稀土与新节能光源LED

20世纪中叶出现在市场上的第一批LED发光二极管，经过近50年历程，技术上已经取得长足的进步。发光效率达到每瓦15流明，光强达到烛光级，辐射颜色形成包括白色光的多元化色彩、寿命达数万小时，成为光学光电子新兴产业中极具影响的新 产品,在显示技术领域中占有基特殊的举足轻重的一席之地。我国现代电子工业正在进一步树立发展规模市场经济的理念。在首选光子器件等５种新型电子元件发展规划时，考虑以国民经济现代化和信息化为目标，实现产品专业化和扩大出口创汇能力，ＬＥＤ产业被选择为光电子器件发展中的重点，同时认为它在产值、产量、规模效应等诸方面应占有其应有的地位。虽然，目前ＬＥＤ在光电市场仅占有很小的份额但它的发展势头、其巨大的市场潜力不可低估，国内外越来越多的企业参与这场竞争势在必行。 为了更有利于我国参与这一竞争,尤其是面临既将加入WTO的形势,如何客观地了解LED光源研制状和发展趋势,充分剖析国际 市场各国参与ＬＥＤ光源市场竞争的动态，是我们决策的重要依据。为此特撰写本文与有关人士商榷和探讨，愿有助于我国ＬＥＤ光源产业的崛起和兴旺。

LED光源的研制成果

LED原理是在半导体P-n结处流过正向电流时，能以高的转换效率辐射出200-1550m范围包括紫外、红外和可见光谱，从而形成一个实用的发光元件。目前可见光（380-780nm）的LED产量以90%的优势占主导地位。

LED以体积小（最小仅几毫米）、寿命长（几万小时）、功耗低（mW）、可靠性高、响应速度快（us级）、易与集成电路配用、可在低电位（几伏电压）下工作及易实现固体化，以及辐射光谱丰富、光效和亮度高等优点，在照明和显示领域引起人们的极大兴趣和重视。要具体分析LED科研进展，我们可先回顾一下半导体工业的发展历史。人们一般将Si、Ge称为第一代电子材料，而将GaAs、InP、GaP、InAs、AlAs及其合金等称为第二代电子材料，宽禁带（Eg>2、3eV）半导体材料近年来发展十分迅速，成为第三代电子材料，主要包括SiC、ZnSe、金刚石和CaN等。宽禁带半导体材料具有禁带宽大,电子漂移饱和速度高介点常数小,导热性能好等优点,非常适于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成电子器件；而利用其特有的禁带宽度，还可制作蓝、绿光和紫外光的发光器件和光探测器件。再宽禁带半导体材料中，SiC和ZnSe在相当长的一段时间内一直是研究和开发的重点，尽管SiC为间接带隙材料,其蓝色LEDs的发光亮度很低,但SiC蓝光LEDs在CaN蓝光LEDs实现商品化之前仍是唯一的商品化的蓝光LEDs产品；而ZnSe材料由于可实现蓝光LEDs（寿命约为几个小时），更是世界各大公司和研究机构的掌上明珠。

GaN材料由于受到没有合适的单晶衬底材料、位错密度太大、n性本底浓度太高和无法实现P型掺杂等问题的困扰,曾被没有认为是一种希望的材料，因而发展十分缓慢。进入90年代之后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展和完善，GaN基器件的发展十分迅速，目前已成为宽带隙半导体中一颗十分耀眼的新星。

首先是在蓝、绿光发光器件领域取得重大突破。1989年，Nichia公司每年投入300多万美元用于开发GaN基蓝光LEDs,并很 快结出硕果。1991年Nichia公司Nakamura等人首先以蓝宝石为衬底，研制成掺Mg的GaN同质结蓝光LEDs,1993年将蓝光发光亮度提高到lcd1995年达到2cd，并于同年实现绿光LEDs商品化,其亮度达到6cd。1995年11月,在材料研究会(MRS)主办的第一届GaN及其关材料国际学术会议中， Nakamura展示了用于交通信号灯的LEDs，引起全世界的重视。1997年Nichia公司研制成功连续波工作寿命超过10000h的蓝光LEDs，更引起全世界的关注。在电子器件领域，UCSB大学研制的GaN,MODFET的施主层厚度仅有20nm,减小了器件的输入电容,使得0.2um栅长器件的fsubT达到50GHz,在10GHz工作下的功率密度为1.7W/mm器件性能超过用其他材料制作的HFET。南卡罗来纳州大学等以SiC为衬底研制的HFET的跨导体为142mS/mm，室温下的功率耗散为0、6MW/cm ，比以蓝宝石为衬底的同类器件高3倍。

