产品也经历了从单色到彩色，从低分辨的文字到高分辨率图像显示的进化过程，正在日益影响着我们的生活和工作。

白炽灯、荧光灯和LED灯光效率的发展趋势

由于LED在最初是被当作一种发光元件而生产的，因此，LED技术生来就和光明结下了不解之缘。而目前存在的各种LED产品，也可以按照用途的不同，大致可以分为：LED指示/照明设备和LED显示成像设备两大类。

LED照明设备

LED的最大价值还是体现在照明领域。由于LED发光技术全面超越传统光源，因此许多人都看好未来LED在照明市场的机会，根据据CIR预测，全球LED市场将从2004年的 32亿美元，增长至2008年的56亿美元，其中，高亮度LED市场产值将由16亿美元增至26.4亿美元，超高亮度LED市场则将从2006年起快速成长，并于2008年占到全球市场22%的份额。

而令LED拥有如此广阔之商业运营前景的最关键原因，则在于其高度节能的独特特性。作为第三代半导体照明材料，LED的寿命是普通白炽灯的100倍，耗能却远比白炽灯小，更换成本也更低，并具备体积小、安全、无污染、免维护、响应速度快等附属优点。由于体积小、配置灵活，理论上LED照明设备可以做成任意想要的形式。因此可以预见，在未来照明市场上，LED光源将成为人们的新宠。

只要将包打开，内置的LED灯泡就会自动点亮，LED用途其实很广泛

LED成像设备

　　在90年代中期，伴随着高发光效率LED元器件的成熟，市场开始出现了一种新型的显示设备——大屏幕LED显示器，在各种公共场合，例如车站、证券交易大厅、我们都能看到这种LED显示设备。最初的LED显示设备原理比较简单：将每一个可以发出单色光的LED元件作为显示设备的像素点，通过控制每一个像素点的亮于灭，来实现文字或者简单图像的显示。这种设备是所有LED显示设备中最易实现、成本最低的产品，但是因为长寿命、高亮度，至今仍在很多场合得到使用。例如北京的大部分公交车和地铁上，都有LED的提示器，可以滚动显示各种文字信息、站名、时间等等。

LED显示设备

除了比较初级的LED电子显示屏，还有一种比较常见的LED显示设备，那就是用于组建大尺寸显示的模块化彩色LED显示屏。

这种模块化的LED显示设备，主要是用来满足永久或者临时性的大面积显示的需要。例如在一些演唱会、晚会、发布会的现场，为了更好的烘托的气氛，就需要一整块当作背景使用的显示设备，而在LED显示器出现以前，这几乎是一个不可能完成的任务。而在户外显示方面，传统的霓虹灯虽然亮度较好，也可以做出非常漂亮的效果，但是充其量也只是灯具而不是显示设备，不能实现多样化并且灵活的显示功能，也受到了越来越多广告主的不满，因此模块化大屏幕LED显示屏的出现，正好满足了他们的需求。

正是基于这种需要，这种 LED显示设备采用了模块化设计，一般一个矩形模块的大小在0.25平米-1平米之间，通过若干模块的排列组合，可以组建出各种尺寸的显示面积。除了组装成面积不等的平面显示器，通过合理的设计，还可以利用LED屏搭建出立体的显示器，例如可以做成一个6面同时显示的立方体显示器，并且通过屏幕控制装置，实现6面独立显示或者整体显示的效果，使用起来非常灵活。

　　和基本的LED显示设备不同的是，模块化LED可以显示出完整的全彩色图像，在一定的观看距离上，观众可以得到接近传统显示器的图像效果，而这主要得益于它的像素结构。从微观上看，模块化LED显示设备采用了和平板电视非常类似的像素结构，即每一个像素点都是由可以发出R/G/B单色光的LED元件组成，通过3种原色的排列组合，每个像素就可以发出各种色彩的光。U2 vertigo演唱会中使用到的LED显示屏，由于点距较大，所以图像较粗糙。

由于定位于大面积显示，所以模块化LED 显示屏的每个像素之间的距离要比电视机、显示器等设备大很多。因此在这类设备上，并不像一般显示设备那样用分辨率来表示清晰度，而是用每个像素点之间的点距来表示。通常来说，用于室内的LED屏一般的点距在10毫米之内，8毫米属于中等偏上，而6毫米的则是效果最好的产品，不过相应的售价也比较高。室外用 LED屏的点距则要大不少，一般有10毫米、16毫米等规格，但是室外屏在防水防尘效果上要好于室内屏。

近几年，模块化LED显示屏在全球范围内都得到了非常广泛的应用，其超高的显示亮度、灵活的搭配方式得到了绝大多数人士的认可，已经成为户外显示设备的主力品种，并且在活动、演出、展览展示等行业得到了广泛的应用。