APA光学公司在1998年初推出世界上第一个商品化的GaN基UV探测器系列。与传统Si探测器相比，GaN探测器在可见光范围内的工作要有效得多，且可在300度的高温环境中工作。 随着蓝、绿光LEDs实现商品化，目前开发GaN器件的焦点更多的集中在实现蓝光LEDs上。世界各大公司和研究机构都投巨 资加入到GaN蓝光LEDs的开发中，力争最迟到2000年实现蓝光LEDs商品化。

随着国内外半导体工业的发展和开拓，新工艺、新技术伴随着发光机制理论的进展也不断取得新成就，各种颜色的超高亮度 （20ma、法向光强1000mcd）LED取得突破性进展，并迅速实现产业化。LED光效较初始产品提高1000倍、达到50lm/W,光色已实现可见光波段的所有颜色,包括白色LED光源的研究已获得可喜的成果和优异的性能，引起科技界和产业界的极大关注，被认为是21世纪最有价值的新光源。

LED照明光源的应用前景

近年来LED在高亮度化和多色化方面取得了突出进展，使人们看到LED发光效率已超过白炽灯，而且得到了超高亮度的日光色。人们纷纷预测LED将成为21世纪的照明光源。家用照明所需的是近于日光色的LED光源,这已成为世界各地灯具、光源研究机构竞相开发、努力获取的技术目标。目前已有几家著名公司先后推出此类光源样品。日本Nichia公司在1998年推出白光LED样品，虽然光效仅为7lm/W，但色温达到6000- 6500K，显色指数85，已接近日光参数。日本通商产业省在1998年投资50亿日元启动国家项目“21世纪的照明”,在世界率先开展日光色LEDs作为 照明光源实用化的研究,该发展计划将产生更加适应市场需要的LED照明设备,计划从2005年起,逐步取代白炽灯和荧光灯。同时,欧洲的Philips、Osram、Siemens等多家公司也全力角逐这一市场。业内人士预计2005-2010年全球LED照明市场规模将逾10亿美元。

太阳能与电光源

根据太阳能供电的特点及电光源技术的发展状况，在采用单灯照明的场所，可按灯的功率大小来选择不同类型的光源。

1、50W以上的室办照明可采用小功率金卤灯，其规格有50W、75W、100W、150W，光效大于80lm/W。

2、20-50W范围的宜采用T5型直管荧光灯，其规格有21W、28W、35W、49W，光效大于90lm/W。

3、功率在10-20W之间的宜采用T4型直管荧光灯，其规格有12W、16W、20W、光效大于60lm/W。4、10W以下低瓦数的光源宜采用T2或T1型荧光灯，光效约50lm/W。

在太阳能电源推广应用上，与其相适应的电光源中，20W以下的小功率金卤灯尚在研制，而商品化的半导体发光器件（LED的光效还很低，成本也相对的过高。为此采用低压直流供电的小功率稀土节能灯代替5-60W的白炽灯较为适宜

LED潜在发展的方向
　　
LED已被大多数人认识，也被多数人看好，认为是21世纪新一代的照明光源。据目前预测到2010年左右，可能光效接近50lm/W，所以被炒作得沸沸扬扬。然而，它毕竟单颗功率在0.1W左右，所以发出的光通量极为有限。就目前来说必须将许多个LED 整合在一起才能做成"新的光源"取代白炽灯或紧凑型荧光灯，做成台灯、壁灯等灯具，这些实例已经不少。但高昂的价格，实 难推广，到达有合理的性价比的年代看来还要等上一段时间。

那么除了目前大量用于交通信号灯，应急灯以外，是否还有什么非它莫属的功能呢？美国LD+A今年7月刊登了一则消息：利用LED的控制电压很低和控制方法简单的优点，将它装在室内天棚中或做成大型灯饰，通过电脑输出信号直接驱动三极管后控制它的开关状态。由于使用了电脑，再多的LED数量也能方便自如地控制，得到明暗可变颜色可变绚丽多彩的照明效果,并且已有成功的案例。例如在美国"雨林咖啡厅"上做了一个色彩变幻的彩色天棚，在Hollywood赌场做了一盏色彩斑斓的大型艺术吊灯。当然，将许多个LED拼在一起做成一盏盏灯后做成标志牌，标志线也是目前常见的应用手法。英国千禧宫高达100米的支撑柱顶部的每只红色航空障碍灯就有1万多颗红色LED组成。
　　
白色发光二极管可望取代白炽灯
　　
电灯照明，一经推广，就存在着一些缺陷。白炽灯效率低，加热钨丝和灯泡玻璃耗能太多。而且，灯泡容易烧坏，换灯泡时又有一定的危险，要登高，还容易触电。荧光灯是后起之秀，节电节能效果不错，但对人的视力有伤害，也易碎，灯管内还含有对人体和环境有害的汞。 据英国《新科学家》杂志透露，相信不久的将来，传统的灯泡和灯管将被白色发光二极管取代。早在3年前，已经制造出了首只白色发光二极管。现在，美国波士顿大学光学研究中心的工程师弗雷德.舒伯特,研制出了一种更明亮，更高效的白色发光二极管。最早研制的发光二极管，只能发出红色的光，用作电子设备中的指示灯。后来，能发出黄色绿色和蓝色光的发光二极管相继问世，作为交通信号灯，各国多有应用。白色发光二极管的基础是蓝色发光二极管。蓝色发光二极管是由铝、铟和氮化合物制成的。当它发出的蓝光射到由铝、铟和磷化合物组成的结构层时,又会产生橙色光。而橙光和蓝光混合后，在人眼看来就是白色光。舒伯特说，他研制的白色发光二极管,其发光强度分别是荧光灯和白炽灯的4-6倍和15-30倍。发光面积小于1平方厘米的白色发光二极管，能发出相当于60瓦灯泡发出的光,而前者的功率只有3瓦。如果用它来替换全美国的照明灯泡，那么尽管每年照明方面的电耗以3%的比率增加，但单个灯泡的耗电量大幅度下降了。