LED在照明领域面临的问题

　　LED在照明领域面临的问题：

(1)首先是发光效率问题。提高LED的发光效率最主要的方法是改进半导体发光材料与LED芯片的结构和制造工艺。由于这部分工作需要强大的理论研究基础和先进的半导体工艺设备，因此要实现200流明/瓦的目标路途依然比较艰难。

　(2)高功率问题。作为照明，单个LED输出的光通量必须足够大，欲加大LED的光通量，首先必须注入足够的电功率。但LED芯片的温升不能过高，否则各项性能特别是使用寿命会受到很大的影响。显然，设计较大输入功率的LED器件和灯具，除需用面积较大的芯片外，还必须有良好的散热结构。现在国外一些著名公司已设计研制了一些特殊的LED器件结构，并已获得了较好的效果。

　　(3)由于LED照明需由多个LED管组成，其参数离散性也是一个技术问题。除了通过预选、分类，尽量保证一致性以外，还必须设计合理的灯具结构(包括LED的排列和位置布局)和研究合适的驱动电路，防止偶尔产生的能量集中而烧毁部分LED。

　　(4)此外，由于多个LED组成一只照明灯具时，免不了对LED进行并联、串联。而在使用过程中只要有一个LED短路或开路，都将会导致整小片或整条LED熄灭，影响照明效果。为此，必须研究简单而廉价的保护电路，使这种不良影响降至最低限度。

　　LED在显示技术领域面临的问题：　　(1)和在照明领域遇到的主要问题一样，LED在作为新型背光源的同时，也面临着发光效率的问题。目前传统CCFL冷阴极荧光灯虽然耗电量大、发光质量一般，但是其发光效率可达到50～100流明/瓦，而白光LED器件在刚起步时发光效率仅为20lm/W甚至更低，这就注定LED在开始时并不适合作为 LCD显示器的背光源。不过，白光LED的发光效率以每年提高60%的幅度提升，到目前为止，白光LED器件的发光效率突破50lm/W，开始达到实用化水平。 (2)LED背光源系统的成本要高于冷阴极荧光管。目前LED背光模组零组件的价格为CCFL背光源的5倍左右，屏幕尺寸越大，采用LED背光技术的成本就越高。不过LED产业也存在类似微处理器产业中的“摩尔定律”——Haitz定律，以安捷伦(LED领域领导厂商)的前任技术科学家Roland Haitz命名。其内容是LED的价格每10年将为原来的1/10，性能则提高20倍。如果这个定律能够不断应验，而随着产能的增加，LED背光源的成本将快速下滑。预计到未来一两年LED背光的售价可降到CCFT背光的2倍左右，距离大规模普及仅有一步之遥。

大尺寸电视要使用大量的LED元件，因此散热和价格都是比较棘手的问题

(3)RGB-LED背光源中，发出每种原色的LED元件由于采用了不同的发光材料，因此在长时间使用后，其性能的衰减将不一致，这也可能导致届时显示的效果出现比较大的偏差。

　　总结：

　　作为20世纪人类最重要的100项发明之一的LED技术，在经历了30多年的发展后，终于迎来了距离广泛应用不远的日子，相信通过本文的介绍，你也对 LED将在哪几个方面对我们的生活产生影响有了一定了解。无论LED技术走向何方，这一充满前途的技术必将给我们的生活带来巨大的改变。

LED技术在显示领域的应用

　　由于LED的优良发光特性，LED元件不仅可以做成直接显示的设备，近年来，LED也被逐渐引入到现有的平板显示技术中，特别是液晶显示技术，非常有可能下一个被LED所垄断的产业。LED背光源的色彩饱和度较佳，响应时间极快，漏光效果较弱。如果通过增加对比、进行区域控制等手段，性能要大大优于冷阴极荧光灯(CCFL)。而且冷阴极荧光灯含有汞等有害物质，LED相较之下更具环保优势。LED已经在很多移动设备所使用的小尺寸面板中普及。而笔记本电脑和液晶电视等大尺寸面板用背光源将是LED产业下一个重量级应用。

目前LED技术在液晶领域的应用，主要是利用LED发光元件替代以前的CCFL荧光灯光源，作为液晶显示设备的背光源。而如果要再次细分的话，又可以按照LED发出的光源色彩，分成白光LED背光源和RGB-LED背光源两种。

　　白光LED背光源技术

在上文中，我们曾经提到过 LED在发展过程中的突破之一就是实现了可发出白色光的目标。在液晶显示设备的成像原理中，背光源发出的白光，经过液态晶体层后，再通过R/G/B彩色滤光膜，变成独立的原色。在这一过程中，决定最后液晶显示设备色彩的关键并不是液态晶体层，而是背光源的发光质量。背光源的光谱中RGB每种原色光的纯度越高，在最后才能还原出越纯正的原色，只有还原出纯正的RGB三原色，才能调配出纯正而且真实的色彩效果。

　　传统的CCFL光源在发光质量上并不理想，因此还原不出非常纯正的色彩，用色域范围来衡量的话，一般就在NTSC等比的72%左右，即使是通过采用改进型的CCFL光源，也只能达到NTSC等比90%左右的色域范围，这就造成现实世界中鲜艳、真实的色彩无法在液晶电视上还原，从而影响了图像质量。而通过采用高发光质量的白色LED背光源，液晶电视的色域范围可以轻松达到NTSC等比100%左右，对色彩效果提升作用明显。

采用白光LED的另一个好处是可以有效降低液晶面板的厚度，非常适合移动设备对轻薄的追求。在介绍LED技术优点的时候，有一条就是LED的体积可以做的非常小。在液晶显示设备中，LED 背光灯板的形状与尺寸会按照液晶面板的形状及尺寸不同而不同。LED背光灯板基本上是长方形或长条形的。它有侧部发光及底部发光两种基本结构。侧部发光的结构主要用于狭长条形的背光灯板(一般长度大于2倍的宽度);而底部发光结构主要用于长度与宽度相差不多的背光灯板。发光二极管点亮时，光线射入透明有机玻璃，使整个发光面都可以看到亮光，这称为边光效应。有机玻璃顶部做成微珠粒状，可使整个发光面的光线更均匀。有机玻璃的顶部有一层乳白色透明塑料膜，可使发出的光更为柔和。背光灯板两侧边用银色遮光胶带封住。每个LED发光单元列有两个串联的二极管，若干列组成LED阵列(视背光灯板的长度而定)。以笔记本产品为例，采用白光LED作为液晶显示屏的背光源后，LED背光源以多组排列于底部放置，来代替传统的CCFL细灯管，在SONY VAIO TX笔记本上，就使用了40个的LED发光元件。用LED代替细灯管后，原导光板厚且成楔形的设计被取消，转而导光板可以用厚度均匀且可以把整体的厚度降底。 LED的另一优点——省电，也在应用时得到了青睐。对于笔记本等移动型产品而言，使用LED可以提高整机的使用时间，从而提升了移动时的持久性。不过对于电视机而言，现阶段使用LED背光并不能大幅度降低耗电量，主要是因为电视对亮度的要求较高，为了满足亮度的需求，就要提高LED元件的数量，从而导致整体功率没有出现明显降低。不过，相信随着更高发光效率的LED元件的出现，液晶电视将使用数量较少的LED元件就能实现高亮度显示，届时耗电量将出现大幅的下降。

RGB-LED背光源技术

　　由于RGB三原色可以调配出自然界中任何一种色彩，因此除了白光LED，在液晶显示领域，还有一种采用可以发出R/G/B三种单色光的LED背光源技术。

RGB-LED背光源，就是通过可以发出高纯度红色、绿色、蓝色光的LED元件，实现传统CCFL光源不能达到的宽广色域范围。目前主流的RGB-LED背光源已经可以达到105%的NTSC色域范围，而且只要采用性能更加强大的LED器件，目前已经可以实现120%以上的NTSC色域范围。这点对于以还原图像为主的电视机而言，将是一个非常有效的提升画质的手段。可以预见的是，RGB-LED将在未来几年内成为液晶电视的一个重要发展突破方向。

　　除了更加良好的色域表现力，采用RGB-LED光源还可以有效提升电视机的对比度，实现更加精确的色阶和层次感更强的画面。由于整个背光源由众多微小的 LED发光单元组成，所以可以对其中每一个发光器件实现精确的亮度控制。根据原始画面特点进行小区域内的发光亮度修正变成可能，例如在一幅明暗对比强烈的画面中，暗部区域的LED背光可以完全关闭，而明亮区域的LED背光实现高亮度输出，由此带来的对比度提升效果将是以往采用CCFL光源的液晶电视所不能企及的。

　　目前在电视机领域，已经有多家厂商推出了采用RGB-LED背光源的商用化产品，例如索尼最新的70寸液晶电视70X300A，就采用了RGB-LED 背光源。利用LED可以快速关闭、分区域灵活控制、亮度可调的优点，不仅摆脱了传统液晶电视暗部画面层次表现不良的缺点，表现出来的优美色彩效果，已经和现有任一种液晶电视拉开了足够距离。

　　由于可以直接发出R/G/B三原色光，因此更有厂家计划取消液晶电视中占有较高成本的彩色滤膜，不过这项技术还没有进入真正的商用阶段，还需要市场和时间的考验。

总的说来，LED技术无论是应用于照明领域，还是显示辅助领域，或者直接用作显示设备使用，都能通过自身的优势获得各种传统设备不能比拟的性能。然而，凡事存在好的一面，当然也会有不好的一面。作为新一代的照明技术，LED并非十全十美，在上述的几个应用领域中，还存在着一定的问题。