白色发光二极管的另一大优点是不易燃烧，寿命很长。据统计，白炽灯的平均寿命为1000-1500小时，质量最好的荧光灯管最多只能使用5万小时，这就是说，如果每天开灯10小时，可以使用15年。

当然，灯泡从日常生活中消失还有相当长的时间。现在能制造出的白色发光二极管还很小，充其量只能用在手电筒内。尽管发明者声称增大尺寸并不困难，但还得有一定的过程。另外,由于白色发光二极管发出的白光只是一种混合光，蓝色和橙色成分比例不同，就会发出不同色调的白光，就像现在的荧光灯一样,有明亮白光的、偏蓝色光的及乳白色光的，当然，它们都接近白天自然光的色调。所有这些，都是急待研究的内容。 稀土蓄光型微光照明光源大连路明发光科技股份有限公司研究开发的长余辉磷光体-蓄光型稀土发光材料新一代绿色、蓝绿色长余辉磷光体，其发光、余辉时间均超过ZnS型和SrS型长余辉磷光体，由大连路明发光科技股份有限公司在由上海市照明学会召开的新一代绿色环保光源《稀土蓄光型自发光消防安全标志及系统应用技术推广会》上展示了这一成果。 这种产品是利用可见光激发的超长余辉蓄光性荧光粉制品，可取代传统应急照明的自发光消防安全标志。它无需用电，只需在白天或灯光下自然光照，仅照射30多分钟，便能储存足够的激发能量,在黑暗环境中持续发光暗处自动发光，具有环保、节能、经济、安全等性能,其在国内外的建筑装潢、消防安全、铁路、公路、剧院、商厦、工艺美术等众多领域得到了广泛的应用。

绿色照明中的电感镇流器90年代初，美国曾经有人建议禁止生产电感镇流器，并要求所有的镇流器都改为电子式，但没有得到批准。相反，到1998年，该国镇流器年产量中电感镇流器占2/3，产品全部都是节能型的。国内大量的电感镇流器仍是30年代以来与荧光灯配套的传统型老产品，其性能稳定，价格便宜，但功率损耗大。从我国的国情出发，如果把传统电感镇流器更新为节能型的,将会取得可观的节能效果，而且技术上、经济上皆是可行的。 根据市场信息，国内镇流器近年的销售量平均约8000万只。其中，电感镇流器占90%。倘若有半数电感镇流器改用节能型，按40W荧光灯计算，每只省4W，年用电2500小时，可节省3.6亿度电。电感镇流器通常是一只带有导磁材料的限流线圈，它与启辉器配合工作。传统镇流器以少量的元件，巧妙地完成了合理的点灯程序,它结构简单，可靠耐用，价格低廉，功率因数可以外加补偿，若配用优质的启辉器，灯管的平均寿命可以达到10000小时以上。

由于电感镇流器有其独特的优点及诱人的实用价值，世界各国对其不断改进，并且开发了节能型产品。荷兰飞利浦公司推出35W荧光灯低损耗仅5W。美国镇流器制造厂商早在1990年就全部生产节能型电感镇流器。电子镇流器含有较高的谐波量，三次谐波占基波30%以上，需要增加谐波滤波装置使之符合规范。另外，因为它零序分量，会使中性线过载而发生事故。输入电流谐波含量不借助专门仪器，一般用户无法测量，这是使用电子镇流器需要特别注意的。而电感镇流器相当于带铁芯的电感线圈,属于线性电路，只要合理选择铁芯及其磁通密度，三次谐波含量极小，一般此问题可不予考虑。电子镇流器具有高光效、低频闪低廉，节能效果显著，与普通的灯管兼容性强，且易于组织生产，较适合我国的经济发展和消费水平。可以说,提倡和开发节能型电感镇流器顺应绿色照明工程发展的潮流，即实现环保节能又可以节省投资，是利国利民之计。